摘要：闡述了基于Linux的EPA無線通信卡的實現(xiàn)過程，成功地解決了IO模塊控制卡與其之間的通信問題，從而為實現(xiàn)了基于無線局域網(wǎng)的EPA網(wǎng)絡控制系統(tǒng)研發(fā)提供了可靠保證。同時進行了簡單測試，實驗證明測試系統(tǒng)運行效果良好，達到了預期目標。
關鍵詞：EPA通信卡；無線局域網(wǎng)；Linux驅動

    引言

    在工業(yè)環(huán)境中，各種現(xiàn)場設備的數(shù)據(jù)采集，其相互間的數(shù)據(jù)傳送、信息共享以及控制信號的收發(fā)基本上都采用電纜進行通信。盡管現(xiàn)場總線技術的成熟極大地減少了現(xiàn)場電纜的敷設數(shù)量，正逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的DCS技術。但在某些工業(yè)現(xiàn)場中存在著大量移動設備，如空中起重機使之很難在空中布線，在加固混凝土的地板下面也無法敷設電纜，貨運通道也不便在地面布線。甚至在高溫高壓等特殊工業(yè)環(huán)境中，往往不能敷設連到計算機的電纜，現(xiàn)場設備間無法通過有線進行相互間的通信，這給傳統(tǒng)的有線連接方式提出了挑戰(zhàn)。

    無線通信技術與現(xiàn)場總線技術有機集成，有效地解決了工業(yè)現(xiàn)場面臨的諸多難題。

     EPA標準概述

     EPA系統(tǒng)結構
     EPA系統(tǒng)是一種分布式系統(tǒng)，有三種子網(wǎng)：基于以太網(wǎng)(IEEE802.3)、無線局域網(wǎng)(IEEE802.11)和藍牙(IEEE802.15)的子網(wǎng)：

     1)一個或多個基于以太網(wǎng)的EPA子網(wǎng)，兼容IEEE802.3協(xié)議；
     2)一個或多個基于無線局域網(wǎng)的EPA子網(wǎng)，兼容IEEE802.11a、IEEE802.11b、IEEE802.11g協(xié)議；
     3)一個或多個基于藍牙技術的EPA子網(wǎng)，兼容IEEE802.15協(xié)議。

     EPA系統(tǒng)中的網(wǎng)段也可以是不同類型的子網(wǎng)，即兩種或三種的結合。如基于以太網(wǎng)和無線局域網(wǎng)的兩種子網(wǎng)組成的混合網(wǎng)段。其EPA系統(tǒng)的網(wǎng)絡拓撲結構如圖1所示。

   
    圖1　EPA系統(tǒng)的網(wǎng)絡拓撲結構

    基于無線局域網(wǎng)的EPA網(wǎng)絡控制系統(tǒng)
     EPA標準制定工作組通過對適用于工業(yè)現(xiàn)場控制的無線局域網(wǎng)關鍵技術的研究，提出了支持無線局域網(wǎng)技術的實時分布式網(wǎng)絡控制系統(tǒng)體系結構。該體系結構結合工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的特點，考慮了基于無線局域網(wǎng)的EPA控制網(wǎng)絡的實時性、可變傳輸率下的通信性能、無線傳輸距離、無線通訊的抗干擾性和無線通訊的安全性等方面的問題，開發(fā)了基于EPA的無線分散控制站。EPA無線分散控制站由IO模塊控制卡、EPA無線通信卡兩部分組成。兩塊板卡通過IO模塊控制卡上的雙端口RAM交換數(shù)據(jù)，通過中斷觸發(fā)數(shù)據(jù)讀寫操作，達到通信效果。

    基于Linux的EPA無線通信卡

     EPA無線通信卡使用AT91RM9200控制器并通過USB接口加載符合802.11b協(xié)議的無線傳輸模塊，操作系統(tǒng)為Linux系統(tǒng)。

    基于Linux的EPA無線通信卡的工作原理
     EPA無線通信卡運行著EPA協(xié)議棧和功能塊(MAI、MAO、MDI、MDO)等。使用向IO模塊控制卡發(fā)中斷及響應IO模塊控制卡中斷的方式，通過IO模塊控制卡來配置、讀取和控制現(xiàn)場設備。EPA無線通信卡與IO模塊控制卡之間數(shù)據(jù)傳輸是直接通過讀寫IO模塊控制卡上的雙端口RAM實現(xiàn)的。EPA無線通信卡通過其上面的USB接口加載了符合802.11b協(xié)議的無線傳輸模塊，通過該模塊實現(xiàn)與EPA有線網(wǎng)絡相連，使其與相應的EPA工作站通信，其結構示意圖如圖2所示。

   
    圖2　基于Linux的EPA無線通信卡的結構示意圖

    基于Linux的EPA無線通信卡的軟件設計
     EPA無線分散控制站中無線通信卡軟件開發(fā)基于Linux操作系統(tǒng)。由于Linux系統(tǒng)基于802.11b協(xié)議的無線驅動已經(jīng)很成熟了，而基于Linux操作系統(tǒng)的EPA協(xié)議棧軟件移植也比較容易。因此，選擇Linux系統(tǒng)會有效的提高EPA無線通信卡的開發(fā)周期。

    基于Linux的EPA無線通信卡與有線的EPA通信卡在EPA協(xié)議棧和功能塊方面大致相同，僅需將應用程序向Linux系統(tǒng)上移植即可。但由于采用了Linux系統(tǒng)在與IO模塊控制卡通信的實現(xiàn)上就相對比較復雜了。與IO模塊控制卡通信的程序流程如圖3所示。

   
    圖3　與IO模塊控制卡通信的程序流程圖

    軟件實現(xiàn)中關鍵性問題的解決
    在Linux操作系統(tǒng)下對于中斷及其他系統(tǒng)資源的操作有特定的規(guī)范，如內核模式操作和用戶模式操作具有不同操作權限，內核空間與用戶空間也不能隨意互訪。導致如EPA協(xié)議棧無法直接對雙端口RAM進行讀寫，也無法直接向I/O模塊控制卡收發(fā)中斷，在Linux系統(tǒng)下，只有在內核模式下才可以做到。那么，怎么樣將數(shù)據(jù)寫入到雙端口RAM中，然后發(fā)送中斷信號通知對方及如何響應對方的中斷并從雙端口RAM中讀數(shù)是軟件實現(xiàn)中的關鍵性問題。

     發(fā)中斷與注冊中斷處理程序的實現(xiàn)
    由于發(fā)中斷與注冊中斷處理程序是對硬件直接操作，在Linux系統(tǒng)下用戶程序無法直接對其硬件進行操作。因此，必須編寫相應的內核模塊，在內核模塊中完成發(fā)中斷與注冊中斷處理程序的操作。在用戶程序中動態(tài)加載相應內核模塊來達到用戶程序發(fā)中斷與注冊中斷處理程序的效果。其注冊中斷處理程序的內核模塊關鍵性代碼如下：

     intinit_module(void)                    //中斷注冊模塊初始化
     {
    …                                    /*初始化設置*/
    AT91_SYS->AIC_SMR[25]|=0X20；
    //設置中斷下跳沿觸發(fā)
    if(request_irq(25，epa_interrupt，SA_INTERRUPT，
    "MAIN_IRQ"，NULL))
    //請求分配中斷號為25的快速中斷處理
    //epa_interrupt為指向處理這個中斷的中斷處理程序的指針
    {…/*進行出錯處理*/}
    else
      {printk("<1>request_irqok! ")；
    return0；}
   }
   voidcleanup_module(void)
   {
    …/*釋放資源*/
    free_irq(25，NULL)；                   //釋放中斷線25
    }
   
     在用戶程序中發(fā)中斷時，通過調用system(send_riq)來動態(tài)執(zhí)行內核模塊程序來控制發(fā)送中斷的管腳的信號，從而實現(xiàn)在用戶程序發(fā)中斷的效果。其發(fā)中斷的內核模塊關鍵性代碼如下：

    AT91_SYS->PIOC_PER|=AT91C_PIO_PC15；
    //設置PC15IO使能
    AT91_SYS->PIOC_OER|=AT91C_PIO_PC15；
    //設置PC15輸出使能
    //發(fā)送一個方波中斷信號
    AT91_SYS->PIOC_CODR|=AT91C_PIO_PC15；
    for(i=1；i<1000；i++)；
    //延時，內核中不能調用sleep()函數(shù)
    AT91_SYS->PIOC_SODR|=AT91C_PIO_PC15；

     雙端口RAM驅動的實現(xiàn)
    由于用戶程序不能直接對雙端口RAM進行讀寫，因此必須根據(jù)用戶程序的需要編寫雙端口RAM的驅動，以內核模塊的形式動態(tài)加載到系統(tǒng)中去。Linux系統(tǒng)將所有設備都看作是文件，對設備的讀寫相當于對文件的讀寫。雙端口RAM驅動模塊加載后，用戶程序就可以像讀寫文件一樣，間接的對雙端口RAM進行讀寫了。其雙端口RAM驅動模塊的主要實現(xiàn)過程如下：

    staticintwrite_dpram(structfile*file，constchar*buf，u32count，loff_t*f_pos)
    {……                                                       /*寫初始化*/
    copy_from_user(wMessage，buf，count)；
    ……                                                    /*進行數(shù)據(jù)處理*/
    for(i=0；i<count；i++)
    {writeb(wMessage[i]，base+wadd)；
      wadd++；}……                             /*向IO模塊控制卡發(fā)中斷信號*/
    }
    staticintread_dpram(structfile*file，char*buf，u32count，loff_t*f_pos)
    {……                     /*讀函數(shù)則調用相應的readb()和copy_to_user()函數(shù)，與寫函數(shù)同理*/}
    staticintopen_dpram(structinode*inode，structfile*file)
   {……                                                      /*初始化*/
    if(!request_mem_region(AT91_DPRAM，
    BUF_LEN3sizeof(u8)，DEVICE_NAME))
    {……                           /*未申請到該內存空間時進行相應處理*/}
    //申請使用內存空間
    base=ioremap(AT91_DPRAM，BUF_LEN3sizeof(u8))；
    //為設備內存區(qū)域分配虛擬地址
    ……                                              /*設置DPRAM讀寫時序*/
    }
    staticintrelease_dpram(structinode3inode，structfile3file)
    {……/*釋放相應資iounmap()和release_mem_region()；}

    以上為DPRAM設備驅動的打開、讀寫、關閉函數(shù)的實現(xiàn)，然后通過以下標記化結構將其驅動的功能映射到前面的具體實現(xiàn)函數(shù)上：

    staticstructfile_operationstest_fops={
    read：read_dpram，
    write：write_dpram，
    open：open_dpram，
    release：release_dpram
    }；
   
    另外，在驅動程序初始化時必須通過register_chrdev()注冊。在加載該驅動前要使用system("mknod/dev/設備名c主設備號次設備號")創(chuàng)建設備文件并為該設備分配設備號。

    測試系統(tǒng)

    本項目所搭建的測試系統(tǒng)包括EPA無線通信卡和IO模塊控制卡兩套EPA無線設備、一臺PC機及一個燈箱，如圖4所示。燈箱中的溫度傳感器與AI模塊相連，將溫度值傳遞給AI模塊，并通過設備A發(fā)送到以太網(wǎng)上。設備B接收到此溫度值后，將其與額定溫度值相比較，如果低于額定溫度值，則通過AO模塊輸出4mA～20mA電流，控制燈箱內的可控硅模塊，進而驅動燈箱內的燈泡，開始加熱；如果高于額定溫度值，則中斷AO模塊的輸出電流，切斷燈泡的電流輸入，使燈箱內的溫度下降，從而達到保持燈箱內溫度恒定的目的。

    實驗證明，EPA無線通信卡與IO模塊控制卡之間數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，這個系統(tǒng)運行效果良好，達到了預期目標，能夠滿足工業(yè)現(xiàn)場設備的通信要求。

   
    圖4　測試系統(tǒng)示意圖

    結語

     EPA系統(tǒng)是一種分布式系統(tǒng)，將分布在現(xiàn)場的若干個設備連接起來一起運作，共同完成工業(yè)生產過程和操作中的測量和控制。目前，無線局域網(wǎng)技術在工業(yè)控制中的應用已成為當今工業(yè)控制領域中的研究熱點。但將無線技術應用于工業(yè)現(xiàn)場設備間的通信，并形成完整的分布式網(wǎng)絡控制系統(tǒng)還是空白，也沒相關的行業(yè)標準、國家標準和國際標準，專利也很少。因此，研究開發(fā)基于無線局域網(wǎng)的EPA通訊體系和工業(yè)現(xiàn)場控制設備原理樣機及相關軟件，形成基于EPA的分布式無線網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，具有很強的原創(chuàng)性。