摘要：網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到虛擬儀器系統(tǒng)是虛擬儀器發(fā)展的趨勢。文中介紹了采用LabVIEW為開發(fā)平臺，用Lonworks網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)據(jù)通道來實現(xiàn)遠程監(jiān)測的Lonworks網(wǎng)絡(luò)虛擬監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計方法。同時詳細介紹了虛擬儀器與Lonworks網(wǎng)絡(luò)的接口設(shè)計和系統(tǒng)通信的實現(xiàn)方法。
傳統(tǒng)儀器，無論是早期的模擬儀器，還是現(xiàn)在的數(shù)字化智能儀器，雖然它們的功能日益完善和強大，但是所有的功能塊都以硬件的形式存在，這使對它們的開發(fā)和應(yīng)用都缺乏靈活性。虛擬儀器的出現(xiàn)是測試技術(shù)與計算機深層次的結(jié)合，從而使測試技術(shù)上升到一個新的層次。虛擬儀器在工程應(yīng)用方面具有突出的優(yōu)勢，它可在通用硬件平臺確定之后，用軟件取代傳統(tǒng)儀器中的硬件來完成儀器的功能，儀器的功能可由用戶根據(jù)需要通過軟件來定義，甚至能完成傳統(tǒng)儀器因工藝和制造水平的限制而難以完成的測試工作。隨著通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，將網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到虛擬儀器領(lǐng)域，以形成網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器是虛擬儀器發(fā)展的一個趨勢。本文介紹了一種用于Lonworks網(wǎng)絡(luò)（簡稱LON網(wǎng)）的虛擬儀器監(jiān)測系統(tǒng)，給出了采用LabVIEW軟件開發(fā)平臺，并用Lonworks網(wǎng)絡(luò)作為信號傳輸通道來實現(xiàn)Lonworks網(wǎng)絡(luò)與虛擬儀器的接口設(shè)計以及通信方式。
1 Lonworks網(wǎng)絡(luò)虛擬儀器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
圖1所示是一種網(wǎng)絡(luò)虛擬儀器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。圖中，虛擬儀器由一臺PC機和LabVIEW開發(fā)的應(yīng)用軟件構(gòu)成。LabVIEW是一種基于圖形化編程語言的虛擬儀器軟件開發(fā)工具，它提供有豐富的功能模塊，可以支持GPIB、PXI、VXI、串口等多種總線標(biāo)準。用戶可利用不同的模塊組合來編制圖形化軟件流程圖，以實現(xiàn)多種測試功能。該系統(tǒng)操作面板設(shè)計靈活，且不受“標(biāo)準件”和“工藝”的限制。
Lonworks總線是Echelon公司研制的一種局部操作網(wǎng)絡(luò)，是一種串行數(shù)字通信鏈路。它支持雙絞線、電力線、光纖、同軸電纜等通信媒介，并支持多種網(wǎng)絡(luò)拓撲，可用于建立生產(chǎn)領(lǐng)域中現(xiàn)場設(shè)備之間以及更高層次控制過程設(shè)備之間的聯(lián)系。Neuron神經(jīng)元芯片是Lonworks系統(tǒng)設(shè)備的核心器件。在Lonworks網(wǎng)絡(luò)中，以Neuron芯片為核心的智能節(jié)點主要完成各現(xiàn)場設(shè)備的信號采集和控制，一個Neuron芯片可連接多個物理I/O設(shè)備，節(jié)點掛接在Lonworks總線上即可形成現(xiàn)場測控網(wǎng)絡(luò)。通過Neuron芯片和LONTalk通信協(xié)議便可實現(xiàn)各節(jié)點之間以及節(jié)點和上位機間的通信。由于總線具有串行特征，同時LabVIEW又提供了對串口的支持，而且PC機一般都帶有串行接口，因此，可以通過串口來實現(xiàn)虛擬儀器與Lonworks網(wǎng)絡(luò)的交互，并通過操作軟面板形成控制信號，以控制給定的節(jié)點，然后由節(jié)點將現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)信號送到虛擬儀器進行顯示和分析。
2 虛擬儀器與Lonworks接口卡的設(shè)計
雖然Neuron芯片的I/O引腳提供了RS232半雙工異步串行工作方式，但是在傳輸速率、數(shù)據(jù)格式和通信方式方面仍有較大的局限性。網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點間的通信是通過LONTalk通信協(xié)議用網(wǎng)絡(luò)變量或顯式消息報文的形式實現(xiàn)的。為了實現(xiàn)更靈活的應(yīng)用，筆者設(shè)計了一塊LON－RS232接口卡以實現(xiàn)RS232協(xié)議與LONTalk協(xié)議的相互轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)高速率、全雙工的通信。該接口卡的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。
該接口卡包括51協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊、LON網(wǎng)接口模塊和RS232通信模塊。接口卡采用雙CPU技術(shù)。51協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊由P89C51單片機構(gòu)成，P89C51也是接口卡的主CPU，用于完成RS232標(biāo)準信號與LONTalk協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換。接口卡向上經(jīng)RS232通信模塊與虛擬儀器進行通信；向下與TMPN3150進行并口通信。
LON網(wǎng)接口模塊由TMPN3150芯片、收發(fā)器FTT－10A、程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器等組成，該模塊可將主CPU接收的報文解析成LONTalk協(xié)議報文，然后通過收發(fā)器傳到LON網(wǎng)，或?qū)腖ON網(wǎng)上收到的LONTalk協(xié)議報文轉(zhuǎn)發(fā)給主CPU。TMPN3150芯片通過11個I/O口（IO0～IO10）與P89C51進行連接，它采用并行I/O模式的從A工作方式。在這種方式下，IO0～IO7將作為雙向數(shù)據(jù)線與P89C51的P0.0～P0.7連接，IO8作為片選信號線連接到P2.0腳，IO9為讀寫信號線，連接于P89C51的WR腳，IO10為握手信號線，接P2.1腳，主機（P89C51）和從機（TMPN3150）之間的數(shù)據(jù)傳輸通過虛擬的寫令牌傳遞協(xié)議來實現(xiàn)，擁有令牌的一方具有對數(shù)據(jù)線的寫控制權(quán)。
RS232通信模塊由RS232接口芯片完成串口通信網(wǎng)絡(luò)的鏈路和協(xié)議。它由P89C51的UART進行驅(qū)動，采用中斷驅(qū)動方式。
3 系統(tǒng)通信方式的實現(xiàn)
通常，虛擬儀器測試的物理量較少，而且被測試的設(shè)備比較集中，因而信號通道一般采用并行方式。但是在設(shè)計網(wǎng)絡(luò)虛擬儀器系統(tǒng)時，除了要解決接口問題，還要考慮由于網(wǎng)絡(luò)的多種拓撲結(jié)構(gòu)而要解決虛擬儀器與各個節(jié)點的有效通信問題，如尋址信息、控制信息以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)取?/p>
3.1 控制信號的傳輸
一個Lonworks網(wǎng)絡(luò)包括多個節(jié)點，每個節(jié)點可以監(jiān)測多個信號，即一個節(jié)點有多個測量通道。當(dāng)虛擬儀器要獲取某個被測量數(shù)據(jù)時，必須同時指定該被測量所在的節(jié)點和通道?？稍谔摂M儀器的軟面板上根據(jù)實際要測量的物理量設(shè)置選擇開關(guān)，當(dāng)選中某一開關(guān)時，這樣程序?qū)⒏鶕?jù)預(yù)先的設(shè)置自動形成包含節(jié)點號、通道號的控制信息，其消息格式包括節(jié)點號、通道號、控制命令代號共3個字節(jié)。經(jīng)過接口卡轉(zhuǎn)換后，節(jié)點號、通道號、控制命令代號將被寫入LONTalk顯式消息報文數(shù)據(jù)的前三個字節(jié)，報文消息代碼為CONTRL＿MSG，該報文以廣播方式在LON網(wǎng)上傳播。具體實現(xiàn)代碼如下：
一般情況下，節(jié)點通過when(msg_arrives(CONTRL_msg))接收該消息，然后判斷消息數(shù)據(jù)的第一個字節(jié)的節(jié)點信息，如果不是本節(jié)點，則不作處理，如果是本節(jié)點，再判斷第二個字節(jié)的通道號，然后作相應(yīng)的處理并將選中通道的數(shù)據(jù)傳送出去。
3.2 測量數(shù)據(jù)的傳輸
在測控系統(tǒng)中，各個需要測量的參數(shù)每次需要采集的數(shù)據(jù)個數(shù)可能各不相同，少的可能只有一個數(shù)據(jù)，多的可能有上千個數(shù)據(jù)，因此節(jié)點收到虛擬儀器傳來的控制信號后，選中通道的監(jiān)測數(shù)據(jù)要采用顯式消息報文傳輸。在LON網(wǎng)中，設(shè)計的接口卡也是一個節(jié)點，當(dāng)其余節(jié)點收到發(fā)給本節(jié)點的控制信號后，會同時將相應(yīng)通道的數(shù)據(jù)都發(fā)送到接口卡上。筆者采用的是消息標(biāo)簽尋址。消息標(biāo)簽是顯式消息的一個連接點。網(wǎng)絡(luò)管理工具給輸入標(biāo)簽和每個輸出標(biāo)簽都會賦一個唯一的網(wǎng)絡(luò)地址。這樣，利用捆綁器可將各個節(jié)點發(fā)送給接口卡的顯式報文的消息標(biāo)簽與接口卡節(jié)點的消息輸入對象msg＿in連接起來，這樣就可以實現(xiàn)點對點的數(shù)據(jù)傳送。下面以節(jié)點2收到要求發(fā)送給1號通道的數(shù)據(jù)，且該通道每次發(fā)送40個字節(jié)的數(shù)據(jù)為例，給出其發(fā)送程序：
LON_232是定義的輸出消息標(biāo)簽，由網(wǎng)絡(luò)管理器將LON_232與接口卡的輸入消息標(biāo)簽msg＿in相關(guān)聯(lián)。在接口卡上對該消息進行處理的程序如下：
4 結(jié)束語
采用Lonworks網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器，可將所有測量通道的數(shù)據(jù)都在Lonworks總線上進行傳輸，從而避免了多通道并行布線的弊端，有效實現(xiàn)了遠程數(shù)據(jù)的采集和控制。通過該網(wǎng)絡(luò)接口卡可使虛擬儀器任意掛接在LON網(wǎng)的任何地方，因而可以做成便攜式儀器，并方便靈活地在LON網(wǎng)上進行測試。