基于Linux的现场总线无线通信卡的实现

1.引言

　　使用无线连接设备的便利已经导致了在消费电子（商业）领域中无线技术被空前成功的应用。在此基础上基于无线技术的应用开始出现在各个领域。在工业或工厂底层环境中，使用无线技术的优势更是多方面的。

　　第一，在工业环境中往往需要大量的布线，采用无线技术不仅会使安装和维护的成本有效减少，而且会使设备的调整规划和重新配置更加的容易。

　　第二，无线技术的引入对于解决在有化学腐蚀、震动和移动部件等恶劣环境中对各种线缆的潜在损伤等问题显得更加有效。

　　第三，考虑到工厂设备中适应性和灵活性，固定系统可以通过无线技术和现有的移动子系统或移动机器人连接通信。

　　第四，对在工厂设备进行临时访问任务（如诊断或程序设计等）使用无线技术会更加简化（如使用无线手持设备）。

　　在解决工业环境及过程控制环境下的许多移动对象，如移动机器人与自治运输设备之间的协调;旋转对象，如机械臂;危险环境对象的监测与控制问题，如分布式控制等工业环境无线技术发挥极大的作用。将无线技术应用到现场总线中来解决传统现场总线存在的问题，正受到学术界和工业界的极大关注。

2.现场总线的无线接入方法

　　为了使无线技术能够无缝而更广泛地应用于工业现场，使现场设备无线接入到现存的现场总线，国内外相关领域的技术人员进行了一定的尝试。按在不同层上实现接入可以将接入方案分为三大类：用户层接入、数据链路层接入和物理层接入。

　　（1）用户层接入：在用户层设一个OPC服务器,通过OPC服务器进行有线网段与无线网段之间的数据交换。该方案其优点是简单易实现,双方可保持原有结构不动,两侧的“连接”可随时通过软件的控制建立或分离。缺点是中间环节太多,实时性得不到保证。

　　（2）物理层的接入：在某些站点的有线连接“下”面加装Modem。无线站点的信号经过此无线收发装置将帧格式转换后,联入有线网段接口,因此远端的无线站点被“视为”同质站点。这样,所有的有线、无线站点均采用原有现场总线协议,只是在最底层的某些物理连接上,无线连接代替了有线的连接。其缺点是此方法仅实现了点对点的连接,无线站点不具有“漫游接入”的能力。

　　（3）数据链路层的接入：此方法源自WLAN和以太网的联接方式,即在PHY层和DDL层之上加一个无线网关。该无线网关实现了无线网段数据与有线网段之间的数据格式转换和转发。原有的现场总线保持不动,加装一个无线网段的AP接入点。当两网段间有数据交换时,才会通过AP点经过协议转换把数据转发到另一端。

　　数据链路层的接入是现阶段最被关注的方法。其具体实现方法较多，但大多处于理论研究阶段或需要对原有的现场总线进行改造，而工业厂家又不想使现正运行的现场总线暂停工作。这使得现阶段的一些其无线接入技术在现场总线中应用变得困难。为了使无线现场设备能够应用于工业现场，又不改动现有的现场总线系统，目前较成熟的技术就是使用无线分散控制站来与原有的现场总线连接，实现现场设备的无线接入。无线分散控制站一般由IO模块控制卡、无线通信卡两部分组成。两块板卡通过IO模块控制卡上的双端口RAM交换数据，通过中断触发数据读写操作，从而达到通信效果。其关键技术就是如何实现无线通信卡的软件设计。

3.基于Linux的无线通信卡

　　在无线分散控制站中无线通信卡使用AT91RM9200控制器并通过USB接口加载符合802.11b协议的无线传输模块，其操作系统为Linux系统。

3.1基于Linux的无线通信卡的工作原理

　　无线通信卡运行着现场总线协议栈和功能块（MAI，MAO，MDI，MDO）等。根据所接入的现场总线的不同选用相应的协议栈。使用向IO模块控制卡发中断及响应IO模块控制卡中断的方式，通过IO模块控制卡来配置、读取和控制现场设备。无线通信卡与IO模块控制卡之间数据传输是直接通过读写IO模块控制卡上的双端口RAM实现的。另一方面，无线通信卡通过其上面的USB接口加载了符合802.11b协议的无线传输模块，能够通过该模块实现与有线网络相连，使其与相应的现场总线工作站通信，其结构示意图如图3-1所示：

图3-1无线通信卡的结构示意图