基于Lonworks總線的嵌入式智能節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

摘要：本文結(jié)合LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線的ShortStack技術(shù)和基于芯片MSP430F149上嵌入μcos_Ⅱ操作系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)的優(yōu)點(diǎn)，使其應(yīng)用于多用途智能節(jié)點(diǎn)的LON控制網(wǎng)絡(luò)。應(yīng)用程序被移植到目標(biāo)平臺(tái)。此外，對(duì)于這種嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的基本方法也進(jìn)行了分析。 

關(guān)鍵詞：ShortStack；多用途智能節(jié)點(diǎn)；MSP430F149

　　1   前言

　　LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線是美國(guó)Echelon公司推出的局部操作網(wǎng)絡(luò)，它具有統(tǒng)一性、開(kāi)放性、互操作性及支持多種通信介質(zhì)等優(yōu)良性能,是當(dāng)今最流行的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。但是由于LonWorks控制節(jié)點(diǎn)的核心神經(jīng)元芯片（Neuron Chip）的應(yīng)用處理能力相對(duì)較弱，因而對(duì)于復(fù)雜的應(yīng)用常使用主從處理器結(jié)構(gòu)，主處理器完成用戶的應(yīng)用功能，而把Neuron芯片作為通信協(xié)處理器。由于可以提高了節(jié)點(diǎn)的處理能力，節(jié)省資金和開(kāi)發(fā)時(shí)間，因此，具有多功能的通用嵌入式主處理器具有很好的應(yīng)用前景。本文采用的MSP430F149主處理器是TI公司基具有較高的集成度的芯片,簡(jiǎn)化了應(yīng)用系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì),適合作為多用途智能節(jié)點(diǎn)。

　　2   ShortStack的介紹和實(shí)現(xiàn)

　　2.1  ShortStack的結(jié)構(gòu)

　　ShortStack微服務(wù)器是Echelon公司提供的一套開(kāi)發(fā)包，其結(jié)構(gòu)圖如下：

圖1  ShortStack結(jié)構(gòu)圖

　　由圖可看到，主處理器與ShortStack 微服務(wù)器通信通過(guò)ShortStack API函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，通常使用其中的5個(gè)，lonInit（），lonEventHandler（），lonPropagateNv（），lonPollNv（）和lonsendServicePin()。ShortStack Micro Server,運(yùn)行ShortStack固件，運(yùn)行LonTalk協(xié)議的1～6層；主處理器運(yùn)行SCI串口驅(qū)動(dòng)程序，運(yùn)行ShortStack API函數(shù)，處理與Lonworks其他節(jié)點(diǎn)通信；主處理器應(yīng)用部分調(diào)用ShortStack API函數(shù)。主處理器設(shè)備的接口支持文件，由Neuron C model file 通過(guò)使用ShortStack向?qū)?lái)產(chǎn)生，產(chǎn)生數(shù)據(jù)表定義網(wǎng)絡(luò)變量和收發(fā)器參數(shù)。而Model file只需要聲明網(wǎng)絡(luò)變量NVs，配置屬性CPs和功能模塊FBs，因此，可以不需要熟悉Neuron C。

　　串行驅(qū)動(dòng)程序?yàn)橹魈幚砥骱蛷奶幚砥髦g提供一個(gè)獨(dú)立的接口。整個(gè)串行驅(qū)動(dòng)程序由兩部分構(gòu)成：上層驅(qū)動(dòng)程序?yàn)橹鲬?yīng)用程序提供一個(gè)接口；底層驅(qū)動(dòng)程序完成與神經(jīng)元芯片的硬件接口。上層和底層驅(qū)動(dòng)之間的數(shù)據(jù)交換通過(guò)緩沖隊(duì)列完成。底層驅(qū)動(dòng)程序與從處理器的通訊包括SCI上傳和SCI下傳兩類(lèi)，SCI上傳是數(shù)據(jù)由神經(jīng)元芯片上傳到主處理器；SCI下傳是數(shù)據(jù)由主處理器下傳到神經(jīng)元芯片。

　　2.2  ShortStack的軟件實(shí)現(xiàn)

　　采用提供的Neuron C模板事例修改編寫(xiě)。主要修改ldvsci.h和ldvsci.c中與MSP430F149處理器相關(guān)的語(yǔ)句。

　　在ldvsci.h中，修改為：

　　#define ENABLE_RX_TX()              (ME1 | = UTXE0+URXE0)

　　#define ENABLE_TX_ISR()              (IE1 |= 0x80)     

　　#define ENABLE_TX_COMPLETE_ISR() （IFG1|=0x80）   //USART0發(fā)送標(biāo)志

　　#define ENABLE_RX_ISR()              (IE1|= 0x40)   //enable SCI receive interrupt

　　#define DISABLE_TX_ISR()             (IE1 &= ~0x80)

　　#define DISABLE_TX_COMPLETE_ISR()  (IFG1 &= ~0x80)    // USART0發(fā)送標(biāo)志復(fù)位

　　#define DISABLE_RX_ISR()             (IE1 &= ~0x40)    

　　#define CHECK_RTS()                  (P2OUT& 0x02)         // check RTS

　　#define CHECK_CTS()                  (P2IN& 0x01)         // check CTS

　　#define ASSERT_RTS()                  (P2OUT &= ~0x02)       // assert RTS

　　#define DEASSERT_RTS()               (P2OUT|= 0x01)        // deassert RTS

　　#define DEASSERT_HRDY()             (P2OUT |= 0x04)        // deassert _HRDY

　　#define ASSERT_HRDY()                (P2OUT &= ~0x04)       // assert _HRDY

    在ldvsci.h中，修改了void SysResetSCI(void) ，void SysInit(void)，

　　void SysUpdateWDT(void)， @interrupt void RxInt (void)以及@interrupt void TxInt (void)中與MSP430F149相關(guān)的程序。

　　其他文件做少許改變，其中platform.h定義了BIG_ENDIAN and LITTLE_ENDIAN的區(qū)別，對(duì)應(yīng)于哈佛結(jié)構(gòu)和馮．諾伊曼體系結(jié)構(gòu)。由于MSP430F149核是馮．諾伊曼體系結(jié)構(gòu)的，所以ShortStack需用LITTLE_ENDIAN（即高字節(jié)存在高位地址）。

　　2.3 ShortStack的硬件件實(shí)現(xiàn)

　　從處理器（如圖2）采用TP/FT-10F控制模塊，該模塊由微型電路板構(gòu)成, 包括一個(gè)3150 芯片、一塊閃存、一個(gè)通信收發(fā)器、電源連接器、I/O 口和網(wǎng)絡(luò)接口, 其中IO_0～I(xiàn)O_10 為神經(jīng)元芯片3150 的11 個(gè)I/O 管腳用于對(duì)控制設(shè)備的連接, DataA 和DataB 是FTT- 10收發(fā)器與網(wǎng)絡(luò)的連接口，它能夠?qū)⒅魈幚砥鹘?jīng)過(guò)處理輸出的數(shù)據(jù)發(fā)送到LON 總線，也可以將LON 總線上的消息傳送給主處理器。

　　主處理器與神經(jīng)元芯片之間的通信采用SCI模式。SCI接口是一個(gè)半雙工串行異步通信接口，通信的格式是：一個(gè)起始位，8個(gè)數(shù)據(jù)位和一個(gè)停止位（LSB在先）。通信模式的選擇由IO3確定，IO3接地選擇SCI通信模式。IO5、IO6則用來(lái)選擇通訊速率。

　　3 μcos_Ⅱ的移植

　　μcos_Ⅱ的全部源代碼，共16個(gè)文件。移植工作涉及的源文件分為三部分：與處理器無(wú)關(guān)的代碼部分，這部分代碼完成操作系統(tǒng)的基本功能，包括10個(gè)文件，即：OS_CORE.C，OS_MBOX.C，OS_MEM.C，OS_Q.C，OS_SEM .C，OS_TASK.C，OS_TIME.C．OS_FLAG.C，OS MUTEX.C，uCOS_II.H。設(shè)置代碼部分，包括OS—CFG.H 和INCLUDES.H 兩個(gè)頭文件，用來(lái)進(jìn)行操作系統(tǒng)配置。

圖2  主從處理器連接圖

　　最主要的部分是與處理器有關(guān)部分的代碼，包括一個(gè)頭文件OS_CPU.H、一個(gè)C代碼文件OS_CPU_C.C 及一個(gè)匯編文件OS_CPU_A.ASM，將其移植到MSP430F149處理器上，需要修改這3個(gè)與體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的文件，代碼量大約是500行。下面分別介紹這3個(gè)文件的移植。

　　OS_CPU.H這部分代碼包括數(shù)據(jù)類(lèi)型定義、堆棧單位定義、堆棧增長(zhǎng)方向定義、關(guān)中斷和開(kāi)中斷的宏定義以及進(jìn)行任務(wù)切換的宏定義等。其中，為了在不同的工作模式下調(diào)用系統(tǒng)的底層接口函數(shù)不受訪問(wèn)權(quán)限的限制，使用軟中斷SWI。堆棧的單位與CPU的寄存器長(zhǎng)度一致，結(jié)構(gòu)常量OS_STK_GROWTH置1，表示堆棧從由高地址向低地址增長(zhǎng)。