摘要：為了解決LonWorks設備現場智能控制及遠程監控的需要，提出了通過嵌入式網關實現LON網和以太網協議的轉換方案。本網關采用電力線收發器PL3150和帶有以太網控制器的微處理器LPC1778分別實現LonWorks網絡和以太網的接口功能。同時還利用LPC1778內置以太網控制器搭建Web服務器，實現了一個遠程監控平臺，達到了遠程智能交互與監控的目的。本文給出了該智能網關硬件平臺和軟件平臺的方案和實現方法。

　　LonWorks技術是美國Echelon公司于90年代初推出的一種現代總線技術，它具有開放性、高速性和互操作性而已被各行業廣泛使用。而LonWorks設備往往工作環境惡劣，其自身各部分與周圍其他電子設備之間不可避免存在各種形式的電磁干擾和靜電放電，保證LonWorks設備的安全穩定運行有著重大的意義。

　　LonWorks設備運行過程中涉及的參數眾多，控制策略復雜，為了解決其現場遠程監控的需要，有必要開發出一款自動化程度高的智能網關，實現LonWorks協議和TC/IP協議的轉換，將Lon網和以太網互連，從而達到對遠方的LonWorks設備運行集中的、遠程的監控的目的。

　　而傳統的網關基本采用16位單片機來實現，受限于其運算能力低、存儲空間小的特點，而不能夠適用于多任務、實時性高的應用環境。本文設計的設計的一款嵌入式LonWorks網絡智能網關，采用32位的ARM為主控芯片并嵌入μC/OS—II操作系統，具有能夠滿足多任務、實時性、快速性高等復雜監控環境的功能。

　　1 系統總體結構

　　圖1給出了系統結構示意圖，下位機設備將收集到的監控參數通過電力線上傳至智能網關，LonWorks網關根據電力通訊協議將已將收集到的數據通過協議轉換將Lon網協議的數據包轉換成TCP協議數據包上傳到ARM內置服務器;遠端的監視器作為嵌入式智能網關的人機界面互動平臺將遠程指令發送到智能網關，智能網關通過電力線下傳至下位機設備，下位機設備根據電力線通訊協議接收相應的遠程指令，并完成相應的遠程控制。

　　2 硬件設計

　　硬件平臺由3個部分組成，包括由Lon網數據采集收發模塊、Lon網協議和LwIP協議轉換模塊和以太網通訊模塊結構框圖如圖2所示。

　　2.1 Lon網協議和LwIP協議轉換模塊

　　該模塊是整個系統的核心，其不僅包括網絡協議轉換功能，而且完成系統其它顯示傳輸功能。該模塊的主控芯片為NXP公司生產的LPC17 78，其片上資源包括512 Kb的FLASH存儲器、高達64 Kb的SRAM，系統時鐘頻率可高達120 MHz，同時可內嵌操作系統。LPC1778內置外部總線控制器，通過總線方式讀寫雙口RAM，從而完成與數據采集收發模塊的高速數據交換。另外，嵌入式WEB服務器的架構需要大容量的存儲器，片上資源已不能夠滿足現有的需要，因此外部擴展一片16 Mb的FLASH SST25VF016B。

　　2.2 以太網接口模塊

　　以太網接口是網關與以太網通信的關鍵部分，本設計中選用的主控芯片LPC1778內嵌一個以太網控制器，通過擴展網卡芯片DP83848C和一個RJ45接口來實現以太網通訊接口。以太網控制器支持精簡的媒體獨立接口RMII，可在半雙工、全雙工模式下提供10M/100Mbps的以太網接入。我們采用RMII協議方式和MIIM(媒體獨立接口管理)串行總線、以及MDIO(管理數據輸入/輸出)相結合的方式來實現與網絡芯片的連接。使用RMII接口方式時需要接入一個50 MHz的外部有源晶振。

　　2.3 數據采集收發模塊

　　該模塊核心器件為電力線收發器PL3150。PL3150是Echelon公司生產的基于開放性ANSI標準的電力智能收發器，其可按LonTalk協議與LonWorks網絡上的所有節點進行通信。PL3150通過地址線、數據線以及控制信號線與雙口RAM連接。雙口RAM我們選用IDT71321，其支持總線讀寫方式，有2 KB的存儲容量。雙口RAM作為PL3150和ARM之間數據接收和發送的緩存區。該設計方案可實現兩模塊之間數據的高速、穩定、低誤碼率的傳輸。

　　3 網關軟件設計

　　3.1 網關軟件結構設計

　　軟件結構如圖3所示，包括2個主要部分：

　　1)ARM端軟件設計。軟件平臺由嵌入式μC/OS—II操作系統為基礎構建，并利用LwIP協議實現TCP/IP協議，上層的應用程序為WEB服務程序以及網關協議轉換程序。

　　2)PL3150端設備接口數據通信程序。

　　3.2 網絡協議轉換程序

　　在網關中最重要的是實現兩個不同網絡的協議轉換。在LonWorks網絡中，節點與節點進行通信時，常采用特定的網絡變量的形式進行。網絡變量只有數據類型相同的輸入網絡變量和輸出網絡變量才能建立連接。在本網關工作過程中，根據圖2所示的結構原理，當下位機設備需要向上位機發送數據信息時，將會對自己的輸出網絡變量進行更新，發送到LonWorks網絡上;當PL3150監測到這些網絡變量時，將對與之捆綁的輸入網絡變量進行更新并發送到雙口RAM的數據緩沖區;ARM芯片通過外部總線讀取雙口RAM，其內部以太網控制器依據所使用協議將數據包進行封裝，發送到以太網協議的應用層。相反，當上位機想要對遠端現場設備進行控制時，也要對相應的網絡變量進行更改。

　　在協議轉換過程中，雙口RAM作為一個共享存儲器能夠進行雙邊讀寫操作。為了避免數據信息交換時的讀寫沖突、產生競爭，在讀寫操作時要進行控制以進行同步訪問。本文采用通過定時查詢控制地址的值來進行同步訪問操作。將2 KB的雙口RAM劃分為3個主要部分宋存放不同內容：存放ARM對PL3150的控制信息;存放PL3150向ARM發送的數據信息;控制同步訪問信息。

　　3.3 μC/OS—II操作系統移植