专利名称：一种兼容Zigbee协议的嵌入式工控机主板的制作方法
技术领域：
本发明涉及嵌入式工业控制计算机主板，尤其是兼容Zigbee无 线协议标准下的嵌入式工业控制单板计算机主板的设计和开发。
背景技术：
Zigbee无线协议是一种基于IEEE 802. 15. 4的通信协议标准，包 括用于低速无线个人局域网的物理层和媒体接入控制层两个规范，丄 作频段包括2. 4G， 868M/915M和433M Hz等多种。目前多使用2. 4G 频段，其信道数据传输率可达250Kbits/s，支持单跳星状和多跳对 等拓扑组网方式，在目前各种通信协议中消耗功率最少，主要用于低 速短程无线个人局域网、无线传感网络、无线工业监控等领域，特别 是在无线传感网络中具有广阔的应用前景。与其它无线通信协议相 比，该协议具有支持简单器件，超低功耗，数据传输稳定，网络安全 性高，自配置组网，可随意增减网络节点等突出优点。现代工业中，许多工业控制现场需大量使用不同种类的分布式 传感系统，进行现场信息采集和控制，这些系统若采用接线方式控制 的话，存在布线困难、系统成本高、功耗大、维护困难且繁琐等问题， 因此大多情况下只能通过无线传感网络的形式进行现场监控。稳定性 和可靠性对于工业控制计算机和无线传感网络系统而言至关重要。普通的无线传感网络系统包括网络传感节点、基站、网关和控制设备等几个部分。基于Zigbee协议的无线网关独立于控制计算机， 与控制计算机多采用网口或USB接口等方式进行数据通信连接，无线 网关使用时需要反复插拔，并需随控制计算机携带。对于野外、强振 动、强酸碱等恶劣环境下的现场监控，这一方式很容易出现数据接口 接触不良，稳定性差，系统可靠性低，而且携带不便，操作繁琐等。 对于需要在恶劣环境下的工业控制计算机而言，这一工作方式显然难 以满足实际要求。发明内容本发明所要解决的技术问题就在于，针对无线传感网络系统在 工业控制中的日益广泛使用，提供一种将可兼容Zigbee协议的无线 接入网关嵌入于工业控制计算机主板的方法，并解决因高频无线网关 接入而带来的主板电磁干扰等问题，提高计算机系统的稳定性和可靠 性，使得该无线工控单板计算机性能可完全满足应用于恶劣工业环境 下，对无线传感网络等基于Zigbee协议的无线工业控制系统的实时 监控和数据处理的实际要求。本技术发明解决其技术问题所采用的技术方案是 一种兼容Zigbee协议的嵌入式工控机主板，包括CPU模块、北 桥模块、南桥模块、视频输出模块、USB 口、有线LAN、音频输出模 块、内存模块、硬盘模块、I/O P0RT，其特征在于，设置一个兼容 Zigbee协议的无线接入模块与所述南桥模块相连。更具体的，所述无线接入模块设置于主板的右下角，尽可能地远 离主板上的其他接口和模块，并对该模块进行电磁隔离处理。更具体的，在主板的右下角增添一个天线接口，该接口尽量远离 其他外设接口，以避免高频信号对其他接口的电磁干扰。更具体的，所述无线接入模块包括数据处理、射频无线收发、电 源管理模块和通信串口四大模块。更具体的，数据处理模块包括微处理器，数据和程序Flash存储 器，通信串口和I/O 口四个子模块；射频无线收发模块包括射频收发 器和天线两个子模块，射频收发采用CC2420芯片；电源管理模块协 调保证稳定的供电；通信串口模块设置成PCI总线通讯方式。更具体的，所述工控机主板的无线接入模块工作方式包括-a. 在接收过程中，通过无线射频接收芯片CC2420，将基于Zigbee 协议标准的无线工控网络的现场监控信息，接收到无线网关的 数据存储器中；b. 将接收到的监控数据输入到数据处理器中，进行相关数据处理；c. 将处理好的数据通过通信串口与PCI总线相连；d. 通过主板南桥，将数据输入到cra中；e. 发送过程与接收过程相反，CPU将处理好的数据、控制命令或 编写的程序，通过无线射频网关发送给无线传感网络等现场无 线监控系统。更具体的，控制无线接入模块工作方式的系统软件采用专门基于 IEEE 802. 15. 4通信标准的开放式操作系统Tiny OS和〔/^++语言作为幵发工具，对无线模块的处理功能、自组网方式及通信协议栈进行 程序设计，并开发了相配套的组态控制软件。更具体的，无线射频接入模块通信协议栈包括兼容Zigbee协议 的物理层协议、数据链路层媒体接入控制(MAC)层协议、路由协议、 网络拓扑协议、传输层协议和应用层协议，对应0SI网络模型的物理 层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。更具体的，所述工控机无线接入模块数据接收模式工作步骤如下a、 系统程序和寄存器初始化，使得所有程序和寄存器处于初 始状态；b、 系统进入待机状态，等待下一步的命令，并不断检测中断 请求信号；c、 如果系统接收到无线接收中断请求信号，则系统进入网络 系统工作频段判定，否则返回等待状态继续等待；d、 根据所接收到的无线中断请求信号，对系统的工作频段进 行判定，确定好网络的工作频段后进行频段锁定，并将接收频段调整 至相对应的工作频段，系统进入下一步操作；e、 如果接收到的中断请求为网络路由故障探测中断，进行网 络路由系统是否工作正常检测，则系统将交由网络路由转发应答处理 后，退出中断返回，重新等待中断；如果不是，则进入F—步操作；f、 如果检测为数据测试和接收请求中断，则更新网络路由信 息，并进行网络路径诊断，如果不是数据测试和接收请求中断，则退g、 判断是否本地网络节点，当检测所发送中断请求的路径为 本地网络节点路径时，则检测网关系统是否已经处于接收准备就绪状 态，如果系统检测到所发送请求的节点不是本地网络节点，则退出中 断返回；h、 如果网关接收准备就绪，则无线网关即与发送请求的节点 或网关进行通信握手，开始接收无线数据包，并将数据存储处理，如 果系统未能接收准备就绪，则返回等待，直到接收就绪为止；i、 当所有数据接收发送成功后，系统退出中断返回，并重新 返回等待状态，进入下一个数据接收循环；如果接收未能成功，则返 回更新路由，重新开始査询接收。更具体的，所述工控机无线接入模块数据发送模式工作步骤如下a、 网络节点进行系统初始化，使得所有寄存器和程序归位于 初始状态；b、 系统进入等待状态，等待下一步的命令，并不断检测中断 请求信号；c、 如果系统检测到计算机发出的发送控制或编程信息数据的 中断请求时，系统进入路由检测操作，否则返回等待状态，继续等待；d、 通过路由检测，判定网络工作频段，并对工作频段进行确 定后锁定，并将接收频段调整至相对应的工作频段，系统进入下 -步 操作；e、 通过网络路由诊断，如果是本地网络系统，则进入路径诊断操作，如果检测所发送的中断请求信号不是本地网络信息，则退出中断，返回等待状态；f、 路径诊断出附近的本地网络相关节点，确定数据发送节点 对象，并进行对象锁定，如果未能锁定成功，则返回路径诊断，继续 确定发送节点对象；g、 向所确定的节点对象发送接收中断请求，并判断对象是否 有中断响应并已经接收准备就绪，如果一切准备就绪，则进入下 -步 操作，如果没有响应或未能准备就绪，则返回路径诊断，选择另一个 发送对象，直至找到准备就绪的节点对象为止；h、 与准备就绪的节点对象进行通信握手，将数据包调制成相 应工作频段的射频信号，通过无线射频芯片将数据包发送出去；i、 如果发送成功，则退出中断，并返回等待状态，等待下一 次数据发送循环，如果未能发送成功，则返回路径诊断，寻找下一个 发送对象重新发送，直到发送成功为止。本发明彻底解决了常用的工控计算机无法与Zigbee协议标准兼 容的无线收发功能问题，将基于该协议的无线网关模块集成于工业控 制计算机中，避免了因无线网关的反复插拔和随计算机携带所带来的 不便及易损坏，极大提高了计算机系统控制的可靠性和稳定性，可满 足对于野外、强振动、强酸碱等恶劣环境下的现场监控的实际工业需 求。
图1为本发明兼容Zigbee协议标准的嵌入式工控机主板模块框图； 图2为本发明中基于Zigbee协议标准的无线接入模块硬件示意图； 屈3为本发明中无线接入模块数据接收模式工作流程图； 图4为本发明中无线接入模块数据发送模式工作流程图； 图5为本发明中无线接入模块的工作流程原理图；具体实施方式
现依据附图，对本发明做进一步的描述 一种兼容Zigbee协议的嵌入式工控计算机主板参照图1设计的具体酉己:着::总线类型5.25"单板结构处理器Intel Pentium 4 Processor超低功耗CPU 北桥VIA P4M890/P4M900 南桥VIA VT8237A/VT8237S系统内存 一条200-pin DDR266内存，最大支持1GB RAM BIOS: AMI新内核的PNP BIOS 。芯片组集成显示卡支持CRT+LVDS双显示、最大共享64MB的动 态显示内存板载L颜10M/100M以太网控制器板载声卡AC， 97音频，Audio-0ut、 Mici Line-IN。IDE控制器 一个40Pin ATA-100通道，支持2个EIDE设备1/0接口八个USB2. 0接口、 一个并口、六个串口 (其中 一个支持422/485)、 一个PS/2键盘/鼠标二合- -接口 、 一个115Kbps IRDA 接口固态盘接口支持Co卿act flash接口的电子盘 数字I/0: 4路数字输入，4路数字输出 看门狗定时器1-255级(分/秒可编程)看门狗时钟 扩展总线 一个124- Pin Mini-PCI扩展总线，三个标准PCI插 槽扩展电源标准20Pin ATX电源插座和4Pin AT电源接头，BIOS自 动识别电源无线接入模块基于CC2420芯片的嵌入式兼容Zigbee协议的无 线射频模块图2是无线接入模块硬件原理示意图，包括数据处理、射频无线 收发、通信串口、电源管理四大模块，数据处理模块包括微处理器， 数据和程序Flash存储器，通信串口和I/0口四个子模块；射频无线 收发模块包括射频收发器和天线两个子模块，射频收发采用CC2420 芯片；电源管理模块协调保证稳定的供电；通信串口模块设置成PCI 总线通讯方式。图3为无线接入模块数据接收模式工作流程图，其工作步骤如>、a、系统程序和寄存器初始化，使得所有程序和寄存器处于初始状 态；b、 系统进入待机状态，等待下一步的命令，并不断检测中断请求信号；c、 如果系统接收到无线接收中断请求信号，则系统进入网络系统 工作频段判定，否则返回等待状态继续等待；d、 根据所接收到的无线中断请求信号，对系统的工作频段进行判 定，确定好网络的工作频段后进行频段锁定，并将接收频段调 整至相对应的工作频段，系统进入下一步操作；e、 如果接收到的中断请求为网络路由故障探测中断，进行网络路 '由系统是否工作正常检测，则系统将交由网络路由转发应答处 理后，退出中断返回，重新等待中断；如果不是，则进入下一 步操作；f、 如果检测为数据测试和接收请求中断，则更新网络路由信息， 并进行网络路径诊断，如果不是数据测试和接收请求中断，则 退出中断返回等待；g、 判断是否本地网络节点，当检测所发送中断请求的路径为本地 网络节点路径时，则检测网关系统是否己经处于接收准备就绪 状态，如果系统检测到所发送请求的节点不是本地网络节点， 则退出中断返回；h、 如果网关接收准备就绪，则无线网关即与发送请求的节点或网 关进行通信握手，开始接收无线数据包，并将数据存储处理， 如果系统未能接收准备就绪，则返回等待，直到接收就绪为止;i、 当所有数据接收发送成功后，系统退出中断返回，并重新返回等待状态，进入下-个数据接收循环；如果接收未能成功，则返回更新路由，重新开始査询接收。图4为无线接入模块数据发送模式工作流程图，其工作步骤如a、 网络节点进行系统初始化，使得所有寄存器和程序归位于初始 状态；b、 系统进入等待状态，等待下一步的命令，并不断检测中断请求 信号；c、 如果系统检测到计算机发出的发送控制或编程信息数据的中 断请求时，系统进入路由检测操作，否则返回等待状态，继续 等待；d、 通过路由检测，判定网络工作频段，并对工作频段进行确定后 锁定，并将接收频段调整至相对应的工作频段，系统进入下一 步操作；e、 通过网络路由诊断，如果是本地网络系统，则进入路径诊断操 作，如果检测所发送的中断请求信号不是本地网络信息，则退 出中断，返回等待状态；f、 路径诊断出附近的本地网络相关节点，确定数据发送节点对 象，并进行对象锁定，如果未能锁定成功，则返回路径诊断， 继续确定发送节点对象；g、 向所确定的节点对象发送接收中断请求，并判断对象是否有中 断响应并已经接收准备就绪，如果一切准备就绪，则进入下--步操作，如果没有响应或未能准备就绪，则返回路径诊断，选择另一个发送对象，直至找到准备就绪的节点对象为止；h、 与准备就绪的节点对象进行通信握手，将数据包调制成相应工 作频段的射频信号，通过无线射频芯片将数据包发送出去；i、 如果发送成功，则退出中断，并返回等待状态，等待下一次数 据发送循环，如果未能发送成功，则返回路径诊断，寻找下一 个发送对象重新发送，直到发送成功为止。图5是工控机主板接收数据并处理的流程天线捕捉到无线网络 传送过来的数据，转由无线接入模块中的射频收发子模块接收处理， 经由数据处理模块处理，通过PCI总线传入南桥，然后经由V-link 总线传入北桥，交给CPU处理。
权利要求
1. 一种兼容Zigbee协议的嵌入式工控机主板，包括CPU模块、北桥模块、南桥模块、视频输出模块、USB口、有线LAN、音频输出模块、内存模块、硬盘模块、I/O PORT，其特征在于，设置一个兼容Zigbee协议的无线接入模块与所述南桥模块相连。
2、 如权利要求1所述的工控机主板，其特征在于，所述无线接 入模块设置于主板的右下角，尽可能地远离主板上的其他接口和模 块，并对该模块进行电磁隔离处理。
3、 如权利要求2所述的工控机主板，其特征在于，在主板的右 下角增添一个天线接口，该接口尽量远离其他外设接口，以避免高频 信号对其他接口的电磁干扰。
4、 如权利要求1所述的工控机主板，其特征在于，所述无线接 入模块包括数据处理、射频无线收发、电源管理模块和通信串口四大 模块。
5、 如权利要求4所述的工控机主板，其特征在于，数据处理模 块包括微处理器，数据和程序Flash存储器，通信串口和I/O 口四个 子模块；射频无线收发模块包括射频收发器和天线两个子模块，射频 收发采用CC2420芯片；电源管理模块协调保证稳定的供电；通信串 口模块设置成PCI总线通讯方式。
6、 如权利要求1所述的工控机主板，其特征在于，所述工控机 主板的无线接入模块工作方式包括a. 在接收过程中，通过无线射频接收芯片CC2420，将基于Zigbee协议标准的无线工控网络的现场监控信息，接收到无线网关的数据存储器中；b. 将接收到的监控数据输入到数据处理器中，进行相关数据 处理；C. 将处理好的数据通过通信串口与PCI总线相连；d. 通过主板南桥，将数据输入到CPU中；e. 发送过程与接收过程相反，CPU将处理好的数据、控制命 令或编写的程序，通过无线射频网关发送给无线传感网络等现场无线 监控系统。
7、 如权利要求6所述的工控机主板，其特征在于，控制无线接 入模块工作方式的系统采用专门基于IEEE 802. 15. 4通信标准的开放 式操作系统Tiny OS和0/0++语言作为开发工具，对无线模块的处理 功能、自组网方式及通信协议栈进行程序设计，而开发的组态控制软 件。
8、 如权利要求7所述的工控机主板，其特征在于，无线射频接 入模块通信协议栈包括兼容Zigbee协议的物理层协议、数据链路层 媒体接入控制(MAC)层协议、路由协议、网络拓扑协议、传输层协 议和应用层协议，对应OSI网络模型的物理层、数据链路层、网络层、 传输层、会话层、表示层和应用层。
9、 如权利要求7所述的工控机主板，其特征在于，所述工控机 无线接入模块数据接收模式工作步骤如下a、系统程序和寄存器初始化，使得所有程序和寄存器处于初始状态；b、 系统进入待机状态，等待下一步的命令，并不断检测中断请求 信号；c、 如果系统接收到无线接收中断请求信号，则系统进入网络系统 工作频段判定，否则返回等待状态继续等待；d、 根据所接收到的无线中断请求信号，对系统的工作频段进行判 定，确定好网络的工作频段后进行频段锁定，并将接收频段调 整至相对应的工作频段，系统进入下一步操作；e、 如果接收到的中断请求为网络路由故障探测中断，进行网络路 由系统是否工作正常检测，则系统将交由网络路由转发应答处 理后，退出中断返回，重新等待中断；如果不是，则进入下-一 步操作；f、 如果检测为数据测试和接收请求中断，则更新网络路由信息， 并进行网络路径诊断，如果不是数据测试和接收请求中断，则 退出中断返回等待；g、 判断是否本地网络节点，当检测所发送中断请求的路径为本地 网络节点路径时，则检测网关系统是否己经处于接收准备就绪 状态，如果系统检测到所发送请求的节点不是本地网络节点， 则退出中断返回-，h、 如果网关接收准备就绪，则无线网关即与发送请求的节点或网 关进行通信握手，开始接收无线数据包，并将数据存储处理， 如果系统未能接收准备就绪，则返回等待，直到接收就绪为止;i、当所有数据接收发送成功后，系统退出中断返回，并重新返回 等待状态，进入下一个数据接收循环；如果接收未能成功，则 返回更新路由，重新开始査询接收。
10、如权利要求7所述的工控机主板，其特征在于，所述工控机无线接入模块数据发送模式工作步骤如下a、 网络节点进行系统初始化，使得所有寄存器和程序归位于初始 状态；b、 系统进入等待状态，等待下一步的命令，并不断检测中断请求 信号；c、 如果系统检测到计算机发出的发送控制或编程信息数据的中 断请求时，系统进入路由检测操作，否则返回等待状态，继续 等待；d、 通过路由检测，判定网络工作频段，并对工作频段进行确定后 锁定，并将接收频段调整至相对应的工作频段，系统进入下一 步操作；e、 通过网络路由诊断，如果是本地网络系统，则进入路径诊断操 作，如果检测所发送的中断请求信号不是本地网络信息，则退 出中断，返回等待状态；f、 路径诊断出附近的本地网络相关节点，确定数据发送节点对 象，并进行对象锁定，如果未能锁定成功，则返回路径诊断， 继续确定发送节点对象；g、 向所确定的节点对象发送接收中断请求，并判断对象是否有中断响应并已经接收准备就绪，如果一切准备就绪，则进入下一 步操作，如果没有响应或未能准备就绪，则返回路径诊断，选择另一个发送对象，直至找到准备就绪的节点对象为止；h、 与准备就绪的节点对象进行通信握手，将数据包调制成相应工 作频段的射频信号，通过无线射频芯片将数据包发送出去；i、 如果发送成功，则退出中断，并返回等待状态，等待下一次数 据发送循环，如果未能发送成功，则返回路径诊断，寻找下- 个发送对象重新发送，直到发送成功为止。
全文摘要
一种兼容Zigbee协议的嵌入式工控机主板，包括CPU模块、北桥模块、南桥模块等，其特征在于在主板上设置一个兼容Zigbee协议的无线接入模块与南桥模块相连。将基于Zigbee协议的无线网关模块集成于工业控制计算机主板中，避免了因外置无线网关的反复插拔和随计算机携带所带来的不便及易损坏，极大提高了计算机系统控制的可靠性和稳定性，可满足对于野外、强振动、强酸碱等恶劣环境下的现场监控的实际工业需求。
文档编号G05B15/02GK101231509SQ200710036839
公开日2008年7月30日 申请日期2007年1月25日 优先权日2007年1月25日
发明者王小军, 琰 郑, 马晓武 申请人:上海研祥智能科技有限公司