多接口自适应的无线异构网络协议转换方法和通信装置的制造方法
多接口自适应的无线异构网络协议转换方法和通信装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及嵌入式异构网络通信领域，尤其涉及一种具有多接口的自适应转换无线异构网络通信方法和装置。
【背景技术】
[0002]在工业现场中，采用有线通信的方式需要预设工程布线管道，施工成本高，受地理环境影响较大，不利于维修以及二次升级改造，而采用无线通信的方式则具有成本较低、施工简便、维修方便、适应性好等优势。此外，在工业现场总线中使用的总线接口各有不同，因此需要一种集成多种协议接口的异构网络通信装置。
[0003]现有通信技术中，有线无线网络互通技术已非常普遍。例如:中国专利申请号为:201120572125.3，名称为“串口无线通信装置”的专利，该装置实现了串口数据与基于IEEE802.11标准的无线网络数据相互转换，并通过无线通信模块与基于IEEE802.11标准的无线网络进行数据通信通过串口与用户串口设备进行数据通信，从而实现用户串口设备通过串口与基于IEEE802.11标准的无线网络设备进行无线通信。但该装置使用条件单一，没有考虑到不同总线接口之间的通信问题。另如，中国专利申请号为:201110423393.3，名称为“一种多协议多接口无线传感网网关”的专利，该装置通过设计协议转换程序解决现有无线传感器网络中无线/有线数据融合的问题，但该装置不能满足工业现场中采用RS485/RS232总线、CAN总线、SPI总线设备与无线网关之间的智能有线/无线数据通信。
[0004]上述可知，现有的电子通信装置由于设备和原理过于简单，而且不能智能选择接口方式与其他不同接口设备进行通信，很难适应目前电子通信行业或工业现场的要求，所以亟需一种新的电子通信装置以解决上述问题。
【发明内容】
[0005]本发明目的在于提供一种可智能选择接口方式、自主完成不同协议转换的多接口自适应的无线异构网络协议转换方法和通信装置。
[0006]为实现上述目的，采用如下技术方案:
[0007]本发明所述多接口自适应的无线异构网络包括有线网络和无线网络，有线网络由SPI通信模块、RS485/RS232串口通信模块、CAN通信模块、以太网接口通信模块与嵌入式处理器通过总线连接组成，无线网络由WIFI无线射频收发模块和ZigBee无线射频收发模块与嵌入式处理器通过总线连接组成，嵌入式处理器另与SDRAM内存单元、Nand Flash存储器连接；
[0008]本发明所述网络协议转换方法如下:
[0009]在各个接口的每帧数据中必须包含状态控制字，其中有效数据帧的第一个数据字节为状态控制字，嵌入式处理器通过状态控制字来存放表示各接口间的转换映射关系，自主完成对相应资源的分析与调度，利用对应协议转换程序实现多种协议与基于IEEE802.11以及802.15.4标准协议之间的协议转换和有线/无线数据解析与转发；协议转换程序采用多路复用方式，作为嵌入式处理器的上层应用程序而存在，系统启动后，对网络中所有接口进行监听，通过监听状态控制字，读取并识别用户需求指令，接收到的数据包首先检测状态控制字的值并选择与之匹配的通信方式，实现虚拟的通信逻辑管道，自动处理完成有线接口之间的协议数据重构解析，以及SPI协议与标准无线网络协议、以太网协议与标准无线网络协议、CAN协议与标准无线通信协议、RS485/RS232协议与标准无线通信协议之间的转换，从而实现带有SPI总线接口、以太网口接口、CAN接口或RS485/RS232总线接口的设备与远程终端之间的无缝数据通信。
[0010]其中，所述状态控制字占用一个字节的内存空间，其中低5位为有效域，由低到高分别代表RS485/RS232接口使能、CAN接口使能、SPI接口使能、以太网接口使能、无线使能，对应二进制表示为00011111，其中I代表有效位，O代表无效位，其中I代表使能相应接口，O代表失能相应接口 ；通过状态控制字来存放表示各接口间的转换映射关系。
[0011]在不同协议数据进行交互的过程中，采用内存映射方式，相互通信的接口之间共享同一段预先分配的线性地址区间，从而达到针对不同的用户需求，实现不同协议之间的有线/无线数据通信。
[0012]所述的逻辑管道是指不同接口之间的数据通过处理器进行实时动态解析重构，从而实现不依赖于具体物理接口的无缝通信方式。
[0013]本发明所述通信装置由嵌入式处理器外接模块组成；所述外接模块包括SPI通信模块、RS485/RS232串口通信模块、CAN通信模块、以太网接口通信模块、SDRAM内存单元、Nand Flash存储器、WIFI无线射频收发模块以及ZigBee无线射频收发模块；外接模块与嵌入式处理器采用总线连接方式相连，内置协议转换程序，SPI通信模块、RS485/RS232串口通信模块、CAN通信模块、以太网接口通信模块分别与各自接口设备相连，通过WIFI无线射频收发模块和ZigBee无线射频收发模块完成不同接口设备与远程上位机的无线通信功能以及不同接口之间的数据格式转换。
[0014]与现有技术相比，本发明具有如下优点:
[0015]1、网络协议转换方法可利用协议转换程序实现RS485/RS232、CAN、SPI, TCP/IP等多种接口数据与基于IEEE802.11以及802.15.4标准的无线网络数据之间交换，同时还可以实现多总线接口之间的数据格式转换，从而达到带有RS485/RS232接口、CAN接口、以太网接口或者SPI接口的用户设备与远程终端无线通信以及带有不同接口之间的互相通信的目的降低成本。
[0016]2、通信装置具有体积小、使用简便、拓展能力强等优点，对不同的有线设备与远程终端提供了便捷、快速的通信方式。
【附图说明】
[0017]图1为本发明装置的网络示意简图。
[0018]图2为本发明装置的硬件连接框图。
[0019]图3为本发明方法的控制状态字地址映射图表。
[0020]图4为本发明方法的程序流程图。
【具体实施方式】
[0021]下面结合附图对本发明做进一步说明:
[0022]本发明所述通信装置由嵌入式处理器外接模块组成；所述外接模块包括SPI通信模块、RS485/RS232串口通信模块、CAN通信模块、以太网接口通信模块、SDRAM内存单元、Nand Flash存储器、WIFI无线射频收发模块以及ZigBee无线射频收发模块；外接模块与嵌入式处理器采用总线连接方式相连，内置协议转换程序，SPI通信模块、RS485/RS232串口通信模块、CAN通信模块、以太网接口通信模块分别与各自接口设备相连，通过WIFI无线射频收发模块和ZigBee无线射频收发模块完成不同接口设备与远程上位机的无线通信功能以及不同接口之间的数据格式转换。
[0023]图1为本发明装置的所应用的网络示意简图。所应用的无线异构网络包括有线设备和无线设备两种。有线设备支持RS485/RS232、CAN、SP1、TCP/IP等多种接口的设备；无线设备支持基于IEEE802.11以及802.15.4标准的设备。上述有线和无线设备接入本发明所述的通信装置，实现有线设备和无线设备之间以及各接口之间的数据通信。
[0024]图2为本发明装置的硬件连接框图，所述通信装置由嵌入式处理器外接模块组成；外接模块 包括SPI通信模块、RS485/RS232串口通信模块、CAN通信模块、以太网接口通信模块、SDRAM内存单元、Nand Flash存储器、WIFI无线射频收发模块以及ZigBee无线射频收发模块；外接模块与嵌入式处理器采用总线连接方式相连，内置协议转换程序，SPI通信模块、RS485/RS232串口通信模块、CAN通信模块、以太网接口通信模块分别与各自接口设备相连，通过WIFI无线射频收发模块和ZigBee无线射频收发模块完成不同接口设备与远程上位机的无线通信功能以及不同接口之间的数据格式转换。嵌入式处理器运行嵌入式Linux操作系统，统一对各控制模块进行读写和片选控制，对接口数据进行解析与分发，利用协议转换程序实现多种协议与基于IEEE802.11以及802.15.4标准协议之间的协议转换和有线/无线数据解析与转发，完成数据在地址总线和数据总线上的有效传输。嵌入式处理器根据周围射频环境信息自动选择无线噪声较小的频段进行工作，同时WIFI网络与ZigBee网络在选取工作频段时尽量隔开，以保证不会造成设备之间的通信干扰。
[0025]嵌入式处理器是整个异构网络通信装置的核心部分，其主要功能是根据需要控制外接模块协同工作，实现对数据的采集与处理。本发明的嵌入式处理器采用ATMEL公司的基于ARM926EJ-S内核AT91SAM9G25芯片，集成的硬件功能外设包括:1个ITU_RBT、1个高速CAN主机和CAN主机全速专用片上收发器、I个10/100Mbps以太网MAC控制器、两个高速存储卡主机、两个主/从串行外设接口、两个三通道32位定时器/计数器、一个4通道16位PWM控制器、四个USART、2个UART、I个12通道的10位模数转换器、I个软调制解调器、I个三双线接口等等。综上，AT91SAM9G25嵌入式处理器的性能和丰富的外部接口能够满足异构网络通信装置的要求。
[0026]RS485/RS232串口通信模块分为串口 I和串口 2，其中串口 I通过MAX3232芯片与外围RS232设备相连，实现带有RS232接口的外围设备与异构网络通信装置的数据交换，同时本串口还可以实现通信接口选取配置的功能。本发明中串口 2通过隔离485芯片与外围设备相连，隔离485芯片选用ADM2483，此芯片是ADI推出的一款带隔离的增强型RS485收发器，适用于多点总线传输线路的双向数据通信，实现带有RS485接口的外围设备与异构网络通信装置的数据交换。
[0027]本设计通过配置串口来设定本装置的固定参数，例如本设备的以太网IP地址，WIFI入网操作，802.15.4组网操作，无线射频通信频段选择，总线的接口通信速率，主从模式等信息。
[0028]CAN通信模块实现带有CAN通信接口的外围设备与异构网络通信装置采用CAN进行数据交换，支持主从模式。
[0029]SPI通信模块实现带有SPI通信接口的外围设备与异构网络通信装置采用SPI进行数据交换，支持主从模式。本发明中的SPI通信模块输入信号线选用SP10_MIS0，输出信号线选用SP10_M0SI，时钟控制线选用SP10_SPCK，片选信号线选用SP10_NPCS0。利用协议转换程序可以接收用户终端的控制命令，将异构网络通信装置配置成SPI主模式或者SPI从模式。
[0030]以太网口通信模块中以太网接口芯片采用DM9161AEP，提供10/100Mb/s数据速率，实现带有以太网接口的设备与多协议多接口异构网络通信装置之间的数据交换。
[0031]WIFI无线射频收发模块采用MediaTek公司的rt3070芯片，支持IEEE802.llg/b/η标准通信协议，工作频率在2.4-2.4835GHz,传输速率最高可达150M。WIFI无线射频收发模块通过USB接口与ARM中心处理器相连，异构网络通信装置通过WIFI无线射频收发模块连接到WIFI网络，实现带有WIFI协议的设备与多协议多接口异构网络通信装置之间的数据交换。
[0032]ZigBee无线射频收发模块采用ATMEL公司的RF231芯片，支持标准802.15.4协议以及拓展的ZigBee协议，ZigBee无线射频收发模块通过SPI与ARM中心处理器相连，异构网络通信装置通过ZigBee无线射频收发模块连接到ZigBee网络，实现带有标准802.15.4协议以及ZigBee协议的设备与多协议多接口异构网络通信装置之间的数据交换，支持主站与从站设置。
[0033]本发明所述异构网络包括有线网络和无线网络，有线网络由SPI通信模块、RS485/RS232串口通信模块、CAN通信模块、以太网接口通信模块与嵌入式处理器通过总线连接组成，无线网络由WIFI无线射频收发模块和ZigBee无线射频收发模块与嵌入式处理器通过总线连接组成，嵌入式处理器另与SDRAM内存单元、Nand Flash存储器连接；所述网络协议转换方法如下:
[0034]在各个接口的每帧数据中必须包含状态控制字，其中有效数据帧的第一个数据字节为状态控制字，嵌入式处理器通过状态控制字来存放表示各接口间的转换映射关系，自主完成对相应资源的分析与调度，利用对应协议转换程序实现多种协议与基于IEEE802.11以及802.15.4标准协议之间的协议转换和有线/无线数据解析与转发；协议转换程序采用多路复用方式，作为嵌入式处理器的上层应用程序而存在，系统启动后，对网络中所有接口进行监听，通过监听状态控制字，读取并识别用户需求指令，接收到的数据包首先检测状态控制字的值并选择与之匹配的通信方式，实现虚拟的通信逻辑管道，自动处理完成有线接口之间的协议数据重构解析，以及SPI协议与标准无线网络协议、以太网协议与标准无线网络协议、CAN协议与标准无线通信协议、RS485/RS232协议与标准无线通信协议之间的转换，从而实现带有SPI总线接口、以太网口接口、CAN接口或RS485/RS232总线接口的设备与远程终端之间的无缝数据通信。
[0035]所述状态控制字占用一个字节的内存空间，其中低5位为有效域，由低到高分别代表RS485/RS232接口使能、CAN接口使能、SPI接口使能、以太网接口使能、无线使能，对应二进制表示为OOO11111，其中I代表有效位，O代表无效位，具体对应关系如图3所示，其中I代表使能相应接口，O代表失能相应接口 ；通过状态控制字来存放表示各接口间的转换映射关系。
[0036]在不同协议数据进行交互的过程中，采用内存映射方式，相互通信的接口之间共享同一段预先分配的线性地址区间，从而达到针对不同的用户需求，实现不同协议之间的有线/无线数据通信。
[0037]所述的逻辑管道是指不同接口之间的数据通过处理器进行实时动态解析重构，从而实现不依赖于具体物理接口的无缝通信方式。如:外部设备通过RS485接口连接本设备，经过解析该数据包状态控制字的二进制表示为00010001b，则表示本包数据需要无线接口进行转发，系统启动执行RS485转无线程序，其余情况依此类推。
[0038]具体实现方式如下，当某个有线接口需要将数据转发给多个终端设备时，本发明中的通信程序对不同的连接分配相应的线程，在不同的线程中实现各自的虚拟的通信逻辑管道。比如远程设备通过以太网接口连接本设备，其IP地址分别为IPl:192.168.1.2，IP2:192.168.1.3。其中IPl是以太网接口转RS485接口，IP2是以太网接口转CAN接口。 假如通信程序给IPl分配的线程为1，给IP2分配的线程为2，那么在线程I中通过判断帧的状态控制字是否为00010001b，在线程2中通过判断帧的状态控制字是否为00010010b从而判定IPl的以太网转RS485和IP2的以太网转CAN程序并分别执行。
[0039]图4为本发明方法的程序流程图。本发明所述装置采用嵌入式Linux操作系统，具有多种硬件平台支持，优异的性能和良好的网络支持等优点。通过Linux操作系统能很好的实现对硬件资源和软件资源的管理，以及对多个任务的调度。协议转换程序作为异构网络通信装置的上层应用程序而存在，采用多路复用方式，通过监听状态控制字，读取并识别用户需求指令，执行相应的串口转无线、SPI转无线、CAN转无线、以太网口转无线通信以及有线接口通信转换程序。在不同协议数据进行交互的过程中，采用内存映射方式，相互通信的接口之间共享同一段分配了的线性地址区间，从而达到针对不同的用户需求，实现不同协议之间的有线/无线数据通信。该程序流程如下:
[0040](I)系统初始化，配置网络、串口、SP1、CAN等通信接口参数；
[0041](2)建立服务端，监听接口连接请求，与相应远端设备建立虚拟连接；
[0042](3)为每个连接请求创建线程，分配内存映射区域；
[0043](4)监听接口数据帧状态控制字，读取客户端用户指令信息；
[0044](5)判断指令通信方式，执行相应的通信程序；
[0045](6)判断是否有终止通信程序程序指令，如没有，则返回步骤(4)，如有，则释放所占用内存，关闭当前连接，结束当前线程；
[0046](7)判断是否有程序结束指令，如没有，则返回步骤(3)，如有，则关闭所有连接，程序结束。
[0047]本发明所述通信装置采用相应的接口与外接设备进行数据交互，并将数据通过相应的总线发送至嵌入式处理器，在嵌入式处理器上通过Linux操作系统，利用协议转换程序将处理后的数据通过应用场景解析为相应接口的数据格式:
[0048](I)如果是有线接口之间的转换，程序将获得的数据解析重构后转发至相应有线接口。
[0049](2)如果是有线转无线应用，则无线射频收发模块根据状态控制字使能位将数据封装成遵循相应标准协议格式发送到远程终端。
[0050](3)反之，远程终端也可以将控制或配置数据，通过相反方向发送给相应的设备。
[0051]协议转换程序作为操作系统的上层应用程序而存在，与异构网络通信装置的硬件相结合。协议转换程序获取远程终端的数据信息后，通过判断数据报文的目的地，进行正确的解析、处理和转发，实现远程终端与不同接口设备的通信。
[0052]以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
【主权项】
1.一种多接口自适应的无线异构网络通信装置，其特征在于:所述通信装置由嵌入式处理器外接模块组成；所述外接模块包括SPI通信模块、RS485/RS232串口通信模块、CAN通信模块、以太网接口通信模块、SDRAM内存单元、Nand Flash存储器、WIFI无线射频收发模块以及ZigBee无线射频收发模块；外接模块与嵌入式处理器采用总线连接方式相连，内置协议转换程序，SPI通信模块、RS485/RS232串口通信模块、CAN通信模块、以太网接口通信模块分别与各自接口设备相连，通过WIFI无线射频收发模块和ZigBee无线射频收发模块完成不同接口设备与远程上位机的无线通信功能以及不同接口之间的数据格式转换。2.根据权利要求1所述的多接口自适应的无线异构网络通信装置，其特征在于:所述嵌入式处理器运行嵌入式Linux操作系统。3.一种多接口自适应的无线异构网络协议转换方法，其特征在于，所述网络包括有线网络和无线网络，有线网络由SPI通信模块、RS485/RS232串口通信模块、CAN通信模块、以太网接口通信模块与嵌入式处理器通过总线连接组成，无线网络由WIFI无线射频收发模块和ZigBee无线射频收发模块与嵌入式处理器通过总线连接组成，嵌入式处理器另与SDRAM内存单元、Nand Flash存储器连接；所述网络协议转换方法如下: 在各个接口的每帧数据中必须包含状态控制字，其中有效数据帧的第一个数据字节为状态控制字，嵌入式处理器通过状态控制字来存放表示各接口间的转换映射关系，自主完成对相应资源的分析与调度，利用对应协议转换程序实现多种协议与基于IEEE802.11以及802.15.4标准协议之间的协议转换和有线/无线数据解析与转发；协议转换程序采用多路复用方式，作为嵌入式处理器的上层应用程序而存在，系统启动后，对网络中所有接口进行监听，通过监听状态控制字，读取并识别用户需求指令，接收到的数据包首先检测状态控制字的值并选择与之匹配的通信方式，实现虚拟的通信逻辑管道，自动处理完成有线接口之间的协议数据重构解析，以及SPI协议与标准无线网络协议、以太网协议与标准无线网络协议、CAN协议与标准无线通信协议、RS485/RS232协议与标准无线通信协议之间的转换，从而实现带有SPI总线接口、以太网口接口、CAN接口或RS485/RS232总线接口的设备与远程终端之间的无缝数据通信。4.根据权利要求3所述的一种方法，其特征在于:所述状态控制字占用一个字节的内存空间，其中低5位为有效域，由低到高分别代表RS485/RS232接口使能、CAN接口使能、SPI接口使能、以太网接口使能、无线使能，对应二进制表示为00011111，其中I代表有效位，O代表无效位，其中I代表使能相应接口，O代表失能相应接口 ；通过状态控制字来存放表示各接口间的转换映射关系。5.根据权利要求3所述的一种方法，其特征在于:在不同协议数据进行交互的过程中，采用内存映射方式，相互通信的接口之间共享同一段预先分配的线性地址区间，从而达到针对不同的用户需求，实现不同协议之间的有线/无线数据通信。6.根据权利要求3所述的一种方法，其特征在于:所述的逻辑管道是指不同接口之间的数据通过处理器进行实时动态解析重构，从而实现不依赖于具体物理接口的无缝通信方式。
【专利摘要】一种多接口自适应的无线异构网络协议转换方法和通信装置，该装置由处理器和SPI通信模块、RS485/RS232串口通信模块、CAN通信模块、以太网接口通信模块、SDRAM内存单元、Nand Flash存储器、WIFI无线射频收发模块、ZigBee无线射频收发模块通过总线连接组成；处理器程序通过状态控制字用来存放表示各接口间的转换映射关系，自主完成对相应资源的分析与调度，利用对应协议转换程序实现多种协议与基于IEEE802.11以及802.15.4标准协议之间的协议转换和有线/无线数据解析与转发。本发明能实现不同有线接口、无线接口间的数据转发功能，从而实现多协议多接口通信互通的特性等优点。
【IPC分类】H04L12/66, H04L29/06
【公开号】CN104901877
【申请号】CN201510334754
【发明人】关新平, 袁亚洲, 张宇, 许齐敏, 孙彦龙
【申请人】燕山大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月17日
【技术领域】
[0001]本发明涉及嵌入式异构网络通信领域，尤其涉及一种具有多接口的自适应转换无线异构网络通信方法和装置。
【背景技术】
[0002]在工业现场中，采用有线通信的方式需要预设工程布线管道，施工成本高，受地理环境影响较大，不利于维修以及二次升级改造，而采用无线通信的方式则具有成本较低、施工简便、维修方便、适应性好等优势。此外，在工业现场总线中使用的总线接口各有不同，因此需要一种集成多种协议接口的异构网络通信装置。
[0003]现有通信技术中，有线无线网络互通技术已非常普遍。例如:中国专利申请号为:201120572125.3，名称为“串口无线通信装置”的专利，该装置实现了串口数据与基于IEEE802.11标准的无线网络数据相互转换，并通过无线通信模块与基于IEEE802.11标准的无线网络进行数据通信通过串口与用户串口设备进行数据通信，从而实现用户串口设备通过串口与基于IEEE802.11标准的无线网络设备进行无线通信。但该装置使用条件单一，没有考虑到不同总线接口之间的通信问题。另如，中国专利申请号为:201110423393.3，名称为“一种多协议多接口无线传感网网关”的专利，该装置通过设计协议转换程序解决现有无线传感器网络中无线/有线数据融合的问题，但该装置不能满足工业现场中采用RS485/RS232总线、CAN总线、SPI总线设备与无线网关之间的智能有线/无线数据通信。
[0004]上述可知，现有的电子通信装置由于设备和原理过于简单，而且不能智能选择接口方式与其他不同接口设备进行通信，很难适应目前电子通信行业或工业现场的要求，所以亟需一种新的电子通信装置以解决上述问题。
【发明内容】
[0005]本发明目的在于提供一种可智能选择接口方式、自主完成不同协议转换的多接口自适应的无线异构网络协议转换方法和通信装置。
[0006]为实现上述目的，采用如下技术方案:
[0007]本发明所述多接口自适应的无线异构网络包括有线网络和无线网络，有线网络由SPI通信模块、RS485/RS232串口通信模块、CAN通信模块、以太网接口通信模块与嵌入式处理器通过总线连接组成，无线网络由WIFI无线射频收发模块和ZigBee无线射频收发模块与嵌入式处理器通过总线连接组成，嵌入式处理器另与SDRAM内存单元、Nand Flash存储器连接；
[0008]本发明所述网络协议转换方法如下:
[0009]在各个接口的每帧数据中必须包含状态控制字，其中有效数据帧的第一个数据字节为状态控制字，嵌入式处理器通过状态控制字来存放表示各接口间的转换映射关系，自主完成对相应资源的分析与调度，利用对应协议转换程序实现多种协议与基于IEEE802.11以及802.15.4标准协议之间的协议转换和有线/无线数据解析与转发；协议转换程序采用多路复用方式，作为嵌入式处理器的上层应用程序而存在，系统启动后，对网络中所有接口进行监听，通过监听状态控制字，读取并识别用户需求指令，接收到的数据包首先检测状态控制字的值并选择与之匹配的通信方式，实现虚拟的通信逻辑管道，自动处理完成有线接口之间的协议数据重构解析，以及SPI协议与标准无线网络协议、以太网协议与标准无线网络协议、CAN协议与标准无线通信协议、RS485/RS232协议与标准无线通信协议之间的转换，从而实现带有SPI总线接口、以太网口接口、CAN接口或RS485/RS232总线接口的设备与远程终端之间的无缝数据通信。
[0010]其中，所述状态控制字占用一个字节的内存空间，其中低5位为有效域，由低到高分别代表RS485/RS232接口使能、CAN接口使能、SPI接口使能、以太网接口使能、无线使能，对应二进制表示为00011111，其中I代表有效位，O代表无效位，其中I代表使能相应接口，O代表失能相应接口 ；通过状态控制字来存放表示各接口间的转换映射关系。
[0011]在不同协议数据进行交互的过程中，采用内存映射方式，相互通信的接口之间共享同一段预先分配的线性地址区间，从而达到针对不同的用户需求，实现不同协议之间的有线/无线数据通信。
[0012]所述的逻辑管道是指不同接口之间的数据通过处理器进行实时动态解析重构，从而实现不依赖于具体物理接口的无缝通信方式。
[0013]本发明所述通信装置由嵌入式处理器外接模块组成；所述外接模块包括SPI通信模块、RS485/RS232串口通信模块、CAN通信模块、以太网接口通信模块、SDRAM内存单元、Nand Flash存储器、WIFI无线射频收发模块以及ZigBee无线射频收发模块；外接模块与嵌入式处理器采用总线连接方式相连，内置协议转换程序，SPI通信模块、RS485/RS232串口通信模块、CAN通信模块、以太网接口通信模块分别与各自接口设备相连，通过WIFI无线射频收发模块和ZigBee无线射频收发模块完成不同接口设备与远程上位机的无线通信功能以及不同接口之间的数据格式转换。
[0014]与现有技术相比，本发明具有如下优点:
[0015]1、网络协议转换方法可利用协议转换程序实现RS485/RS232、CAN、SPI, TCP/IP等多种接口数据与基于IEEE802.11以及802.15.4标准的无线网络数据之间交换，同时还可以实现多总线接口之间的数据格式转换，从而达到带有RS485/RS232接口、CAN接口、以太网接口或者SPI接口的用户设备与远程终端无线通信以及带有不同接口之间的互相通信的目的降低成本。
[0016]2、通信装置具有体积小、使用简便、拓展能力强等优点，对不同的有线设备与远程终端提供了便捷、快速的通信方式。
【附图说明】
[0017]图1为本发明装置的网络示意简图。
[0018]图2为本发明装置的硬件连接框图。
[0019]图3为本发明方法的控制状态字地址映射图表。
[0020]图4为本发明方法的程序流程图。
【具体实施方式】
[0021]下面结合附图对本发明做进一步说明:
[0022]本发明所述通信装置由嵌入式处理器外接模块组成；所述外接模块包括SPI通信模块、RS485/RS232串口通信模块、CAN通信模块、以太网接口通信模块、SDRAM内存单元、Nand Flash存储器、WIFI无线射频收发模块以及ZigBee无线射频收发模块；外接模块与嵌入式处理器采用总线连接方式相连，内置协议转换程序，SPI通信模块、RS485/RS232串口通信模块、CAN通信模块、以太网接口通信模块分别与各自接口设备相连，通过WIFI无线射频收发模块和ZigBee无线射频收发模块完成不同接口设备与远程上位机的无线通信功能以及不同接口之间的数据格式转换。
[0023]图1为本发明装置的所应用的网络示意简图。所应用的无线异构网络包括有线设备和无线设备两种。有线设备支持RS485/RS232、CAN、SP1、TCP/IP等多种接口的设备；无线设备支持基于IEEE802.11以及802.15.4标准的设备。上述有线和无线设备接入本发明所述的通信装置，实现有线设备和无线设备之间以及各接口之间的数据通信。
[0024]图2为本发明装置的硬件连接框图，所述通信装置由嵌入式处理器外接模块组成；外接模块 包括SPI通信模块、RS485/RS232串口通信模块、CAN通信模块、以太网接口通信模块、SDRAM内存单元、Nand Flash存储器、WIFI无线射频收发模块以及ZigBee无线射频收发模块；外接模块与嵌入式处理器采用总线连接方式相连，内置协议转换程序，SPI通信模块、RS485/RS232串口通信模块、CAN通信模块、以太网接口通信模块分别与各自接口设备相连，通过WIFI无线射频收发模块和ZigBee无线射频收发模块完成不同接口设备与远程上位机的无线通信功能以及不同接口之间的数据格式转换。嵌入式处理器运行嵌入式Linux操作系统，统一对各控制模块进行读写和片选控制，对接口数据进行解析与分发，利用协议转换程序实现多种协议与基于IEEE802.11以及802.15.4标准协议之间的协议转换和有线/无线数据解析与转发，完成数据在地址总线和数据总线上的有效传输。嵌入式处理器根据周围射频环境信息自动选择无线噪声较小的频段进行工作，同时WIFI网络与ZigBee网络在选取工作频段时尽量隔开，以保证不会造成设备之间的通信干扰。
[0025]嵌入式处理器是整个异构网络通信装置的核心部分，其主要功能是根据需要控制外接模块协同工作，实现对数据的采集与处理。本发明的嵌入式处理器采用ATMEL公司的基于ARM926EJ-S内核AT91SAM9G25芯片，集成的硬件功能外设包括:1个ITU_RBT、1个高速CAN主机和CAN主机全速专用片上收发器、I个10/100Mbps以太网MAC控制器、两个高速存储卡主机、两个主/从串行外设接口、两个三通道32位定时器/计数器、一个4通道16位PWM控制器、四个USART、2个UART、I个12通道的10位模数转换器、I个软调制解调器、I个三双线接口等等。综上，AT91SAM9G25嵌入式处理器的性能和丰富的外部接口能够满足异构网络通信装置的要求。
[0026]RS485/RS232串口通信模块分为串口 I和串口 2，其中串口 I通过MAX3232芯片与外围RS232设备相连，实现带有RS232接口的外围设备与异构网络通信装置的数据交换，同时本串口还可以实现通信接口选取配置的功能。本发明中串口 2通过隔离485芯片与外围设备相连，隔离485芯片选用ADM2483，此芯片是ADI推出的一款带隔离的增强型RS485收发器，适用于多点总线传输线路的双向数据通信，实现带有RS485接口的外围设备与异构网络通信装置的数据交换。
[0027]本设计通过配置串口来设定本装置的固定参数，例如本设备的以太网IP地址，WIFI入网操作，802.15.4组网操作，无线射频通信频段选择，总线的接口通信速率，主从模式等信息。
[0028]CAN通信模块实现带有CAN通信接口的外围设备与异构网络通信装置采用CAN进行数据交换，支持主从模式。
[0029]SPI通信模块实现带有SPI通信接口的外围设备与异构网络通信装置采用SPI进行数据交换，支持主从模式。本发明中的SPI通信模块输入信号线选用SP10_MIS0，输出信号线选用SP10_M0SI，时钟控制线选用SP10_SPCK，片选信号线选用SP10_NPCS0。利用协议转换程序可以接收用户终端的控制命令，将异构网络通信装置配置成SPI主模式或者SPI从模式。
[0030]以太网口通信模块中以太网接口芯片采用DM9161AEP，提供10/100Mb/s数据速率，实现带有以太网接口的设备与多协议多接口异构网络通信装置之间的数据交换。
[0031]WIFI无线射频收发模块采用MediaTek公司的rt3070芯片，支持IEEE802.llg/b/η标准通信协议，工作频率在2.4-2.4835GHz,传输速率最高可达150M。WIFI无线射频收发模块通过USB接口与ARM中心处理器相连，异构网络通信装置通过WIFI无线射频收发模块连接到WIFI网络，实现带有WIFI协议的设备与多协议多接口异构网络通信装置之间的数据交换。
[0032]ZigBee无线射频收发模块采用ATMEL公司的RF231芯片，支持标准802.15.4协议以及拓展的ZigBee协议，ZigBee无线射频收发模块通过SPI与ARM中心处理器相连，异构网络通信装置通过ZigBee无线射频收发模块连接到ZigBee网络，实现带有标准802.15.4协议以及ZigBee协议的设备与多协议多接口异构网络通信装置之间的数据交换，支持主站与从站设置。
[0033]本发明所述异构网络包括有线网络和无线网络，有线网络由SPI通信模块、RS485/RS232串口通信模块、CAN通信模块、以太网接口通信模块与嵌入式处理器通过总线连接组成，无线网络由WIFI无线射频收发模块和ZigBee无线射频收发模块与嵌入式处理器通过总线连接组成，嵌入式处理器另与SDRAM内存单元、Nand Flash存储器连接；所述网络协议转换方法如下:
[0034]在各个接口的每帧数据中必须包含状态控制字，其中有效数据帧的第一个数据字节为状态控制字，嵌入式处理器通过状态控制字来存放表示各接口间的转换映射关系，自主完成对相应资源的分析与调度，利用对应协议转换程序实现多种协议与基于IEEE802.11以及802.15.4标准协议之间的协议转换和有线/无线数据解析与转发；协议转换程序采用多路复用方式，作为嵌入式处理器的上层应用程序而存在，系统启动后，对网络中所有接口进行监听，通过监听状态控制字，读取并识别用户需求指令，接收到的数据包首先检测状态控制字的值并选择与之匹配的通信方式，实现虚拟的通信逻辑管道，自动处理完成有线接口之间的协议数据重构解析，以及SPI协议与标准无线网络协议、以太网协议与标准无线网络协议、CAN协议与标准无线通信协议、RS485/RS232协议与标准无线通信协议之间的转换，从而实现带有SPI总线接口、以太网口接口、CAN接口或RS485/RS232总线接口的设备与远程终端之间的无缝数据通信。
[0035]所述状态控制字占用一个字节的内存空间，其中低5位为有效域，由低到高分别代表RS485/RS232接口使能、CAN接口使能、SPI接口使能、以太网接口使能、无线使能，对应二进制表示为OOO11111，其中I代表有效位，O代表无效位，具体对应关系如图3所示，其中I代表使能相应接口，O代表失能相应接口 ；通过状态控制字来存放表示各接口间的转换映射关系。
[0036]在不同协议数据进行交互的过程中，采用内存映射方式，相互通信的接口之间共享同一段预先分配的线性地址区间，从而达到针对不同的用户需求，实现不同协议之间的有线/无线数据通信。
[0037]所述的逻辑管道是指不同接口之间的数据通过处理器进行实时动态解析重构，从而实现不依赖于具体物理接口的无缝通信方式。如:外部设备通过RS485接口连接本设备，经过解析该数据包状态控制字的二进制表示为00010001b，则表示本包数据需要无线接口进行转发，系统启动执行RS485转无线程序，其余情况依此类推。
[0038]具体实现方式如下，当某个有线接口需要将数据转发给多个终端设备时，本发明中的通信程序对不同的连接分配相应的线程，在不同的线程中实现各自的虚拟的通信逻辑管道。比如远程设备通过以太网接口连接本设备，其IP地址分别为IPl:192.168.1.2，IP2:192.168.1.3。其中IPl是以太网接口转RS485接口，IP2是以太网接口转CAN接口。 假如通信程序给IPl分配的线程为1，给IP2分配的线程为2，那么在线程I中通过判断帧的状态控制字是否为00010001b，在线程2中通过判断帧的状态控制字是否为00010010b从而判定IPl的以太网转RS485和IP2的以太网转CAN程序并分别执行。
[0039]图4为本发明方法的程序流程图。本发明所述装置采用嵌入式Linux操作系统，具有多种硬件平台支持，优异的性能和良好的网络支持等优点。通过Linux操作系统能很好的实现对硬件资源和软件资源的管理，以及对多个任务的调度。协议转换程序作为异构网络通信装置的上层应用程序而存在，采用多路复用方式，通过监听状态控制字，读取并识别用户需求指令，执行相应的串口转无线、SPI转无线、CAN转无线、以太网口转无线通信以及有线接口通信转换程序。在不同协议数据进行交互的过程中，采用内存映射方式，相互通信的接口之间共享同一段分配了的线性地址区间，从而达到针对不同的用户需求，实现不同协议之间的有线/无线数据通信。该程序流程如下:
[0040](I)系统初始化，配置网络、串口、SP1、CAN等通信接口参数；
[0041](2)建立服务端，监听接口连接请求，与相应远端设备建立虚拟连接；
[0042](3)为每个连接请求创建线程，分配内存映射区域；
[0043](4)监听接口数据帧状态控制字，读取客户端用户指令信息；
[0044](5)判断指令通信方式，执行相应的通信程序；
[0045](6)判断是否有终止通信程序程序指令，如没有，则返回步骤(4)，如有，则释放所占用内存，关闭当前连接，结束当前线程；
[0046](7)判断是否有程序结束指令，如没有，则返回步骤(3)，如有，则关闭所有连接，程序结束。
[0047]本发明所述通信装置采用相应的接口与外接设备进行数据交互，并将数据通过相应的总线发送至嵌入式处理器，在嵌入式处理器上通过Linux操作系统，利用协议转换程序将处理后的数据通过应用场景解析为相应接口的数据格式:
[0048](I)如果是有线接口之间的转换，程序将获得的数据解析重构后转发至相应有线接口。
[0049](2)如果是有线转无线应用，则无线射频收发模块根据状态控制字使能位将数据封装成遵循相应标准协议格式发送到远程终端。
[0050](3)反之，远程终端也可以将控制或配置数据，通过相反方向发送给相应的设备。
[0051]协议转换程序作为操作系统的上层应用程序而存在，与异构网络通信装置的硬件相结合。协议转换程序获取远程终端的数据信息后，通过判断数据报文的目的地，进行正确的解析、处理和转发，实现远程终端与不同接口设备的通信。
[0052]以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
【主权项】
1.一种多接口自适应的无线异构网络通信装置，其特征在于:所述通信装置由嵌入式处理器外接模块组成；所述外接模块包括SPI通信模块、RS485/RS232串口通信模块、CAN通信模块、以太网接口通信模块、SDRAM内存单元、Nand Flash存储器、WIFI无线射频收发模块以及ZigBee无线射频收发模块；外接模块与嵌入式处理器采用总线连接方式相连，内置协议转换程序，SPI通信模块、RS485/RS232串口通信模块、CAN通信模块、以太网接口通信模块分别与各自接口设备相连，通过WIFI无线射频收发模块和ZigBee无线射频收发模块完成不同接口设备与远程上位机的无线通信功能以及不同接口之间的数据格式转换。2.根据权利要求1所述的多接口自适应的无线异构网络通信装置，其特征在于:所述嵌入式处理器运行嵌入式Linux操作系统。3.一种多接口自适应的无线异构网络协议转换方法，其特征在于，所述网络包括有线网络和无线网络，有线网络由SPI通信模块、RS485/RS232串口通信模块、CAN通信模块、以太网接口通信模块与嵌入式处理器通过总线连接组成，无线网络由WIFI无线射频收发模块和ZigBee无线射频收发模块与嵌入式处理器通过总线连接组成，嵌入式处理器另与SDRAM内存单元、Nand Flash存储器连接；所述网络协议转换方法如下: 在各个接口的每帧数据中必须包含状态控制字，其中有效数据帧的第一个数据字节为状态控制字，嵌入式处理器通过状态控制字来存放表示各接口间的转换映射关系，自主完成对相应资源的分析与调度，利用对应协议转换程序实现多种协议与基于IEEE802.11以及802.15.4标准协议之间的协议转换和有线/无线数据解析与转发；协议转换程序采用多路复用方式，作为嵌入式处理器的上层应用程序而存在，系统启动后，对网络中所有接口进行监听，通过监听状态控制字，读取并识别用户需求指令，接收到的数据包首先检测状态控制字的值并选择与之匹配的通信方式，实现虚拟的通信逻辑管道，自动处理完成有线接口之间的协议数据重构解析，以及SPI协议与标准无线网络协议、以太网协议与标准无线网络协议、CAN协议与标准无线通信协议、RS485/RS232协议与标准无线通信协议之间的转换，从而实现带有SPI总线接口、以太网口接口、CAN接口或RS485/RS232总线接口的设备与远程终端之间的无缝数据通信。4.根据权利要求3所述的一种方法，其特征在于:所述状态控制字占用一个字节的内存空间，其中低5位为有效域，由低到高分别代表RS485/RS232接口使能、CAN接口使能、SPI接口使能、以太网接口使能、无线使能，对应二进制表示为00011111，其中I代表有效位，O代表无效位，其中I代表使能相应接口，O代表失能相应接口 ；通过状态控制字来存放表示各接口间的转换映射关系。5.根据权利要求3所述的一种方法，其特征在于:在不同协议数据进行交互的过程中，采用内存映射方式，相互通信的接口之间共享同一段预先分配的线性地址区间，从而达到针对不同的用户需求，实现不同协议之间的有线/无线数据通信。6.根据权利要求3所述的一种方法，其特征在于:所述的逻辑管道是指不同接口之间的数据通过处理器进行实时动态解析重构，从而实现不依赖于具体物理接口的无缝通信方式。
【专利摘要】一种多接口自适应的无线异构网络协议转换方法和通信装置，该装置由处理器和SPI通信模块、RS485/RS232串口通信模块、CAN通信模块、以太网接口通信模块、SDRAM内存单元、Nand Flash存储器、WIFI无线射频收发模块、ZigBee无线射频收发模块通过总线连接组成；处理器程序通过状态控制字用来存放表示各接口间的转换映射关系，自主完成对相应资源的分析与调度，利用对应协议转换程序实现多种协议与基于IEEE802.11以及802.15.4标准协议之间的协议转换和有线/无线数据解析与转发。本发明能实现不同有线接口、无线接口间的数据转发功能，从而实现多协议多接口通信互通的特性等优点。
【IPC分类】H04L12/66, H04L29/06
【公开号】CN104901877
【申请号】CN201510334754
【发明人】关新平, 袁亚洲, 张宇, 许齐敏, 孙彦龙
【申请人】燕山大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月17日
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