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LonWorks-USB互聯適配器的設計開發
摘要：LonWorks技術的核心是神經元芯片，介紹了神經元芯片的一種I/O應用模式——并行口I／O模式，并介紹了基于此I／O模式設計開發的LonWorks協議與USB標準的互聯適配器。ＬｏｎＷｏｒｋｓ技術是美國Ｅｃｈｅｌｏｎ公司于上世紀９０年代初推出的一種現場總線技術。ＬＯＮ（Ｌｏｃａｌ Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｎｅｔｗｏｒｋ）的意思為局部操作網絡，它是用于開發監控網絡系統的一個完整的技術平臺，ＬｏｎＷｏｒｋｓ現場總線在網絡通訊方面具有突出的優點，作為現場總線中的佼佼者在國內各個領域的測控系統中廣泛流行。
通用串行總線（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ，即ＵＳＢ）是一種快速、靈活的總線接口。與其它通信接口相比，ＵＳＢ總線接口最大的特點是易于使用，這主要表現在成本低、適用于多種設備、支持熱插拔等方面，并且所有的配置過程都由系統自動完成，無需用戶干預。目前，市場上供應的ＵＳＢ控制器主要有兩種：帶ＵＳＢ接口的單片機（ＭＣＵ）和純粹的ＵＳＢ接口芯片。本文采用Ｃｙｐｒｅｓｓ公司推出的帶智能ＵＳＢ接口的ＥＺ－ＵＳＢ單片機。該單片機極大地降低了ＵＳＢ外設的開發難度，為ＰＣ機外設的制造商提供了一個性能優良、價格較低的設計方案。采用ＵＳＢ接口設計開發的ＬＯＮ網互聯適配器很好地解決了傳統適配器由于ＲＳ－２３２與ＰＣ／Ｌａｐｔｏｐ互聯而造成的速度上的瓶頸。
１ 系統框圖及工作原理
１．１系統框圖
系統框圖如圖１所示。
互聯適配器是ＬＯＮ網與ＰＣ／Ｌａｐｔｏｐ的接口，在通信過程中起著關鍵的作用，它既完成了ＬＯＮ網與ＰＣ／Ｌａｐｔｏｐ的互聯，又實現了數據的交換。互聯適配器作為ＬＯＮ網的一個特殊的網絡節點——通信處理器，能按照ＬｏｎＴａｌｋ協議與ＬｏｎＷｏｒｋｓ總線上所有分布在現場的智能節點進行對等的數據通信，起到上傳下達的橋梁作用。當現場的測控設備有數據送到ＬｏｎＷｏｒｋｓ網絡上時，互聯適配器負責把所有發送給它的信息接收下來，將測控設備發送來的ＬｏｎＴａｌｋ顯式報文重新打包裝幀，向ＰＣ／Ｌａｐｔｏｐ發送。同時，它將從ＰＣ／Ｌａｐｔｏｐ接收來的已解析的數據按ＬｏｎＷｏｒｋｓ現場總線通信協議構造ＬｏｎＴａｌｋ顯式報文，發送給ＬｏｎＷｏｒｋｓ網上的測控設備。
相對ＵＳＢ系統而言，ＰＣ／Ｌａｐｔｏｐ是ＵＳＢ主機，互聯適配器只是ＵＳＢ外部設備。在整個ＵＳＢ系統中只有一個主控制器，即主機（ＰＣ／Ｌａｐｔｏｐ），主機是總線控制者，ＵＳＢ設備響應主機請求。系統軟件設計部分也是針對主機和外部設備這兩部分展開的。
１．２ 工作原理
互聯適配器中采用Ｎｅｕｒｏｎ芯片預定義的并口Ｉ／Ｏ應用模式實現雙ＣＰＵ的通信，并行口的速率可達３．３Ｍｂｐｓ，實現了高數據速率。
并行Ｉ／Ｏ應用模式下利用Ｎｅｕｒｏｎ芯片的１１個Ｉ／Ｏ口進行通信，其中，ＩＯ０～ＩＯ７為雙向數據線，ＩＯ８～ＩＯ１０為控制信號線，借助令牌傳遞／握手協議，并行Ｉ／Ｏ口可用來外接處理器，實現Ｎｅｕｒｏｎ芯片與外接各類微處理器之間的雙向數據通信，在這里采用ＥＺ－ＵＳＢ單片機與Ｎｅｕｒｏｎ芯片互連。主機ＰＣ／Ｌａｐｔｏｐ控制ＵＳＢ外部設備，通過互聯適配器與ＬＯＮ網各現場節點通信，其實質就是互聯適配器中ＥＺ－ＵＳＢ單片機與Ｎｅｕｒｏｎ芯片之間的通信。
并行口的工作方式有三種，即主模式、從Ａ模式、從Ｂ模式。不同的模式下，ＩＯ８～ＩＯ１０這三根控制信號線的意義不同，這里應用的是從Ａ模式。在從Ａ模式中，認為Ｎｅｕｒｏｎ芯片為從ＣＰＵ，ＥＺ－ＵＳＢ單片機為主ＣＰＵ，主ＣＰＵ和從ＣＰＵ之間的數據傳輸通過虛擬的寫令牌傳遞協議（Ｖｉｒｔｕａｌ Ｗｒｉｔｅ Ｔｏｋｅｎ－Ｐａｓｓｉｎｇ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）得以實現。主ＣＰＵ和從ＣＰＵ交替地獲得寫令牌（Ｗｒｉｔｅ Ｔｏｋｅｎ），只有擁有寫令牌的一方可以寫數據（不超過２５５個字節），或者不寫任何數據傳送一個空令牌。傳送的數據要遵從一定的格式，即在要傳送的數據前面加上命令碼和傳送的數據長度，命令碼有ＣＭＤ＿ＸＦＥＲ（寫數據）、ＣＭＤ＿ＮＵＬＬ（傳遞空令牌）、ＣＭＤ＿ＲＥＳＹＮＣ（要求從機同步）、ＣＭＤ＿ＡＣＫＳＹＮＣ（確認同步）四種，最后以ＥＯＭ字節結束。在從Ａ方式中，整個握手／應答協議以及數據傳送的實現過程是自動完成的。在通信以前，主ＣＰＵ和從ＣＰＵ之間先建立握手信號，即ＨＳ信號有效（這由３１５０的固件自動實現）。然后，主ＣＰＵ再送一個ＣＭＤ＿ＲＥＳＹＮＣ命令，要求從ＣＰＵ同步，而從ＣＰＵ接收到這個信號以后，則發送ＣＭＤ＿ＡＣＫＳＹＮＣ，表示已經同步、可以通信了。同步以后，虛寫令牌就在主ＣＰＵ和從ＣＰＵ之間無限地、交替地傳遞，擁有虛寫令牌的一方就可以向數據總線上寫數據，即主ＣＰＵ可以往從ＣＰＵ寫數據，從機也可以將數據傳往主ＣＰＵ。
需要特別說明的是，Ｎｅｕｒｏｎ芯片的握手及令牌傳遞的實現是自動的，但是對于非Ｎｅｕｒｏｎ芯片的微處理器（ＥＺ－ＵＳＢ），就要求編程人員通過編程使非Ｎｅｕｒｏｎ芯片的微處理器能夠執行Ｎｅｕｒｏｎ芯片的握手／令牌傳遞算法，也即是復制Ｎｅｕｒｏｎ芯片的行為，從而實現雙方的通信。
圖2 互聯適配器硬件結構框圖
２ 硬件設計
互聯適配器的結構框圖如圖２所示，主要由神經元芯片和ＥＺ－ＵＳＢ單片機組成。
神經元芯片（Ｎｅｕｒｏｎ Ｃｈｉｐ）是ＬｏｎＷｏｒｋｓ技術的核心?熏 芯片中含有Ｌｏｎｔａｌｋ協議的固態軟件（簡稱固件），使其能可靠地通信。神經元芯片主要包含ＴＭＰＮ３１５０和ＴＭＰＮ３１２０兩大系列，由日本東芝公司生產。ＴＭＰＮ３１５０支持外部存儲器，適合更為復雜的應用，而ＴＭＰＮ３１２０則不支持外部存儲器，它本身帶ＲＯＭ。所以，在互聯適配器的設計中選用的是ＴＭＰＮ３１５０，該芯片內有三個微處理器，即ＭＡＣ處理器、網絡處理器和應用處理器。對神經元芯片進行外圍電路的設計和擴展，使之成為ＬｏｎＷｏｒｋｓ網上的一個特殊的ＬＯＮ節點，這樣它不僅可以與ＬｏｎＷｏｒｋｓ網絡上的ＬＯＮ節點進行通信，還可以作為適配器的協通信處理器。
ＴＭＰＮ３１５０片內存儲器的地址范圍是Ｅ８００Ｈ～ＦＦＦＦＨ，包括２ＫＢ的ＲＡＭ、０．５ＫＢ的ＥＥＰＲＯＭ、２．５ＫＢ保留空間
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