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LON現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)到以太網(wǎng)互連適配器的設(shè)計(jì)
摘要：以５１單片機(jī)為核心連接ＬＯＮ現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)互連適配器的設(shè)計(jì)方案，描述了神經(jīng)元芯片使用并行Ｉ／Ｏ模式與５１單片機(jī)通信的方法，介紹了５１單片機(jī)控制以太網(wǎng)控制芯片８０１９ａｓ的方法。并采用Ｃ５１語言實(shí)現(xiàn)ＵＤＰ傳輸，完成了系統(tǒng)的調(diào)試與驗(yàn)證。關(guān)鍵詞：Ｌｏｎｗｏｒｋｓ 以太網(wǎng) ＲＴＬ８０１９ａｓ ８０Ｃ５１單片機(jī)
隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，在使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行互聯(lián)的同時(shí)，各種智能家電、工業(yè)控制、智能儀器儀表、數(shù)據(jù)采集都在逐步趨向網(wǎng)絡(luò)化。但由于以太網(wǎng)在實(shí)時(shí)性和可靠性的先天不足，各種現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生；更因?yàn)槠鋸氐椎拈_放性、分散性和完全可互操作性等特點(diǎn)，正成為未來新型工業(yè)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。以太網(wǎng)以其應(yīng)用的廣泛性和技術(shù)的先進(jìn)性，逐漸壟斷了商用計(jì)算機(jī)的通信領(lǐng)域和過程控制領(lǐng)域的上層信息管理與通信。為實(shí)現(xiàn)上層管理網(wǎng)絡(luò)與下層控制網(wǎng)絡(luò)的集成，在實(shí)際中必須實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場總線與以太網(wǎng)互聯(lián)。
Ｌｏｎｗｏｒｋｓ現(xiàn)場總線是美國Ｅｃｈｅｌｏｎ公司１９９１年推出的局部操作網(wǎng)絡(luò)。Ｌｏｎｗｏｒｋｓ現(xiàn)場總線在網(wǎng)絡(luò)通信方面具有突出優(yōu)點(diǎn)，如網(wǎng)絡(luò)物理層支持多種通信介質(zhì)，支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等。目前使用Ｌｏｎｗｏｒｋｓ技術(shù)的產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于工業(yè)、樓宇、家庭、能源等自動化領(lǐng)域。本文提出的適配器連接方案，能將ＬＯＮ控制網(wǎng)與以太網(wǎng)無縫連接，實(shí)現(xiàn)透明傳輸。
圖1 互連適配器的電路框圖
１ 互連適配器硬件電路設(shè)計(jì)
適配器使用的主要芯片為神經(jīng)元芯片ＴＭＰＮ３１５０、５１單片機(jī)８９Ｃ５１ＲＤ和以太網(wǎng)控制器ＲＴＬ８０１９ａｓ。主要分為Ｌｏｎｗｏｒｋｓ控制模塊、協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊和以太網(wǎng)通信模塊。其中，協(xié)議轉(zhuǎn)換由單片機(jī)內(nèi)部軟件完成。
１．１ Ｌｏｎｗｏｒｋｓ控制模塊
Ｌｏｎｗｏｒｋｓ控制模塊主要完成對ＬＯＮ網(wǎng)數(shù)據(jù)的管理并向單片機(jī)傳輸數(shù)據(jù)，其核心是神經(jīng)元芯片。神經(jīng)元芯片與其他設(shè)備的互連是通過其１１個(gè)Ｉ／Ｏ口，編程人員可以定義多個(gè)引腳為輸入／輸出對象。用戶程序可通過ｉｏ＿ｉｎ（）和ｉｏ＿ｏｕｔ（）訪問這些Ｉ／Ｏ對象，并在程序執(zhí)行期間完成輸入／輸出操作。本文設(shè)計(jì)的適配器采用Ｎｅｕｒｏｎ芯片預(yù)定義的并行Ｉ／Ｏ對象，實(shí)現(xiàn)了高數(shù)據(jù)速率和全雙工工作方式。
并行Ｉ／Ｏ對象利用Ｎｅｕｒｏｎ的１１個(gè)Ｉ／Ｏ口進(jìn)行通信。其中ＩＯ０～ＩＯ７為雙向數(shù)據(jù)線，ＩＯ８～ＩＯ１０為控制信號線。借助令牌傳遞握手協(xié)議，并行Ｉ／Ｏ口可外接處理器，實(shí)現(xiàn)Ｎｅｕｒｏｎ芯片與外接各類微處理器之間的雙向數(shù)據(jù)通信。并行口的速率可達(dá)３．３Ｍｂｐｓ，工作方式有三種，即主模式、從Ａ模式和從Ｂ模式。不同的模式下，ＩＯ８～ＩＯ１０這三根控制信號線的意義不同。本文應(yīng)用從Ａ模式?與單片機(jī)連接如表１所示。
表1 Neuron芯片與單片機(jī)的連接
從Ａ模式中，Ｎｅｕｒｏｎ芯片為從機(jī)，５１單片機(jī)為主機(jī)。主機(jī)與從機(jī)間的數(shù)據(jù)傳輸通過虛擬的寫令牌傳遞協(xié)議（Ｖｉｒｔｕａｌ Ｗｒｉｔｅ Ｔｏｋｅｎ－Ｐａｓｓｉｎｇ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）實(shí)現(xiàn)。主機(jī)和從機(jī)交替地獲得寫令牌，只有擁有寫令牌的一方可以寫數(shù)據(jù)（不超過２５５字節(jié)），或者不寫任何數(shù)據(jù)傳送一個(gè)空令牌。傳送的數(shù)據(jù)要遵從一定的格式，即在要傳送的數(shù)據(jù)前面加上命令碼和傳送的數(shù)據(jù)長度。命令碼有ＣＭＤ＿ＸＦＥＲ（寫數(shù)據(jù)）、ＣＭＤ＿ＮＵＬＬ（傳遞空令牌）、ＣＭＤ＿ＲＥＳＹＮＣ（要求從機(jī)同步）、ＣＭＤ＿ＡＣＫＳＹＮＣ（確認(rèn)同步）四種，最后以ＥＯＭ字節(jié)結(jié)束。寫數(shù)據(jù)和傳遞空令牌的格式分別如表２、表３所示。
表2 寫數(shù)據(jù)的格式
表3 傳遞空令牌的格式
CMD_NULL EOM１．２ 以太網(wǎng)通信模塊
以太網(wǎng)通信模塊由５１單片機(jī)和ＲＴＬ８０１９ａｓ組成。以太網(wǎng)控制器ＲＴＬ８０１９ａｓ由臺灣Ｒｅａｌｔｅｋ公司生產(chǎn)，１００腳ＰＱＦＰ封裝。它支持８／１６位數(shù)據(jù)總線及１６個(gè)Ｉ／Ｏ基地址選擇，使用Ｎｅ２０００兼容的寄存器結(jié)構(gòu)。它有一塊１６Ｋ字節(jié)的ＲＡＭ，地址為０ｘ４０００～０ｘ７ｆｆｆ。實(shí)際上它是雙端口ＲＡＭ，可以同時(shí)被網(wǎng)卡讀／寫和用戶讀／寫，相互之間不影響。網(wǎng)卡讀寫比用戶讀寫的優(yōu)先級高。ＲＡＭ分頁存儲，每２５６字節(jié)稱為一頁。將前１２頁作為發(fā)送緩沖區(qū)（０ｘ４０００～０ｘ４ｂｆｆ），后５２頁作為接收緩沖區(qū)（０ｘ４ｃ００～０ｘ７ｆｆｆ）。
以太網(wǎng)的介質(zhì)訪問控制、ＣＲＣ校驗(yàn)及數(shù)據(jù)幀的接收和發(fā)送都由網(wǎng)卡自動完成，只需將ＩＰ包加上目的ＭＡＣ地址和源地址，再通過遠(yuǎn)端ＤＭＡ接口對ＲＴＬ８０１９ａｓ內(nèi)部ＲＡＭ進(jìn)行讀寫即可。網(wǎng)卡的地址線共２０根。用到的網(wǎng)卡地址為十六進(jìn)制的０２４０Ｈ～０２５ＦＨ，基地址為０２４０Ｈ，從地址２４０Ｈ～２５ＦＨ。地址線的Ａ１９～Ａ５是固定的００００００００００１００１０，只需５根地址線即可。所以ＲＴＬ８０１９ａｓ輸入輸出地址共３２個(gè)，地址偏移量為００Ｈ～１ＦＨ（對應(yīng)于２４０Ｈ～２５ＦＨ）。對于８位操作方式，３２個(gè)地址中只有１８個(gè)有用：００Ｈ～０ＦＨ共１６個(gè)寄存器地址，１０Ｈ為ＤＭＡ地址，１ＦＨ為復(fù)位地址。本適配器采用輪詢方式，不使用中斷。故ＲＴＬ８０１９ａｓ與單片機(jī)的連接如表４所示。
表4 RTL8019as單片的連接
表5 單片機(jī)發(fā)往RTL8019as的數(shù)據(jù)格式
以太網(wǎng)首部 IP首部 UDP首部 數(shù)據(jù) 14字節(jié) 20字節(jié) 20字節(jié) 128×n字節(jié)本適配器使用ＵＤＰ傳送數(shù)據(jù)，同時(shí)支持ＩＣＭＰ的回應(yīng)應(yīng)答和回應(yīng)請求報(bào)文（Ｐｉｎｇ命令），單片機(jī)發(fā)往ＲＴＬ８０１９ａｓ的數(shù)據(jù)幀格式如表５所示。
用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)ＵＤＰ協(xié)議要作一些簡化，不考慮數(shù)據(jù)分片和優(yōu)先權(quán)。因此，在ＩＰ首部中不討論服務(wù)類型和標(biāo)志偏移域，只需填“０”即可。
１．３ 互連適配器的硬件電路設(shè)計(jì)
由于Ｐ８９Ｃ５１ＲＤ２只有四個(gè)８位Ｉ／Ｏ口，無法同時(shí)與ＲＴＬ８０１９ａｓ 和ＴＭＰＮ３１５０通信，故使用Ｐ０口作為數(shù)據(jù)總線。Ｐ２．５作為片選信號，高電平為ＲＴＬ８０１９ａｓ，低電平為ＴＭＰＮ３１５０。圖１給出了互連適配器的電路框圖。其中３１５０和ＲＴＬ８０１９ａｓ復(fù)用同一條８位數(shù)據(jù)線，依靠Ｐ２．５進(jìn)行片選。當(dāng)Ｐ２．５高電平時(shí)，ＲＴＬ８０１９ａｓ地址（１ＸＸＸＸＸ）有效，被選中。Ｍａｘ２３２作為單片機(jī)的下載線，互聯(lián)適配器也可使用ＲＳ２３２口與計(jì)算機(jī)通信。
圖2 適配器工作流程圖
２ 互連適配器的軟件設(shè)計(jì)
適配器的軟件編寫包括兩部分：一部分是ＴＭＰＮ３１５０上用Ｎｅｕｒｏｎ Ｃ語言編寫；另一部分是在Ｐ８９Ｃ５１上用Ｃ５１語言開發(fā)ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議棧和與ＴＭＰＮ３１５０、ＲＴＬ８０１９ａｓ的通信軟件，可讀性強(qiáng)，可方便地移植到其他５１核心單片機(jī)上。
２．１ 適配器的初始化
Ｐ８９Ｃ５１單片機(jī)和ＴＭＰＮ３１５０之間先建立握手信號，即ＨＳ信號有效（由ＴＭＰＮ３１５０的固件自動實(shí)現(xiàn)）；然后，主機(jī)發(fā)送一個(gè)ＣＭＤ＿ＲＥＳＹＮＣ命令，要求從機(jī)同步，而從機(jī)接收到這個(gè)信號后，則發(fā)送ＣＭＤ＿ＡＣＫＳＹＮＣ，表示已同步，可以通信了。ＲＴＬ８０１９在通信前要先讀取９３Ｃ４６的內(nèi)容并設(shè)置內(nèi)部寄存器的值（配置寄存器ＣＯＮＦＩＧ１～４，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)地址），再由８９Ｃ５１對ＲＴＬ８０１９的頁０與頁１相關(guān)寄存器進(jìn)行初始化，即可正常工作。
２．２ 適配器工作流程
考慮到ＬＯＮ網(wǎng)主要作為監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，特別在樓宇自動化中的監(jiān)控，由ＬＯＮ網(wǎng)發(fā)往以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)較多，應(yīng)首先保證其優(yōu)先權(quán)。且８９Ｃ５１ＲＤ只有１０２４字節(jié)的內(nèi)存，無法處理大的以太網(wǎng)幀。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)比較，在最后具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，選擇ＬＯＮ最大為每幀６４字節(jié)，盡量做到每收１０個(gè)ＬＯＮ幀，發(fā)一個(gè)以太網(wǎng)幀，流程如圖２所示。
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２．３ 服務(wù)器監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)
Ｌｏｎｗｏｒｋｓ現(xiàn)場總線使用網(wǎng)絡(luò)變量的方式傳送數(shù)據(jù)。一個(gè)網(wǎng)絡(luò)變量是Ｌｏｎｗｏｒｋｓ網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的一個(gè)對象，各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的聯(lián)系通過網(wǎng)絡(luò)變量實(shí)現(xiàn)。當(dāng)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)變量在一個(gè)節(jié)點(diǎn)中被應(yīng)用程序改變時(shí)，ＬｏｎＴａｌｋ?yún)f(xié)議自動將新值構(gòu)成隱式消息透明地發(fā)往可與之共享的其他節(jié)點(diǎn)，而應(yīng)用程序則不必考慮發(fā)送、接收和尋址的問題。安裝在服務(wù)器上的監(jiān)控軟件將需要改變的網(wǎng)絡(luò)變量數(shù)據(jù)利用ＵＤＰ通過以太網(wǎng)發(fā)往指定ＩＰ地址的適配器，適配器將自動完成各個(gè)數(shù)據(jù)向相應(yīng)設(shè)備的傳輸。同樣，適配器也將設(shè)備發(fā)來的網(wǎng)絡(luò)變量使用ＵＤＰ發(fā)往指定ＩＰ的服務(wù)器。使用Ｄｅｌｐｈｉ６．０編寫了一個(gè)簡單的設(shè)備監(jiān)控軟件。實(shí)驗(yàn)中，它能同時(shí)管理１６路的數(shù)據(jù)采集和控制，適配器達(dá)到了１２ｋｂｐｓ的峰值速率。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D３所示。
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