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LonWorks-USB互聯(lián)適配器的設(shè)計(jì)開發(fā)
摘要：LonWorks技術(shù)的核心是神經(jīng)元芯片，介紹了神經(jīng)元芯片的一種I/O應(yīng)用模式——并行口I／O模式，并介紹了基于此I／O模式設(shè)計(jì)開發(fā)的LonWorks協(xié)議與USB標(biāo)準(zhǔn)的互聯(lián)適配器。ＬｏｎＷｏｒｋｓ技術(shù)是美國Ｅｃｈｅｌｏｎ公司于上世紀(jì)９０年代初推出的一種現(xiàn)場總線技術(shù)。ＬＯＮ（Ｌｏｃａｌ Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｎｅｔｗｏｒｋ）的意思為局部操作網(wǎng)絡(luò)，它是用于開發(fā)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的一個(gè)完整的技術(shù)平臺，ＬｏｎＷｏｒｋｓ現(xiàn)場總線在網(wǎng)絡(luò)通訊方面具有突出的優(yōu)點(diǎn)，作為現(xiàn)場總線中的佼佼者在國內(nèi)各個(gè)領(lǐng)域的測控系統(tǒng)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(diǎn)是易于使用，這主要表現(xiàn)在成本低、適用于多種設(shè)備、支持熱插拔等方面，并且所有的配置過程都由系統(tǒng)自動完成，無需用戶干預(yù)。目前，市場上供應(yīng)的ＵＳＢ控制器主要有兩種：帶ＵＳＢ接口的單片機(jī)（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(jī)。該單片機(jī)極大地降低了ＵＳＢ外設(shè)的開發(fā)難度，為ＰＣ機(jī)外設(shè)的制造商提供了一個(gè)性能優(yōu)良、價(jià)格較低的設(shè)計(jì)方案。采用ＵＳＢ接口設(shè)計(jì)開發(fā)的ＬＯＮ網(wǎng)互聯(lián)適配器很好地解決了傳統(tǒng)適配器由于ＲＳ－２３２與ＰＣ／Ｌａｐｔｏｐ互聯(lián)而造成的速度上的瓶頸。
１ 系統(tǒng)框圖及工作原理
１．１系統(tǒng)框圖
系統(tǒng)框圖如圖１所示。
互聯(lián)適配器是ＬＯＮ網(wǎng)與ＰＣ／Ｌａｐｔｏｐ的接口，在通信過程中起著關(guān)鍵的作用，它既完成了ＬＯＮ網(wǎng)與ＰＣ／Ｌａｐｔｏｐ的互聯(lián)，又實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的交換�；ヂ�(lián)適配器作為ＬＯＮ網(wǎng)的一個(gè)特殊的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)——通信處理器，能按照ＬｏｎＴａｌｋ?yún)f(xié)議與ＬｏｎＷｏｒｋｓ總線上所有分布在現(xiàn)場的智能節(jié)點(diǎn)進(jìn)行對等的數(shù)據(jù)通信，起到上傳下達(dá)的橋梁作用。當(dāng)現(xiàn)場的測控設(shè)備有數(shù)據(jù)送到ＬｏｎＷｏｒｋｓ網(wǎng)絡(luò)上時(shí)，互聯(lián)適配器負(fù)責(zé)把所有發(fā)送給它的信息接收下來，將測控設(shè)備發(fā)送來的ＬｏｎＴａｌｋ顯式報(bào)文重新打包裝幀，向ＰＣ／Ｌａｐｔｏｐ發(fā)送。同時(shí)，它將從ＰＣ／Ｌａｐｔｏｐ接收來的已解析的數(shù)據(jù)按ＬｏｎＷｏｒｋｓ現(xiàn)場總線通信協(xié)議構(gòu)造ＬｏｎＴａｌｋ顯式報(bào)文，發(fā)送給ＬｏｎＷｏｒｋｓ網(wǎng)上的測控設(shè)備。
相對ＵＳＢ系統(tǒng)而言，ＰＣ／Ｌａｐｔｏｐ是ＵＳＢ主機(jī)，互聯(lián)適配器只是ＵＳＢ外部設(shè)備。在整個(gè)ＵＳＢ系統(tǒng)中只有一個(gè)主控制器，即主機(jī)（ＰＣ／Ｌａｐｔｏｐ），主機(jī)是總線控制者，ＵＳＢ設(shè)備響應(yīng)主機(jī)請求。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)部分也是針對主機(jī)和外部設(shè)備這兩部分展開的。
１．２ 工作原理
互聯(lián)適配器中采用Ｎｅｕｒｏｎ芯片預(yù)定義的并口Ｉ／Ｏ應(yīng)用模式實(shí)現(xiàn)雙ＣＰＵ的通信，并行口的速率可達(dá)３．３Ｍｂｐｓ，實(shí)現(xiàn)了高數(shù)據(jù)速率。
并行Ｉ／Ｏ應(yīng)用模式下利用Ｎｅｕｒｏｎ芯片的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口可用來外接處理器，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，在這里采用ＥＺ－ＵＳＢ單片機(jī)與Ｎｅｕｒｏｎ芯片互連。主機(jī)ＰＣ／Ｌａｐｔｏｐ控制ＵＳＢ外部設(shè)備，通過互聯(lián)適配器與ＬＯＮ網(wǎng)各現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)通信，其實(shí)質(zhì)就是互聯(lián)適配器中ＥＺ－ＵＳＢ單片機(jī)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(yīng)用的是從Ａ模式。在從Ａ模式中，認(rèn)為Ｎｅｕｒｏｎ芯片為從ＣＰＵ，ＥＺ－ＵＳＢ單片機(jī)為主ＣＰＵ，主ＣＰＵ和從ＣＰＵ之間的數(shù)據(jù)傳輸通過虛擬的寫令牌傳遞協(xié)議（Ｖｉｒｔｕａｌ Ｗｒｉｔｅ Ｔｏｋｅｎ－Ｐａｓｓｉｎｇ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）得以實(shí)現(xiàn)。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(shù)據(jù)（不超過２５５個(gè)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。在從Ａ方式中，整個(gè)握手／應(yīng)答協(xié)議以及數(shù)據(jù)傳送的實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)）。然后，主ＣＰＵ再送一個(gè)ＣＭＤ＿ＲＥＳＹＮＣ命令，要求從ＣＰＵ同步，而從ＣＰＵ接收到這個(gè)信號以后，則發(fā)送ＣＭＤ＿ＡＣＫＳＹＮＣ，表示已經(jīng)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(shù)據(jù)總線上寫數(shù)據(jù)，即主ＣＰＵ可以往從ＣＰＵ寫數(shù)據(jù)，從機(jī)也可以將數(shù)據(jù)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(shí)現(xiàn)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(zhí)行Ｎｅｕｒｏｎ芯片的握手／令牌傳遞算法，也即是復(fù)制Ｎｅｕｒｏｎ芯片的行為，從而實(shí)現(xiàn)雙方的通信。
圖2 互聯(lián)適配器硬件結(jié)構(gòu)框圖
２ 硬件設(shè)計(jì)
互聯(lián)適配器的結(jié)構(gòu)框圖如圖２所示，主要由神經(jīng)元芯片和ＥＺ－ＵＳＢ單片機(jī)組成。
神經(jīng)元芯片（Ｎｅｕｒｏｎ Ｃｈｉｐ）是ＬｏｎＷｏｒｋｓ技術(shù)的核心?熏 芯片中含有Ｌｏｎｔａｌｋ?yún)f(xié)議的固態(tài)軟件（簡稱固件），使其能可靠地通信。神經(jīng)元芯片主要包含ＴＭＰＮ３１５０和ＴＭＰＮ３１２０兩大系列，由日本東芝公司生產(chǎn)。ＴＭＰＮ３１５０支持外部存儲器，適合更為復(fù)雜的應(yīng)用，而ＴＭＰＮ３１２０則不支持外部存儲器，它本身帶ＲＯＭ。所以，在互聯(lián)適配器的設(shè)計(jì)中選用的是ＴＭＰＮ３１５０，該芯片內(nèi)有三個(gè)微處理器，即ＭＡＣ處理器、網(wǎng)絡(luò)處理器和應(yīng)用處理器。對神經(jīng)元芯片進(jìn)行外圍電路的設(shè)計(jì)和擴(kuò)展，使之成為ＬｏｎＷｏｒｋｓ網(wǎng)上的一個(gè)特殊的ＬＯＮ節(jié)點(diǎn)，這樣它不僅可以與ＬｏｎＷｏｒｋｓ網(wǎng)絡(luò)上的ＬＯＮ節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，還可以作為適配器的協(xié)通信處理器。
ＴＭＰＮ３１５０片內(nèi)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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