LonWorks總線技術(shù)在開發(fā)與應(yīng)用中最常用的接口設(shè)備為USB-LON適配器，簡稱LON卡。本文介紹的是如何設(shè)計開發(fā)一種成本低、可靠性好、通信能力強的LON卡。
LonWorks技術(shù)是美國Echelon公司于上世紀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,作為現(xiàn)場總線中的佼佼者在國內(nèi)各個領(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(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(shè)的開發(fā)難度,為PC機外設(shè)的制造商提供了一個性能優(yōu)良?價格較低的設(shè)計方案?采用USB接口設(shè)計開發(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?
一、LON卡系統(tǒng)組成及工作原理
（1）LON卡硬件系統(tǒng)組成
LON卡是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),又實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的交換?LON卡作為LON網(wǎng)的一個特殊的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點——通信處理器,能按照LonTalk協(xié)議與LonWorks總線上所有分布在現(xiàn)場的智能節(jié)點進行對等的數(shù)據(jù)通信,起到上傳下達的橋梁作用?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,互聯(lián)適配器負責(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顯式報文重新打包裝幀,向PC/Laptop發(fā)送?同時,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,互聯(lián)適配器只是USB外部設(shè)備?在整個USB系統(tǒng)中只有一個主控制器,即主機(PC/Laptop),主機是總線控制者,USB設(shè)備響應(yīng)主機請求?系統(tǒng)軟件設(shè)計部分也是針對主機和外部設(shè)備這兩部分展開的?
（2）LON卡工作原理
LON卡中采用Neuron芯片預(yù)定義的并口I/O應(yīng)用模式實現(xiàn)雙CPU的通信,并行口的速率可達3.3Mbps,實現(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I/O口進行通信,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單片機與Neuron芯片互連?主機PC/Laptop控制USB外部設(shè)備,通過LON卡與LON網(wǎng)各現(xiàn)場節(jié)點通信,其實質(zhì)就是LON卡中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(yīng)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(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個字節(jié)),或者不寫任何數(shù)據(jù)傳送一個空令牌?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(要求從機同步)?CMD_ACKSYNC(確認同步)四種,最后以EOM字節(jié)結(jié)束?在從A方式中,整個握手/應(yīng)答協(xié)議以及數(shù)據(jù)傳送的實現(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的固件自動實現(xiàn))?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(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,從而實現(xiàn)雙方的通信?
二、LON卡硬件設(shè)計
LON卡主要由神經(jīng)元芯片和EZ-USB單片機組成?
神經(jīng)元芯片(Neuron Chip)是LonWorks技術(shù)的核心?熏 芯片中含有Lontalk協(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LON卡的設(shè)計中選用的是TMPN3150,該芯片內(nèi)有三個微處理器,即MAC處理器?網(wǎng)絡(luò)處理器和應(yīng)用處理器?對神經(jīng)元芯片進行外圍電路的設(shè)計和擴展,使之成為LonWorks網(wǎng)上的一個特殊的LON節(jié)點,這樣它不僅可以與LonWorks網(wǎng)絡(luò)上的LON節(jié)點進行通信,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保留空間和1KB的用于存儲器映象I/O的空間?TMPN3150有16根地址線,可尋址64K空間,可以外接存儲器,如RAM?ROM?EEPROM或FLASH等?由于開發(fā)Neuron芯片時采用Neuron C語言,內(nèi)存占用大,另外其作為通信協(xié)議處理器使用要求有大量的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)進行數(shù)據(jù)交換,而僅僅利用3150內(nèi)部的2KRAM空間是遠遠不夠的,因此擴展了外部存儲器FLASH和RAM?FLASH選用AT29C512,其地址范圍是0000H~7FFFH;RAM選用IS61C256AH-15N,其地址范圍是8000H~DFFFH?AT29C512和IS61C256AH-15N的地址范圍由Neuron芯片的地址線和控制線E及相關(guān)的邏輯門電路來確定?神經(jīng)元芯片的晶振為10MHz?Neuron芯片與LON的網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)的接口采用上海工業(yè)自動化儀表研究所生產(chǎn)的雙絞線收發(fā)器?收發(fā)器按其傳輸速率可以分為TPT/XF-78(傳輸速率為78kbps)?TPT/XF-1250(傳輸速率為1.25Mkbps)兩種型號,用于滿足不同的通訊要求?這里選用的是TPT/XF-1250?
EZ-USB單片機采用的是EZ-USB2100系列中具有44個引腳的AN2131S?AN2131S是互聯(lián)適配器的主CPU,利用其I/O端口足以完成所需的功能?EZ-USB芯片中包含內(nèi)部程序/數(shù)據(jù)RAM共8KB?熏不再需要ROM或其它非易失性存儲器?主CPU與輔CPU的連接很簡單,即與輔CPU的11個I/O口進行連接?單片機的PB口接上輔CPU的IO0~IO7,為兩個CPU的并行通訊數(shù)據(jù)端口?單片機的PC0~PC2分別接神經(jīng)元芯片IO8~IO10,完成控制功能?AN2131S再通過引腳USBD+和USBD-與主機PC/Laptop互聯(lián)?
三、LON卡軟件設(shè)計
LON卡的軟件程序設(shè)計分為兩大塊?一塊為對主機PC/Laptop程序的軟件設(shè)計,另一塊為對外圍USB設(shè)備——互聯(lián)適配器程序的軟件設(shè)計?
（1）USB主機的軟件設(shè)計
主機的軟件設(shè)計主要包括兩部分:一是基于USB的LON卡的驅(qū)動程序?如圖3所示,USB通信使用分層驅(qū)動模型,每層處理一部分通信過程,這樣可以使不同設(shè)備在一些任務(wù)上使用相同的驅(qū)動?這里使用Microsoft WDM DDK和Microsoft Visual C++6.0來完成?
二是USB通信程序和用戶服務(wù)程序?用戶服務(wù)程序通過USB通信程序與系統(tǒng)USBDI(USB Device Interface)通信,由系統(tǒng)完成USB協(xié)議的處理與數(shù)據(jù)傳輸?從邏輯上講,USB數(shù)據(jù)的傳輸是通過管道進行的?USB系統(tǒng)軟件通過缺省管道(與端點0相對應(yīng))管理設(shè)備,設(shè)備驅(qū)動程序通過其它的管道來管理設(shè)備的功能接口?為了滿足不同外設(shè)和用戶的要求,USB提供了四種傳輸方式:控制傳輸?同步傳輸?中斷傳輸和塊傳輸?本系統(tǒng)使用的是塊傳輸?EZ-USB提供了16個用于塊傳輸?shù)亩它c,包括7個IN端點(EP1_IN~EP7_IN)和7個OUT端點(EP1_ OUT~EP7_OUT)?每個端點都有一個64字節(jié)的緩沖區(qū)?塊端點無方向控制,一個端點地址對應(yīng)一個方向,所以端點IN1的地址不同于端點OUT1的地址,本適配器就采用這對端點傳輸數(shù)據(jù)?其中,端點0在USB系統(tǒng)中有特定含義,它是EZ-USB芯片中唯一的控制端點,用于傳輸控制信息?
開發(fā)可以訪問LON卡的應(yīng)用程序,可使用任何一個支持win32函數(shù)CreateFile()和DeviceIoControl()的編譯器?首先調(diào)用CreateFile()函數(shù),來取得訪問設(shè)備驅(qū)動程序的句柄,CreateFile()使用設(shè)備的鏈接符作為函數(shù)參數(shù)?然后調(diào)用DeviceIoControl()函數(shù)來提交I/O控制碼,并且為CreateFile()函數(shù)返回的設(shè)備句柄設(shè)置 I/O緩沖區(qū)?最后,還要調(diào)用CloseHandle()關(guān)閉設(shè)備?其中,最重要的函數(shù)是DeviceIoControl(),它的功能是完成應(yīng)用程序與驅(qū)動程序之間數(shù)據(jù)的交換?DeviceIoControl()函數(shù)的具體格式為:
BOOL DeviceIoControl(
HANDLE hDevice, //外設(shè)句柄
DWORD dwIoControlCode, //I/O操作控制代碼
LPVOID IpInBuffer, //輸入緩沖區(qū)指針
DWORD nInBufferSize, //輸入緩沖區(qū)大小
LPVOID IpOutBuffer, //輸出緩沖區(qū)指針
DWORD nOutBufferSize, //輸出緩沖區(qū)大小
LPDWORD IpBytesReturned, //實際返回的字節(jié)數(shù)
LPOVERLAPPED IpOverLapped //用于異步操作的結(jié)構(gòu)指針
);
（2）外圍USB設(shè)備——LON卡的軟件設(shè)計
這一部分的軟件編寫也包括兩部分?一部分為對主CPU(EZ-USB)的編寫?USB內(nèi)核功能強大,可以自動完成USB協(xié)議的轉(zhuǎn)換,從而大大簡化了8051的代碼?采用C51語言,并使用EZ-USB的固件函數(shù)庫和程序框架?框架完成了一個簡單的任務(wù)循環(huán),用戶函數(shù)TD_Poll()能夠?qū)崿F(xiàn)USB外設(shè)的功能?因為從CPU(Neuron Chip)的并行模式是芯片內(nèi)部定義的,遵從虛擬的寫令牌傳遞協(xié)議,所以需要編寫芯片EZ-USB的程序來模擬3150的I/O并行口的從A模式?所以TD_Poll()函數(shù)主要完成四項工作:與輔CPU同步?握手?令牌的傳送以及并行口數(shù)據(jù)的讀寫?
另一部分為從CPU的軟件程序的編寫,用神經(jīng)元的編程語言即Neuron C語言完成?從CPU主要完成將并口得到的報文解析,再利用Neuron C的消息傳送機制,將解析的消息傳送給適配器下層的應(yīng)用節(jié)點;同時,還將從適配器下層的應(yīng)用節(jié)點以消息形式傳送上來的數(shù)據(jù)或信息構(gòu)造成EZ-USB可識別的報文,通過并口傳送給EZ-USB?由從機內(nèi)部定義的與并行I/O對象有關(guān)的函數(shù)主要有:
io_in_ready():當(dāng)并口上有數(shù)據(jù)傳送到來時,此函數(shù)值為TRUE?此時可調(diào)用io_in?穴?雪函數(shù)接收數(shù)據(jù)?
io_out_request():此函數(shù)用來向并口總線發(fā)出請求以獲取令牌?
io_out_ready():當(dāng)并口總線處于可寫狀態(tài)即3150獲取到令牌后,此函數(shù)值為TRUE,此時可調(diào)用io_out()函數(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送到并口?在調(diào)用此函數(shù)之前應(yīng)先調(diào)用io_out_request()?
io_in(): 將并口上的數(shù)據(jù)接收到緩沖區(qū)?
io_out():將緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)發(fā)送到并口總線上?
本文設(shè)計的LON卡在結(jié)構(gòu)上采用雙CPU設(shè)計,具有結(jié)構(gòu)簡單?小型化的特點,非常適合用于測控系統(tǒng)?在軟件設(shè)計中,突出模塊的靈活性,并且USB內(nèi)核可以自動完成USB協(xié)議的轉(zhuǎn)換,大大簡化了8051的代碼?總之,本LON卡具有組態(tài)靈活?成本低?可靠性好?通信能力強等優(yōu)點,在工業(yè)控制?樓宇自動化等諸多領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景?
