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LonWorks-USB互聯適配器的設計開發(fā)
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(fā)的LonWorks協(xié)議與USB標準的互聯適配器。關鍵詞：LonWorks神經元芯片并行口I/O模式EZ-USB
�。蹋铮睿祝铮颍耄蠹夹g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（ＬｏｃａｌＯｐｅｒａｔｉｎｇＮｅｔｗｏｒｋ）的意思為局部操作網絡，它是用于開發(fā)監(jiān)控網絡系統(tǒng)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(yōu)點，作為現場總線中的佼佼者在國內各個領域的測控系統(tǒng)中廣泛流行。
通用串行總線（ＵｎｉｖｅｒｓａｌＳｅｒｉａｌＢｕｓ，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(tǒng)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(fā)難度，為ＰＣ機外設的制造商提供了一個性能優(yōu)良、價格較低的設計方案。采用ＵＳＢ接口設計開發(fā)的ＬＯＮ網互聯適配器很好地解決了傳統(tǒng)適配器由于ＲＳ－２３２與ＰＣ／Ｌａｐｔｏｐ互聯而造成的速度上的瓶頸。
�。毕到y(tǒng)框圖及工作原理
�。保毕到y(tǒng)框圖
系統(tǒng)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�；ヂ撨m配器作為ＬＯＮ網的一個特殊的網絡節(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場的智能節(jié)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(fā)送給它的信息接收下來，將測控設備發(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據按ＬｏｎＷｏｒｋｓ現場總線通信協(xié)議構造ＬｏｎＴａｌｋ顯式報文，發(fā)送給ＬｏｎＷｏｒｋｓ網上的測控設備。
相對ＵＳＢ系統(tǒng)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(tǒng)中只有一個主控制器，即主機（ＰＣ／Ｌａｐｔｏｐ），主機是總線控制者，ＵＳＢ設備響應主機請求。系統(tǒng)軟件設計部分也是針對主機和外部設備這兩部分展開的。
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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(xié)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(jié)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(xié)議（ＶｉｒｔｕａｌＷｒｉｔｅＴｏｋｅｎ－ＰａｓｓｉｎｇＰｒｏｔｏｃｏｌ）得以實現。主ＣＰＵ和從ＣＰＵ交替地獲得寫令牌（ＷｒｉｔｅＴｏｋｅｎ），只有擁有寫令牌的一方可以寫數據（不超過２５５個字節(jié)），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(jié)結束。在從Ａ方式中，整個握手／應答協(xié)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(fā)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(zhí)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
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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（ＮｅｕｒｏｎＣｈｉｐ）是ＬｏｎＷｏｒｋｓ技術的核心?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(jié)點，這樣它不僅可以與ＬｏｎＷｏｒｋｓ網絡上的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ＮｅｕｒｏｎＣ語言，內存占用大，另外其作為通信協(xié)議處理器使用要求有大量的數據緩沖區(qū)進行數據交換，而僅僅利用３１５０內部的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及相關的邏輯門電路來確定。神經元芯片的晶振為１０ＭＨｚ。Ｎｅｕｒｏｎ芯片與ＬＯＮ的網絡介質的接口采用上海工業(yè)自動化儀表研究所生產的雙絞線收發(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。
�。牛冢眨樱聠纹瑱C采用的是ＥＺ－ＵＳＢ２１００系列中具有４４個引腳的ＡＮ２１３１Ｓ。ＡＮ２１３１Ｓ是互聯適配器的主ＣＰＵ，利用其Ｉ／Ｏ端口足以完成所需的功能。ＥＺ－ＵＳＢ芯片中包含內部程序／數據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的并行通訊數據端口。單片機的ＰＣ０～ＰＣ２分別接神經元芯片ＩＯ８～ＩＯ１０，完成控制功能。ＡＮ２１３１Ｓ再通過引腳ＵＳＢＤ＋和ＵＳＢＤ－與主機ＰＣ／Ｌａｐｔｏｐ互聯。
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適配器的軟件程序設計分為兩大塊。一塊為對主機ＰＣ／Ｌａｐｔｏｐ程序的軟件設計，另一塊為對外圍ＵＳＢ設備——互聯適配器程序的軟件設計。
�。常保眨樱轮鳈C的軟件設計
主機的軟件設計主要包括兩部分：一是基于ＵＳＢ的互聯適配器的驅動程序。如圖３所示，ＵＳＢ通信使用分層驅動模型，每層處理一部分通信過程，這樣可以使不同設備在一些任務上使用相同的驅動。這里使用ＭｉｃｒｏｓｏｆｔＷＤＭＤＤＫ和ＭｉｃｒｏｓｏｆｔＶｉｓｕａｌＣ＋＋６．０來完成。
二是ＵＳＢ通信程序和用戶服務程序。用戶服務程序通過ＵＳＢ通信程序與系統(tǒng)ＵＳＢＤＩ(ＵＳＢＤｅｖｉｃｅＩｎｔｅｒｆａｃｅ)通信，由系統(tǒng)完成ＵＳＢ協(xié)議的處理與數據傳輸。從邏輯上講，ＵＳＢ數據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）管理設備，設備驅動程序通過其它的管道來管理設備的功能接口。為了滿足不同外設和用戶的要求，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個用于塊傳輸的端點，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據。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)可以訪問互聯適配器的應用程序，可使用任何一個支持ｗｉｎ３２函數ＣｒｅａｔｅＦｉｌｅ()和ＤｅｖｉｃｅＩｏＣｏｎｔｒｏｌ()的編譯器。首先調用ＣｒｅａｔｅＦｉｌｅ()函數，來取得訪問設備驅動程序的句柄，ＣｒｅａｔｅＦｉｌｅ()使用設備的鏈接符作為函數參數。然后調用ＤｅｖｉｃｅＩｏＣｏｎｔｒｏｌ()函數來提交Ｉ／Ｏ控制碼，并且為ＣｒｅａｔｅＦｉｌｅ()函數返回的設備句柄設置Ｉ／Ｏ緩沖區(qū)。最后，還要調用ＣｌｏｓｅＨａｎｄｌｅ()關閉設備。其中，最重要的函數是ＤｅｖｉｃｅＩｏＣｏｎｔｒｏｌ()，它的功能是完成應用程序與驅動程序之間數據的交換。ＤｅｖｉｃｅＩｏＣｏｎｔｒｏｌ()函數的具體格式為：
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ＤＷＯＲＤｎＩｎＢｕｆｆｅｒＳｉｚｅ,／／輸入緩沖區(qū)大小
�。蹋校郑希桑模桑穑希酰簦拢酰妫妫澹�,／／輸出緩沖區(qū)指針
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�。蹋校希郑牛遥蹋粒校校牛模桑穑希觯澹颍蹋幔穑穑澹洌糜诋惒讲僮鞯慕Y構指針
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�。常餐鈬眨樱略O備——互聯適配器的軟件設計
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內核功能強大，可以自動完成ＵＳＢ協(xié)議的轉換，從而大大簡化了８０５１的代碼。采用Ｃ５１語言，并使用ＥＺ－ＵＳＢ的固件函數庫和程序框架�？蚣芡瓿闪艘粋�簡單的任務循環(huán)，用戶函數ＴＤ＿Ｐｏｌｌ()能夠實現ＵＳＢ外設的功能。因為從ＣＰＵ（ＮｅｕｒｏｎＣｈｉｐ）的并行模式是芯片內部定義的，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據的讀寫。
另一部分為從ＣＰＵ的軟件程序的編寫，用神經元的編程語言即ＮｅｕｒｏｎＣ語言完成。從ＣＰＵ主要完成將并口得到的報文解析，再利用ＮｅｕｒｏｎＣ的消息傳送機制，將解析的消息傳送給適配器下層的應用節(jié)點；同時，還將從適配器下層的應用節(jié)點以消息形式傳送上來的數據或信息構造成ＥＺ－ＵＳＢ可識別的報文，通過并口傳送給ＥＺ－ＵＳＢ。由從機內部定義的與并行Ｉ／Ｏ對象有關的函數主要有：
�。椋铮撸椋睿撸颍澹幔洌ǎ寒敳⒖谏嫌袛祿䝼魉偷絹頃r，此函數值為ＴＲＵＥ。此時可調用ｉｏ＿ｉｎ?穴?雪函數接收數據。
�。椋铮撸铮酰簦撸颍澹瘢酰澹螅簦ǎ捍撕瘮涤脕硐虿⒖诳偩�發(fā)出請求以獲取令牌。
�。椋铮撸铮酰簦撸颍澹幔洌ǎ寒敳⒖诳偩�處于可寫狀態(tài)即３１５０獲取到令牌后，此函數值為ＴＲＵＥ，此時可調用ｉｏ＿ｏｕｔ（）函數將數據發(fā)送到并口。在調用此函數之前應先調用ｉｏ＿ｏｕｔ＿ｒｅｑｕｅｓｔ（）。
�。椋铮撸椋睿ǎ簩⒉⒖谏系臄祿邮盏骄彌_區(qū)。
�。椋铮撸铮酰簦ǎ簩⒕彌_區(qū)的數據發(fā)送到并口總線上。
本文設計的互聯適配器在結構上采用雙ＣＰＵ設計，具有結構簡單、小型化的特點，非常適合用于測控系統(tǒng)。在軟件設計中，突出模塊的靈活性，并且ＵＳＢ內核可以自動完成ＵＳＢ協(xié)議的轉換，大大簡化了８０５１的代碼�？傊具m配器具有組態(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域有廣闊的應用前景。
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