摘?要: LonWorks技術的核心是神經元芯片" title="神經元芯片">神經元芯片，介紹了神經元芯片的一種I/O" title="I/O">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(lián)" title="互聯(lián)">互聯(lián)適配器。
關鍵詞: LonWorks? 神經元芯片? 并行口I/O模式? EZ-USB
??? LonWorks技術是美國Echelon公司于上世紀90年代初推出的一種現(xiàn)場總線技術。LON(Local Operating Network)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(xiàn)場總線在網絡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各個領域的測控系統(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" title="EZ-USB">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(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(lián)，又實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的交換?；ヂ?lián)適配器作為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(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。當現(xiàn)場的測控設備有數(shù)據(jù)送到LonWorks網絡上時，互聯(lián)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(shù)據(jù)按LonWorks現(xiàn)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(lián)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。
1.2 工作原理
互聯(lián)適配器中采用Neuron芯片預定義的并口I/O應用模式實現(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" title="令牌">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外部設備，通過互聯(lián)適配器與LON網各現(xiàn)場節(jié)點通信，其實質就是互聯(lián)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(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)結束。在從A方式中，整個握手/應答協(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，也即是復制Neuron芯片的行為，從而實現(xiàn)雙方的通信。
2 硬件設計
??? 互聯(lián)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， 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(lián)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Neuron C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(shù)據(jù)緩沖區(qū)進行數(shù)據(jù)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。
??? 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芯片中包含內部程序/數(shù)據(jù)RAM共8KB，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)。
3 軟件設計
??? 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(lián)適配器程序的軟件設計。
3.1 USB主機的軟件設計
??? 主機的軟件設計主要包括兩部分:一是基于USB的互聯(lián)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Microsoft WDM DDK和Microsoft Visual C++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(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)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?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)可以訪問互聯(lián)適配器的應用程序，可使用任何一個支持win32函數(shù)CreateFile()和DeviceIoControl()的編譯器。首先調用CreateFile()函數(shù)，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(shù)參數(shù)。然后調用DeviceIoControl()函數(shù)來提交I/O控制碼，并且為CreateFile()函數(shù)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(shù)是DeviceIoControl()，它的功能是完成應用程序與驅動程序之間數(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???????//用于異步操作的結構指針
??? );
3.2 外圍USB設備——互聯(lián)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(shù)庫和程序框架?？蚣芡瓿闪艘粋€簡單的任務循環(huán)，用戶函數(shù)TD_Poll()能夠實現(xiàn)USB外設的功能。因為從CPU(Neuron Chip)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(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(shù)據(jù)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(shù)主要有:
??? io_in_ready():當并口上有數(shù)據(jù)傳送到來時，此函數(shù)值為TRUE。此時可調用io_in()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，此時可調用io_out()函數(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送到并口。在調用此函數(shù)之前應先調用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。
??? 本文設計的互聯(lián)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?，本適配器具有組態(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。
?
參考文獻
1 Neuron C Programmer’s Guide. ECHELON公司，1995
2 Neuron C Reference Guide.ECHELON公司，1995
3 Neuron Chip Data Book.ECHELON公司，1995
4 楊育紅.LON網絡控制技術及應用.西安:西安電子科技大學出版社，1999
5 楊育紅. LON網絡程序設計.西安: 西安電子科技大學出版社，2001
6 顏榮江. EZ-USB2100系列單片機原理、編程及應用.北京:北京航空航天大學出版社，2002