摘? 要: 以51單片機為核心連接LON現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)互連適配器的設(shè)計方案,描述了神經(jīng)元芯片" title="神經(jīng)元芯片">神經(jīng)元芯片使用并行I/O" title="I/O">I/O模式與51單片機通信的方法,介紹了51單片機控制以太網(wǎng)控制芯片8019as的方法。并采用C51語言實現(xiàn)UDP傳輸,完成了系統(tǒng)的調(diào)試與驗證。

　　關(guān)鍵詞: Lonworks? 以太網(wǎng)? RTL8019as? 80C51單片機

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　　隨著互聯(lián)" title="互聯(lián)">互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,在使用計算機進行互聯(lián)的同時,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)在實時性和可靠性的先天不足,各種現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)運而生;更因為其徹底的開放性、分散性和完全可互操作性等特點,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)的先進性,逐漸壟斷了商用計算機的通信領(lǐng)域和過程控制領(lǐng)域的上層信息管理與通信。為實現(xiàn)上層管理網(wǎng)絡(luò)與下層控制網(wǎng)絡(luò)的集成,在實際中必須實現(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,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,實現(xiàn)透明傳輸。

1 互連適配器硬件電路設(shè)計

　　適配器使用的主要芯片為神經(jīng)元芯片TMPN3150、51單片機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I/O口,編程人員可以定義多個引腳為輸入/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)計的適配器采用Neuron芯片預(yù)定義的并行I/O對象,實現(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。并行口的速率可達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,與單片機連接如表1所示。

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　　從A模式中,Neuron芯片為從機,51單片機為主機。主機與從機間的數(shù)據(jù)傳輸通過虛擬的寫令牌傳遞協(xié)議(Virtual Write Token-Passing Protocol)實現(xiàn)。主機和從機交替地獲得寫令牌,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(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。

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1.2 以太網(wǎng)通信模塊

　　以太網(wǎng)通信模塊由51單片機和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。實際上它是雙端口RAM,可以同時被網(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,再通過遠端DMA接口對RTL8019as內(nèi)部RAM進行讀寫即可。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,地址偏移量為00H~1FH(對應(yīng)于240H～25FH)。對于8位操作方式,32個地址中只有18個有用:00H～0FH共16個寄存器地址,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與單片機的連接如表4所示。

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　　本適配器使用UDP傳送數(shù)據(jù),同時支持ICMP的回應(yīng)應(yīng)答和回應(yīng)請求報文(Ping命令),單片機發(fā)往RTL8019as的數(shù)據(jù)幀格式如表5所示。

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　　用單片機實現(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

　　由于P89C51RD2只有四個8位I/O口,無法同時與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進行片選。當(dāng)P2.5高電平時,RTL8019as地址(1XXXXX)有效,被選中。Max232作為單片機的下載線,互聯(lián)適配器也可使用RS232口與計算機通信。

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2 互連適配器的軟件設(shè)計

　　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,可方便地移植到其他51核心單片機上。

2.1 適配器的初始化

　　P89C51單片機和TMPN3150之間先建立握手信號,即HS信號有效(由TMPN3150的固件自動實現(xiàn));然后,主機發(fā)送一個CMD_RESYNC命令,要求從機同步,而從機接收到這個信號后,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)點地址),再由89C51對RTL8019的頁0與頁1相關(guān)寄存器進行初始化,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)過實驗比較,在最后具體實現(xiàn)時,選擇LON最大為每幀64字節(jié),盡量做到每收10個LON幀,發(fā)一個以太網(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

　　Lonworks現(xiàn)場總線使用網(wǎng)絡(luò)變量" title="網(wǎng)絡(luò)變量">網(wǎng)絡(luò)變量的方式傳送數(shù)據(jù)。一個網(wǎng)絡(luò)變量是Lonworks網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的一個對象,各個節(jié)點之間的聯(lián)系通過網(wǎng)絡(luò)變量實現(xiàn)。當(dāng)一個網(wǎng)絡(luò)變量在一個節(jié)點中被應(yīng)用程序改變時,LonTalk協(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,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編寫了一個簡單的設(shè)備監(jiān)控軟件。實驗中,它能同時管理16路的數(shù)據(jù)采集和控制,適配器達到了12kbps的峰值速率。實驗?zāi)Ｐ腿鐖D3所示。

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參考文獻

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2 赫爾德, 吉爾伯特.以太網(wǎng)(第三版).北京:人民郵電出版社,2000

3 RTL8019as用戶手冊. REALTEK半導(dǎo)體公司.2000