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      1. LonWorks-USB互聯適配器的設計開發

        時間:2024-09-10 06:44:00 理工畢業論文 我要投稿
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        LonWorks-USB互聯適配器的設計開發

        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模式設計開發的LonWorks協議與USB標準的互聯適配器。

        LonWorks技術是美國Echelon公司于上世紀90年代初推出的一種現場總線技術。LON(Local Operating Network)的意思為局部操作網絡,它是用于開發監控網絡系統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點,作為現場總線中的佼佼者在國內各個領域的測控系統中廣泛流行。

        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外設的開發難度,為PC機外設的制造商提供了一個性能優良、價格較低的設計方案。采用USB接口設計開發的LON網互聯適配器很好地解決了傳統適配器由于RS-232與PC/Laptop互聯而造成的速度上的瓶頸。

        1 系統框圖及工作原理

        1.1系統框圖

        系統框圖如圖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。互聯適配器作為LON網的一個特殊的網絡節點——通信處理器,能按照LonTalk協議與LonWorks總線上所有分布在現場的智能節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送給它的信息接收下來,將測控設備發送來的LonTalk顯式報文重新打包裝幀,向PC/Laptop發送。同時,它將從PC/Laptop接收來的已解析的數據按LonWorks現場總線通信協議構造LonTalk顯式報文,發送給LonWorks網上的測控設備。

        相對USB系統而言,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議(Virtual Write Token-Passing Protocol)得以實現。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據(不超過255個字節),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字節結束。在從A方式中,整個握手/應答協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

        2 硬件設計

        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(Neuron Chip)是LonWorks技術的核心?熏 芯片中含有Lontalk協議的固態軟件(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節點,這樣它不僅可以與LonWorks網絡上的LON節點進行通信,還可以作為適配器的協通信處理器。

        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

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