摘?要: LonWorks技術(shù)的核心是神經(jīng)元芯片" title="神經(jīng)元芯片">神經(jīng)元芯片，介紹了神經(jīng)元芯片的一種I/O" title="I/O">I/O應(yīng)用模式——并行口I/O模式，并介紹了基于此I/O模式設(shè)計(jì)開發(fā)的LonWorks協(xié)議與USB標(biāo)準(zhǔn)的互聯(lián)" title="互聯(lián)">互聯(lián)適配器。

　　關(guān)鍵詞: LonWorks? 神經(jīng)元芯片? 并行口I/O模式? EZ-USB

??? LonWorks技術(shù)是美國Echelon公司于上世紀(jì)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(gè)完整的技術(shù)平臺(tái)，LonWorks現(xiàn)場總線在網(wǎng)絡(luò)通訊方面具有突出的優(yōu)點(diǎn)，作為現(xiàn)場總線中的佼佼者在國內(nèi)各個(gè)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(diǎn)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(dòng)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(jī)(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(jī)。該單片機(jī)極大地降低了USB外設(shè)的開發(fā)難度，為PC機(jī)外設(shè)的制造商提供了一個(gè)性能優(yōu)良、價(jià)格較低的設(shè)計(jì)方案。采用USB接口設(shè)計(jì)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。

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。

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????互聯(lián)適配器是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(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的交換?；ヂ?lián)適配器作為LON網(wǎng)的一個(gè)特殊的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)——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(diǎn)進(jìn)行對等的數(shù)據(jù)通信，起到上傳下達(dá)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(shí)，互聯(lián)適配器負(fù)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(bào)文重新打包裝幀，向PC/Laptop發(fā)送。同時(shí)，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(bào)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(jī)，互聯(lián)適配器只是USB外部設(shè)備。在整個(gè)USB系統(tǒng)中只有一個(gè)主控制器，即主機(jī)(PC/Laptop)，主機(jī)是總線控制者，USB設(shè)備響應(yīng)主機(jī)請求。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)部分也是針對主機(jī)和外部設(shè)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(yù)定義的并口I/O應(yīng)用模式實(shí)現(xiàn)雙CPU的通信，并行口的速率可達(dá)3.3Mbps，實(shí)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(gè)I/O口進(jìn)行通信，其中，IO0～I(xiàn)O7為雙向數(shù)據(jù)線，IO8～I(xiàn)O10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(shí)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(jī)與Neuron芯片互連。主機(jī)PC/Laptop控制USB外部設(shè)備，通過互聯(lián)適配器與LON網(wǎng)各現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)通信，其實(shí)質(zhì)就是互聯(lián)適配器中EZ-USB單片機(jī)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～I(xiàn)O10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(rèn)為Neuron芯片為從CPU，EZ-USB單片機(jī)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(shí)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(gè)字節(jié))，或者不寫任何數(shù)據(jù)傳送一個(gè)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(jī)同步)、CMD_ACKSYNC(確認(rèn)同步)四種，最后以EOM字節(jié)結(jié)束。在從A方式中，整個(gè)握手/應(yīng)答協(xié)議以及數(shù)據(jù)傳送的實(shí)現(xiàn)過程是自動(dòng)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(dòng)實(shí)現(xiàn))。然后，主CPU再送一個(gè)CMD_RESYNC命令，要求從CPU同步，而從CPU接收到這個(gè)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(jī)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(shí)現(xiàn)是自動(dòng)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(shí)現(xiàn)雙方的通信。

2 硬件設(shè)計(jì)

??? 互聯(lián)適配器的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，主要由神經(jīng)元芯片和EZ-USB單片機(jī)組成。

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??? 神經(jīng)元芯片(Neuron Chip)是LonWorks技術(shù)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(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(chǔ)器，適合更為復(fù)雜的應(yīng)用，而TMPN3120則不支持外部存儲(chǔ)器，它本身帶ROM。所以，在互聯(lián)適配器的設(shè)計(jì)中選用的是TMPN3150，該芯片內(nèi)有三個(gè)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(jìn)行外圍電路的設(shè)計(jì)和擴(kuò)展，使之成為LonWorks網(wǎng)上的一個(gè)特殊的LON節(jié)點(diǎn)，這樣它不僅可以與LonWorks網(wǎng)絡(luò)上的LON節(jié)點(diǎn)進(jìn)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)器，如RAM、ROM、EEPROM或FLASH等。由于開發(fā)Neuron芯片時(shí)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(jìn)行數(shù)據(jù)交換，而僅僅利用3150內(nèi)部的2KRAM空間是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因此擴(kuò)展了外部存儲(chǔ)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(dòng)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(jī)采用的是EZ-USB2100系列中具有44個(gè)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，不再需要ROM或其它非易失性存儲(chǔ)器。主CPU與輔CPU的連接很簡單，即與輔CPU的11個(gè)I/O口進(jìn)行連接。單片機(jī)的PB口接上輔CPU的IO0~IO7，為兩個(gè)CPU的并行通訊數(shù)據(jù)端口。單片機(jī)的PC0～PC2分別接神經(jīng)元芯片IO8～I(xiàn)O10，完成控制功能。AN2131S再通過引腳USBD+和USBD-與主機(jī)PC/Laptop互聯(lián)。

3 軟件設(shè)計(jì)

??? 適配器的軟件程序設(shè)計(jì)分為兩大塊。一塊為對主機(jī)PC/Laptop程序的軟件設(shè)計(jì)，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(jì)。

3.1 USB主機(jī)的軟件設(shè)計(jì)

??? 主機(jī)的軟件設(shè)計(jì)主要包括兩部分:一是基于USB的互聯(lián)適配器的驅(qū)動(dòng)程序。如圖3所示，USB通信使用分層驅(qū)動(dòng)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(dòng)。這里使用Microsoft WDM DDK和Microsoft Visual C++6.0來完成。

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??? 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(jìn)行的。USB系統(tǒng)軟件通過缺省管道(與端點(diǎn)0相對應(yīng))管理設(shè)備，設(shè)備驅(qū)動(dòng)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(gè)用于塊傳輸?shù)亩它c(diǎn)，包括7個(gè)IN端點(diǎn)(EP1_IN~EP7_IN)和7個(gè)OUT端點(diǎn)(EP1_ OUT～EP7_OUT)。每個(gè)端點(diǎn)都有一個(gè)64字節(jié)的緩沖區(qū)。塊端點(diǎn)無方向控制，一個(gè)端點(diǎn)地址對應(yīng)一個(gè)方向，所以端點(diǎn)IN1的地址不同于端點(diǎn)OUT1的地址，本適配器就采用這對端點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)。其中，端點(diǎn)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(diǎn)，用于傳輸控制信息。

??? 開發(fā)可以訪問互聯(lián)適配器的應(yīng)用程序，可使用任何一個(gè)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(dòng)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(dòng)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(shí)際返回的字節(jié)數(shù)

?????? LPOVERLAPPED? IpOverLapped???????//用于異步操作的結(jié)構(gòu)指針

??? );

3.2 外圍USB設(shè)備——互聯(lián)適配器的軟件設(shè)計(jì)

??? 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(qiáng)大，可以自動(dòng)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?？蚣芡瓿闪艘粋€(gè)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?yàn)閺腃PU(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(xiàng)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(bào)文解析，再利用Neuron C的消息傳送機(jī)制，將解析的消息傳送給適配器下層的應(yīng)用節(jié)點(diǎn);同時(shí)，還將從適配器下層的應(yīng)用節(jié)點(diǎn)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(shí)別的報(bào)文，通過并口傳送給EZ-USB。由從機(jī)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(shí)，此函數(shù)值為TRUE。此時(shí)可調(diào)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(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(shí)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(jì)的互聯(lián)適配器在結(jié)構(gòu)上采用雙CPU設(shè)計(jì)，具有結(jié)構(gòu)簡單、小型化的特點(diǎn)，非常適合用于測控系統(tǒng)。在軟件設(shè)計(jì)中，突出模塊的靈活性，并且USB內(nèi)核可以自動(dòng)完成USB協(xié)議的轉(zhuǎn)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(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)控制、樓宇自動(dòng)化等諸多領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

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參考文獻(xiàn)

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2 Neuron C Reference Guide.ECHELON公司，1995

3 Neuron Chip Data Book.ECHELON公司，1995

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5 楊育紅. LON網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計(jì).西安: 西安電子科技大學(xué)出版社，2001

6 顏榮江. EZ-USB2100系列單片機(jī)原理、編程及應(yīng)用.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2002