LonWorks-USB互联适配器的设计开发

摘要：LonWorks技术的核心是神经元芯片，介绍了神经元芯片的一种I/O应用模式——并行口I／O模式，并介绍了基于此I／O模式设计开发的LonWorks协议与USB标准的互联适配器。 关键词：LonWorks 神经元芯片 并行口I/O模式 EZ-USB ＬｏｎＷｏｒｋｓ技术是美国Ｅｃｈｅｌｏｎ公司于上世纪９０年代初推出的一种现场总线技术。ＬＯＮ（Ｌｏｃａｌ Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｎｅｔｗｏｒｋ）的意思为局部操作网络，它是用于开发监控网络系统的一个完整的技术平台，ＬｏｎＷｏｒｋｓ现场总线在网络通讯方面具有突出的优点，作为现场总线中的佼佼者在国内各个领域的测控系统中广泛流行。 通用串行总线（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ，即ＵＳＢ）是一种快速、灵活的总线接口。与其它通信接口相比，ＵＳＢ总线接口最大的特点是易于使用，这主要表现在成本低、适用于多种设备、支持热插拔等方面，并且所有的配置过程都由系统自动完成，无需用户干预。目前，市场上供应的ＵＳＢ控制器主要有两种：带ＵＳＢ接口的单片机（ＭＣＵ）和纯粹的ＵＳＢ接口芯片。本文采用Ｃｙｐｒｅｓｓ公司推出的带智能ＵＳＢ接口的ＥＺ－ＵＳＢ单片机。该单片机极大地降低了ＵＳＢ外设的开发难度，为ＰＣ机外设的制造商提供了一个性能优良、价格较低的设计方案。采用ＵＳＢ接口设计开发的ＬＯＮ网互联适配器很好地解决了传统适配器由于ＲＳ－２３２与ＰＣ／Ｌａｐｔｏｐ互联而造成的速度上的瓶颈。 １ 系统框图及工作原理 １．１系统框图 系统框图如图１所示。 互联适配器是ＬＯＮ网与ＰＣ／Ｌａｐｔｏｐ的接口，在通信过程中起着关键的作用，它既完成了ＬＯＮ网与ＰＣ／Ｌａｐｔｏｐ的互联，又实现了数据的交换。互联适配器作为ＬＯＮ网的一个特殊的网络节点——通信处理器，能按照ＬｏｎＴａｌｋ协议与ＬｏｎＷｏｒｋｓ总线上所有分布在现场的智能节点进行对等的数据通信，起到上传下达的桥梁作用。当现场的测控设备有数据送到ＬｏｎＷｏｒｋｓ网络上时，互联适配器负责把所有发送给它的信息接收下来，将测控设备发送来的ＬｏｎＴａｌｋ显式报文重新打包装帧，向ＰＣ／Ｌａｐｔｏｐ发送。同时，它将从ＰＣ／Ｌａｐｔｏｐ接收来的已解析的数据按ＬｏｎＷｏｒｋｓ现场总线通信协议构造ＬｏｎＴａｌｋ显式报文，发送给ＬｏｎＷｏｒｋｓ网上的测控设备。 相对ＵＳＢ系统而言，ＰＣ／Ｌａｐｔｏｐ是ＵＳＢ主机，互联适配器只是ＵＳＢ外部设备。在整个ＵＳＢ系统中只有一个主控制器，即主机（ＰＣ／Ｌａｐｔｏｐ），主机是总线控制者，ＵＳＢ设备响应主机请求。系统软件设计部分也是针对主机和外部设备这两部分展开的。 １．２ 工作原理 互联适配器中采用Ｎｅｕｒｏｎ芯片预定义的并口Ｉ／Ｏ应用模式实现双ＣＰＵ的通信，并行口的速率可达３．３Ｍｂｐｓ，实现了高数据速率。 并行Ｉ／Ｏ应用模式下利用Ｎｅｕｒｏｎ芯片的１１个Ｉ／Ｏ口进行通信，其中，ＩＯ０～ＩＯ７为双向数据线，ＩＯ８～ＩＯ１０为控制信号线，借助令牌传递／握手协议，并行Ｉ／Ｏ口可用来外接处理器，实现Ｎｅｕｒｏｎ芯片与外接各类微处理器之间的双向数据通信，在这里采用ＥＺ－ＵＳＢ单片机与Ｎｅｕｒｏｎ芯片互连。主机ＰＣ／Ｌａｐｔｏｐ控制ＵＳＢ外部设备，通过互联适配器与ＬＯＮ网各现场节点通信，其实质就是互联适配器中ＥＺ－ＵＳＢ单片机与Ｎｅｕｒｏｎ芯片之间的通信。 并行口的工作方式有三种，即主模式、从Ａ模式、从Ｂ模式。不同的模式下，ＩＯ８～ＩＯ１０这三根控制信号线的意义不同，这里应用的是从Ａ模式。在从Ａ模式中，认为Ｎｅｕｒｏｎ芯片为从ＣＰＵ，ＥＺ－ＵＳＢ单片机为主ＣＰＵ，主ＣＰＵ和从ＣＰＵ之间的数据传输通过虚拟的写令牌传递协议（Ｖｉｒｔｕａｌ Ｗｒｉｔｅ Ｔｏｋｅｎ－Ｐａｓｓｉｎｇ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）得以实现。主ＣＰＵ和从ＣＰＵ交替地获得写令牌（Ｗｒｉｔｅ Ｔｏｋｅｎ），只有拥有写令牌的一方可以写数据（不超过２５５个字节），或者不写任何数据传送一个空令牌。传送的数据要遵从一定的格式，即在要传送的数据前面加上命令码和传送的数据长度，命令码有ＣＭＤ＿ＸＦＥＲ（写数据）、ＣＭＤ＿ＮＵＬＬ（传递空令牌）、ＣＭＤ＿ＲＥＳＹＮＣ（要求从机同步）、ＣＭＤ＿ＡＣＫＳＹＮＣ（确认同步）四种，最后以ＥＯＭ字节结束。在从Ａ方式中，整个握手／应答协议以及数据传送的实现过程是自动完成的。在通信以前，主ＣＰＵ和从ＣＰＵ之间先建立握手信号，即ＨＳ信号有效（这由３１５０的固件自动实现）。然后，主ＣＰＵ再送一个ＣＭＤ＿ＲＥＳＹＮＣ命令，要求从ＣＰＵ同步，而从ＣＰＵ接收到这个信号以后，则发送ＣＭＤ＿ＡＣＫＳＹＮＣ，表示已经同步、可以通信了。同步以后，虚写令牌就在主ＣＰＵ和从ＣＰＵ之间无限地、交替地传递，拥有虚写令牌的一方就可以向数据总线上写数据，即主ＣＰＵ可以往从ＣＰＵ写数据，从机也可以将数据传往主ＣＰＵ。 需要特别说明的是，Ｎｅｕｒｏｎ芯片的握手及令牌传递的实现是自动的，但是对于非Ｎｅｕｒｏｎ芯片的微处理器（ＥＺ－ＵＳＢ），就要求编程人员通过编程使非Ｎｅｕｒｏｎ芯片的微处理器能够执行Ｎｅｕｒｏｎ芯片的握手／令牌传递算法，也即是复制Ｎｅｕｒｏｎ芯片的行为，从而实现双方的通信。 图2 互联适配器硬件结构框图 ２ 硬件设计 互联适配器的结构框图如图２所示，主要由神经元芯片和ＥＺ－ＵＳＢ单片机组成。 神经元芯片（Ｎｅｕｒｏｎ Ｃｈｉｐ）是ＬｏｎＷｏｒｋｓ技术的核心?熏 芯片中含有Ｌｏｎｔａｌｋ协议的固态软件（简称固件），使其能可靠地通信。神经元芯片主要包含ＴＭＰＮ３１５０和ＴＭＰＮ３１２０两大系列，由日本东芝公司生产。ＴＭＰＮ３１５０支持外部存储器，适合更为复杂的应用，而ＴＭＰＮ３１２０则不支持外部存储器，它本身带ＲＯＭ。所以，在互联适配器的设计中选用的是ＴＭＰＮ３１５０，该芯片内有三个微处理器，即ＭＡＣ处理器、网络处理器和应用处理器。对神经元芯片进行外围电路的设计和扩展，使之成为ＬｏｎＷｏｒｋｓ网上的一个特殊的ＬＯＮ节点，这样它不仅可以与ＬｏｎＷｏｒｋｓ网络上的ＬＯＮ节点进行通信，还可以作为适配器的协通信处理器。 ＴＭＰＮ３１５０片内存储器的地址范围是Ｅ８００Ｈ～ＦＦＦＦＨ，包括２ＫＢ的ＲＡＭ、０．５ＫＢ的ＥＥＰＲＯＭ、２．５ＫＢ保留空间和１ＫＢ的用于存储器映象Ｉ／Ｏ的空间。ＴＭＰＮ３１５０有１６根地址线，可寻址６４Ｋ空间，可以外接存储器，如ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ或ＦＬＡＳＨ等。由于开发Ｎｅｕｒｏｎ芯片时采用Ｎｅｕｒｏｎ Ｃ语言，内存占用大，另外其作为通信协议处理器使用要求有大量的数据缓冲区进行数据交换，而仅仅利用３１５０内部的２ＫＲＡＭ空间是远远不够的，因此扩展了外部存储器ＦＬＡＳＨ和ＲＡＭ。ＦＬＡＳＨ选用ＡＴ２９Ｃ５１２，其地址范围是００００Ｈ～７ＦＦＦＨ；ＲＡＭ选用ＩＳ６１Ｃ２５６ＡＨ－１５Ｎ，其地址范围是８０００Ｈ～ＤＦＦＦＨ。ＡＴ２９Ｃ５１２和ＩＳ６１Ｃ２５６ＡＨ－１５Ｎ的地址范围由Ｎｅｕｒｏｎ芯片的地址线和控制线Ｅ及相关的逻辑门电路来确定。神经元芯片的晶振为１０ＭＨｚ。Ｎｅｕｒｏｎ芯片与ＬＯＮ的网络介质的接口采用上海工业自动化仪表研究所生产的双绞线收发器。收发器按其传输速率可以分为ＴＰＴ／ＸＦ－７８（传输速率为７８ｋｂｐｓ）、ＴＰＴ／ＸＦ－１２５０（传输速率为１．２５Ｍｋｂｐｓ）两种型号，用于满足不同的通讯要求。这里选用的是ＴＰＴ／ＸＦ－１２５０。 ＥＺ－ＵＳＢ单片机采用的是ＥＺ－ＵＳＢ２１００系列中具有４４个引脚的ＡＮ２１３１Ｓ。ＡＮ２１３１Ｓ是互联适配器的主ＣＰＵ，利用其Ｉ／Ｏ端口足以完成所需的功能。ＥＺ－ＵＳＢ芯片中包含内部程序／数据ＲＡＭ共８ＫＢ?熏不再需要ＲＯＭ或其它非易失性存储器。主ＣＰＵ与辅ＣＰＵ的连接很简单，即与辅ＣＰＵ的１１个Ｉ／Ｏ口进行连接。单片机的ＰＢ口接上辅ＣＰＵ的ＩＯ０～ＩＯ７，为两个ＣＰＵ的并行通讯数据端口。单片机的ＰＣ０～ＰＣ２分别接神经元芯片ＩＯ８～ＩＯ１０，完成控制功能。ＡＮ２１３１Ｓ再通过引脚ＵＳＢＤ＋和ＵＳＢＤ－与主机ＰＣ／Ｌａｐｔｏｐ互联。 ３ 软件设计 适配器的软件程序设计分为两大块。一块为对主机ＰＣ／Ｌａｐｔｏｐ程序的软件设计，另一块为对外围ＵＳＢ设备——互联适配器程序的软件设计。 ３．１ ＵＳＢ主机的软件设计 主机的软件设计主要包括两部分：一是基于ＵＳＢ的互联适配器的驱动程序。如图３所示，ＵＳＢ通信使用分层驱动模型，每层处理一部分通信过程，这样可以使不同设备在一些任务上使用相同的驱动。这里使用Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ ＷＤＭ ＤＤＫ和Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋＋６．０来完成。 二是ＵＳＢ通信程序和用户服务程序。用户服务程序通过ＵＳＢ通信程序与系统ＵＳＢＤＩ(ＵＳＢ Ｄｅｖｉｃｅ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ)通信， 由系统完成ＵＳＢ协议的处理与数据传输。从逻辑上讲，ＵＳＢ数据的传输是通过管道进行的。ＵＳＢ系统软件通过缺省管道（与端点０相对应）管理设备，设备驱动程序通过其它的管道来管理设备的功能接口。为了满足不同外设和用户的要求，ＵＳＢ提供了四种传输方式：控制传输、同步传输、中断传输和块传输。本系统使用的是块传输。ＥＺ－ＵＳＢ提供了１６个用于块传输的端点，包括７个ＩＮ端点(ＥＰ１＿ＩＮ～ＥＰ７＿ＩＮ)和７个ＯＵＴ端点(ＥＰ１＿ ＯＵＴ～ＥＰ７＿ＯＵＴ)。每个端点都有一个６４字节的缓冲区。块端点无方向控制，一个端点地址对应一个方向，所以端点ＩＮ１的地址不同于端点ＯＵＴ１的地址，本适配器就采用这对端点传输数据。其中，端点０在ＵＳＢ系统中有特定含义，它是ＥＺ－ＵＳＢ芯片中唯一的控制端点，用于传输控制信息。 开发可以访问互联适配器的应用程序，可使用任何一个支持ｗｉｎ３２函数ＣｒｅａｔｅＦｉｌｅ()和ＤｅｖｉｃｅＩｏＣｏｎｔｒｏｌ()的编译器。首先调用ＣｒｅａｔｅＦｉｌｅ()函数，来取得访问设备驱动程序的句柄，ＣｒｅａｔｅＦｉｌｅ()使用设备的链接符作为函数参数。然后调用ＤｅｖｉｃｅＩｏＣｏｎｔｒｏｌ()函数来提交Ｉ／Ｏ控制码，并且为ＣｒｅａｔｅＦｉｌｅ()函数返回的设备句柄设置 Ｉ／Ｏ缓冲区。最后，还要调用ＣｌｏｓｅＨａｎｄｌｅ()关闭设备。其中，最重要的函数是ＤｅｖｉｃｅＩｏＣｏｎｔｒｏｌ()，它的功能是完成应用程序与驱动程序之间数据的交换。ＤｅｖｉｃｅＩｏＣｏｎｔｒｏｌ()函数的具体格式为： ＢＯＯＬ ＤｅｖｉｃｅＩｏＣｏｎｔｒｏｌ( ＨＡＮＤＬＥ ｈＤｅｖｉｃｅ， ／／外设句柄 ＤＷＯＲＤ ｄｗＩｏＣｏｎｔｒｏｌＣｏｄｅ, ／／Ｉ／Ｏ操作控制代码 ＬＰＶＯＩＤ ＩｐＩｎＢｕｆｆｅｒ, ／／输入缓冲区指针 ＤＷＯＲＤ ｎＩｎＢｕｆｆｅｒＳｉｚｅ, ／／输入缓冲区大小 ＬＰＶＯＩＤ ＩｐＯｕｔＢｕｆｆｅｒ, ／／输出缓冲区指针 ＤＷＯＲＤ ｎＯｕｔＢｕｆｆｅｒＳｉｚｅ, ／／输出缓冲区大小 ＬＰＤＷＯＲＤ ＩｐＢｙｔｅｓＲｅｔｕｒｎｅｄ, ／／实际返回的字节数 ＬＰＯＶＥＲＬＡＰＰＥＤ ＩｐＯｖｅｒＬａｐｐｅｄ ／／用于异步操作的结构指针 ）； ３．２ 外围ＵＳＢ设备——互联适配器的软件设计 这一部分的软件编写也包括两部分。一部分为对主ＣＰＵ（ＥＺ－ＵＳＢ）的编写。ＵＳＢ内核功能强大，可以自动完成ＵＳＢ协议的转换，从而大大简化了８０５１的代码。采用Ｃ５１语言，并使用ＥＺ－ＵＳＢ的固件函数库和程序框架。框架完成了一个简单的任务循环，用户函数ＴＤ＿Ｐｏｌｌ()能够实现ＵＳＢ外设的功能。因为从ＣＰＵ（Ｎｅｕｒｏｎ Ｃｈｉｐ）的并行模式是芯片内部定义的，遵从虚拟的写令牌传递协议，所以需要编写芯片ＥＺ－ＵＳＢ的程序来模拟３１５０的Ｉ／Ｏ并行口的从Ａ模式。所以ＴＤ＿Ｐｏｌｌ()函数主要完成四项工作：与辅ＣＰＵ同步、握手、令牌的传送以及并行口数据的读写。 另一部分为从ＣＰＵ的软件程序的编写，用神经元的编程语言即Ｎｅｕｒｏｎ Ｃ语言完成。从ＣＰＵ主要完成将并口得到的报文解析，再利用Ｎｅｕｒｏｎ Ｃ的消息传送机制，将解析的消息传送给适配器下层的应用节点；同时，还将从适配器下层的应用节点以消息形式传送上来的数据或信息构造成ＥＺ－ＵＳＢ可识别的报文，通过并口传送给ＥＺ－ＵＳＢ。由从机内部定义的与并行Ｉ／Ｏ对象有关的函数主要有： ｉｏ＿ｉｎ＿ｒｅａｄｙ（）：当并口上有数据传送到来时，此函数值为ＴＲＵＥ。此时可调用ｉｏ＿ｉｎ?穴?雪函数接收数据。 ｉｏ＿ｏｕｔ＿ｒｅｑｕｅｓｔ（）：此函数用来向并口总线发出请求以获取令牌。 ｉｏ＿ｏｕｔ＿ｒｅａｄｙ（）：当并口总线处于可写状态即３１５０获取到令牌后，此函数值为ＴＲＵＥ，此时可调用ｉｏ＿ｏｕｔ（）函数将数据发送到并口。在调用此函数之前应先调用ｉｏ＿ｏｕｔ＿ｒｅｑｕｅｓｔ（）。 ｉｏ＿ｉｎ（）： 将并口上的数据接收到缓冲区。 ｉｏ＿ｏｕｔ（）：将缓冲区的数据发送到并口总线上。 本文设计的互联适配器在结构上采用双ＣＰＵ设计，具有结构简单、小型化的特点，非常适合用于测控系统。在软件设计中，突出模块的灵活性，并且ＵＳＢ内核可以自动完成ＵＳＢ协议的转换，大大简化了８０５１的代码。总之，本适配器具有组态灵活、成本低、可靠性好、通信能力强等优点，在工业控制、楼宇自动化等诸多领域有广阔的应用前景。