原创 LON现场控制网络到以太网互连适配器的设计

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摘要：以５１单片机为核心连接ＬＯＮ现场控制网络与以太网互连适配器的设计方案，描述了神经元芯片使用并行Ｉ／Ｏ模式与５１单片机通信的方法，介绍了５１单片机控制以太网控制芯片８０１９ａｓ的方法。并采用Ｃ５１语言实现ＵＤＰ传输，完成了系统的调试与验证。

 关键词：Ｌｏｎｗｏｒｋｓ 以太网 ＲＴＬ８０１９ａｓ隔离变压器YL18-1001D ８０Ｃ５１单片机

随着互联网的发展，在使用计算机进行互联的同时，各种智能家电、工业控制、智能仪器仪表、数据采集都在逐步趋向网络化。但由于以太网在实时性和可靠性的先天不足，各种现场总线技术应运而生；更因为其彻底的开放性、分散性和完全可互操作性等特点，正成为未来新型工业控制系统的发展方向。以太网以其应用的广泛性和技术的先进性，逐渐垄断了商用计算机的通信领域和过程控制领域的上层信息管理与通信。为实现上层管理网络与下层控制网络的集成，在实际中必须实现现场总线与以太网互联。

Ｌｏｎｗｏｒｋｓ现场总线是美国Ｅｃｈｅｌｏｎ公司１９９１年推出的局部操作网络。Ｌｏｎｗｏｒｋｓ现场总线在网络通信方面具有突出优点，如网络物理层支持多种通信介质，支持多种网络拓扑结构等。目前使用Ｌｏｎｗｏｒｋｓ技术的产品广泛应用于工业、楼宇、家庭、能源等自动化领域。本文提出的适配器连接方案，能将ＬＯＮ控制网与以太网无缝连接，实现透明传输。

图1 互连适配器的电路框图

１ 互连适配器硬件电路设计

适配器使用的主要芯片为神经元芯片ＴＭＰＮ３１５０、５１单片机８９Ｃ５１ＲＤ和以太网控制器ＲＴＬ８０１９ａｓ。主要分为Ｌｏｎｗｏｒｋｓ控制模块、协议转换模块和以太网通信模块。其中，协议转换由单片机内部软件完成。

１．１ Ｌｏｎｗｏｒｋｓ控制模块

Ｌｏｎｗｏｒｋｓ控制模块主要完成对ＬＯＮ网数据的管理并向单片机传输数据，其核心是神经元芯片。神经元芯片与其他设备的互连是通过其１１个Ｉ／Ｏ口，编程人员可以定义多个引脚为输入／输出对象。用户程序可通过ｉｏ＿ｉｎ（）和ｉｏ＿ｏｕｔ（）访问这些Ｉ／Ｏ对象，并在程序执行期间完成输入／输出操作。本文设计的适配器采用Ｎｅｕｒｏｎ芯片预定义的并行Ｉ／Ｏ对象，实现了高数据速率和全双工工作方式。

并行Ｉ／Ｏ对象利用Ｎｅｕｒｏｎ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。并行口的速率可达３．３Ｍｂｐｓ，工作方式有三种，即主模式、从Ａ模式和从Ｂ模式。不同的模式下，ＩＯ８～ＩＯ１０这三根控制信号线的意义不同。本文应用从Ａ模式与单片机连接如表１所示。

表1 Neuron芯片与单片机的连接

从Ａ模式中，Ｎｅｕｒｏｎ芯片为从机，５１单片机为主机。主机与从机间的数据传输通过虚拟的写令牌传递协议（ＶｉｒｔｕａｌＷｒｉｔｅ Ｔｏｋｅｎ－Ｐａｓｓｉｎｇ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）实现。主机和从机交替地获得写令牌，只有拥有写令牌的一方可以写数据（不超过２５５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。写数据和传递空令牌的格式分别如表２、表３所示。

表2 写数据的格式

表3 传递空令牌的格式

１．２ 以太网通信模块

以太网通信模块由５１单片机和ＲＴＬ８０１９ａｓ及隔离变压器YL18-1001D组成。以太网控制器ＲＴＬ８０１９ａｓ由台湾Ｒｅａｌｔｅｋ公司生产，１００脚ＰＱＦＰ封装。它支持８／１６位数据总线及１６个Ｉ／Ｏ基地址选择，使用Ｎｅ２０００兼容的寄存器结构。它有一块１６Ｋ字节的ＲＡＭ，地址为０ｘ４０００～０ｘ７ｆｆｆ。实际上它是双端口ＲＡＭ，可以同时被网卡读／写和用户读／写，相互之间不影响。网卡读写比用户读写的优先级高。ＲＡＭ分页存储，每２５６字节称为一页。将前１２页作为发送缓冲区（０ｘ４０００～０ｘ４ｂｆｆ），后５２页作为接收缓冲区（０ｘ４ｃ００～０ｘ７ｆｆｆ）。

以太网的介质访问控制、ＣＲＣ校验及数据帧的接收和发送都由网卡自动完成，只需将ＩＰ包加上目的ＭＡＣ地址和源地址，再通过远端ＤＭＡ接口对ＲＴＬ８０１９ａｓ内部ＲＡＭ进行读写即可。网卡的地址线共２０根。用到的网卡地址为十六进制的０２４０Ｈ～０２５ＦＨ，基地址为０２４０Ｈ，从地址２４０Ｈ～２５ＦＨ。地址线的Ａ１９～Ａ５是固定的００００００００００１００１０，只需５根地址线即可。所以ＲＴＬ８０１９ａｓ输入输出地址共３２个，地址偏移量为００Ｈ～１ＦＨ（对应于２４０Ｈ～２５ＦＨ）。对于８位操作方式，３２个地址中只有１８个有用：００Ｈ～０ＦＨ共１６个寄存器地址，１０Ｈ为ＤＭＡ地址，１ＦＨ为复位地址。本适配器采用轮询方式，不使用中断。故ＲＴＬ８０１９ａｓ与单片机的连接如表４所示。

表4 RTL8019as单片的连接

表5 单片机发往RTL8019as的数据格式

本适配器使用ＵＤＰ传送数据，同时支持ＩＣＭＰ的回应应答和回应请求报文（Ｐｉｎｇ命令），单片机发往ＲＴＬ８０１９ａｓ的数据帧格式如表５所示。

用单片机实现ＵＤＰ协议要作一些简化，不考虑数据分片和优先权。因此，在ＩＰ首部中不讨论服务类型和标志偏移域，只需填“０”即可。

１．３ 互连适配器的硬件电路设计

由于Ｐ８９Ｃ５１ＲＤ２只有四个８位Ｉ／Ｏ口，无法同时与ＲＴＬ８０１９ａｓ 和ＴＭＰＮ３１５０通信，故使用Ｐ０口作为数据总线。Ｐ２．５作为片选信号，高电平为ＲＴＬ８０１９ａｓ，低电平为ＴＭＰＮ３１５０。图１给出了互连适配器的电路框图。其中３１５０和ＲＴＬ８０１９ａｓ复用同一条８位数据线，依靠Ｐ２．５进行片选。当Ｐ２．５高电平时，ＲＴＬ８０１９ａｓ地址（１ＸＸＸＸＸ）有效，被选中。Ｍａｘ２３２作为单片机的下载线，互联适配器也可使用ＲＳ２３２口与计算机通信。

图2 适配器工作流程图

２ 互连适配器的软件设计

适配器的软件编写包括两部分：一部分是ＴＭＰＮ３１５０上用Ｎｅｕｒｏｎ Ｃ语言编写；另一部分是在Ｐ８９Ｃ５１上用Ｃ５１语言开发ＴＣＰ／ＩＰ协议栈和与ＴＭＰＮ３１５０、ＲＴＬ８０１９ａｓ的通信软件，可读性强，可方便地移植到其他５１核心单片机上。

２．１ 适配器的初始化

Ｐ８９Ｃ５１单片机和ＴＭＰＮ３１５０之间先建立握手信号，即ＨＳ信号有效（由ＴＭＰＮ３１５０的固件自动实现）；然后，主机发送一个ＣＭＤ＿ＲＥＳＹＮＣ命令，要求从机同步，而从机接收到这个信号后，则发送ＣＭＤ＿ＡＣＫＳＹＮＣ，表示已同步，可以通信了。ＲＴＬ８０１９在通信前要先读取９３Ｃ４６的内容并设置内部寄存器的值（配置寄存器ＣＯＮＦＩＧ１～４，网络节点地址），再由８９Ｃ５１对ＲＴＬ８０１９的页０与页１相关寄存器进行初始化，即可正常工作。

２．２ 适配器工作流程

考虑到ＬＯＮ网主要作为监控网络，特别在楼宇自动化中的监控，由ＬＯＮ网发往以太网的数据较多，应首先保证其优先权。且８９Ｃ５１ＲＤ只有１０２４字节的内存，无法处理大的以太网帧。经过实验比较，在最后具体实现时，选择ＬＯＮ最大为每帧６４字节，尽量做到每收１０个ＬＯＮ帧，发一个以太网帧，流程如图２所示。
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    ２．３ 服务器监控软件的设计

Ｌｏｎｗｏｒｋｓ现场总线使用网络变量的方式传送数据。一个网络变量是Ｌｏｎｗｏｒｋｓ网络节点的一个对象，各个节点之间的联系通过网络变量实现。当一个网络变量在一个节点中被应用程序改变时，ＬｏｎＴａｌｋ协议自动将新值构成隐式消息透明地发往可与之共享的其他节点，而应用程序则不必考虑发送、接收和寻址的问题。安装在服务器上的监控软件将需要改变的网络变量数据利用ＵＤＰ通过以太网发往指定ＩＰ地址的适配器，适配器将自动完成各个数据向相应设备的传输。同样，适配器也将设备发来的网络变量使用ＵＤＰ发往指定ＩＰ的服务器。使用Ｄｅｌｐｈｉ６．０编写了一个简单的设备监控软件。实验中，它能同时管理１６路的数据采集和控制，适配器达到了１２ｋｂｐｓ的峰值速率。实验模型如图３所示。