LON總線的USB2.0接口卡的研制

2 LonWorks接口卡硬件設(shè)計(jì)
2.1 LonWorks接口卡通信原理及硬件結(jié)構(gòu)
該接口卡的工作原理如下：接口卡由LON網(wǎng)接口模塊和USB2.0接口模塊組成，如圖1所示，它采用雙CPU技術(shù)，主CPU為USB2.0控制器CY7C68013內(nèi)置的增強(qiáng)8051內(nèi)核(該內(nèi)核的運(yùn)行速度是普通8051的5倍)，主要作為協(xié)議的轉(zhuǎn)換模塊，用來(lái)完成USB2.0協(xié)議與LonTalk協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，向上與便攜PC機(jī)(或其它具有USB接口的便攜設(shè)備)進(jìn)行通信，向下與3150進(jìn)行并口通信，輔CPU為T(mén)MPN3l50，主要起LON網(wǎng)接口的功能，作為通信協(xié)處理器使用，將從主CPU接收到的來(lái)自便攜PC機(jī)(或其它具有USB接口的便攜設(shè)備)的報(bào)文解析成Lontalk協(xié)議報(bào)文并通過(guò)Lonworks收發(fā)器傳向LON網(wǎng)，或?qū)腖ON網(wǎng)上接收到的Lontalk協(xié)議報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)給主CPU，再由主CPU傳向便攜PC機(jī)(或其它具有USB接口的便攜設(shè)備)。51CPU與Neuron 3150采用并行方式通信。Neuron芯片的11個(gè)I/O有34種可選工作模式，其中包括并行I/O方式，該方式數(shù)據(jù)的最大傳送速率可達(dá)3.3Mbps。并口工作方式在數(shù)據(jù)傳送速度方面的優(yōu)勢(shì)，使得Neuron芯片與51CPU完成大數(shù)據(jù)量的傳送成為可能。它們之間的數(shù)據(jù)傳輸是通過(guò)運(yùn)用“虛寫(xiě)令牌傳遞機(jī)制”實(shí)現(xiàn)的，擁有令牌的一方擁有對(duì)數(shù)據(jù)總線的寫(xiě)控制權(quán)。
2. 2 LonWOrks接口卡硬件電路設(shè)計(jì)
該接口卡中，USB2.O控制器采用Cypress公司推出的USB2.0控制器CY7C68013，它是USB2.0的完整解決方案。該芯片包括帶8.5KB片上RAM的高速8051單片機(jī)、4KB FIFO存儲(chǔ)器以及通用可編程接口(GPIF)、串行接口引擎(SIE)和USB2.O收發(fā)器。它無(wú)需外加芯片即可完成高速USB傳輸，性?xún)r(jià)比較高。智能串行接口引擎(SIE)執(zhí)行所有基本的USB功能，將嵌入式MCU解放出來(lái)用于實(shí)現(xiàn)專(zhuān)用的功能，井保證其持續(xù)高性能的傳輸速率。通用可編程接口(GPIF)允許它“無(wú)膠粘接”，即可與任何ASIC或DSP進(jìn)行連接，并且還支持所有通用總線標(biāo)準(zhǔn)，包括ATA、UTOPIA、EPP和PCMCIA。它完全適用于USB2.0，并向下兼容USB1.1。
3150芯片選用Toshiba公司生產(chǎn)的TMPN3150。3150片內(nèi)存儲(chǔ)器的地址范圍是E800H～FFFH，包括2KB的SRAM和512B的EEPROM。3150可以外接存儲(chǔ)器，如RAM、ROM、EEPROM或Flash，其地址范圍是0000H～7FFH。根據(jù)一般應(yīng)用的性能和成本要求，3l50的外部存儲(chǔ)器采用Flash和RAM。Flash選用IS61C256AH-15N，RAM選用AT29C512。61C256和29C512的地址范圍通過(guò)邏輯門(mén)電路根據(jù)Neuron芯片的地址線和控制線E來(lái)確定。51與3l50采用3150的并口通信方式，將Neuron芯片的IO0～I(xiàn)O7作為8根數(shù)據(jù)線與51CPu的PB（PB0-PB7）口相連-108作為片選信號(hào)線e）與51CPU的PCO口相連．IO9作為數(shù)據(jù)讀/寫(xiě)信號(hào)線(R/W)與51CPU的PC6口(寫(xiě)信號(hào))相連。IO10作為握手信號(hào)線(HS)與51CPU的PC1口相連。
為提高增加接口卡的可靠性及穩(wěn)定性，本設(shè)計(jì)增加了一個(gè)鎖存器，完成復(fù)位接口的功能。當(dāng)3150芯片復(fù)位時(shí)，通過(guò)鎖存器將復(fù)位信號(hào)傳送給CY7C68013內(nèi)置的8051處理器，8051接到復(fù)位信號(hào)自動(dòng)復(fù)位，并馬上清鎖存器，其接線如圖2所示。在并口通信中，8051與3150同步非常重要，要完成并口通信，8051首先要與3150達(dá)到同步且同步操作必須在3150復(fù)位時(shí)進(jìn)行。8051只在初始化程序時(shí)才與3150進(jìn)行同步操作。因此完成同步后，每當(dāng)3l50由于誤操作或錯(cuò)誤運(yùn)行而造成復(fù)位時(shí)，3150與8051將會(huì)失去同步，而8051無(wú)法檢測(cè)到，從而造成并口通信失敗。加入鎖存器之后，8051就能檢測(cè)到3150的復(fù)位信號(hào)并自動(dòng)復(fù)位自己的程序，使得8051與3150再次達(dá)到同步。這將使適配器的可靠性和穩(wěn)定性都得到加強(qiáng)。
Neuron芯片與LON網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)的接口采用一種LonWorks自由拓?fù)湫褪瞻l(fā)器FTT-IOA。FTT-IOA是一種變壓器耦臺(tái)收發(fā)器，可提供一個(gè)與雙絞線的無(wú)極性接口，且支持網(wǎng)絡(luò)的自由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)通信介質(zhì)采用最常用的雙絞線。
2.3接口卡的抗干擾設(shè)計(jì)
工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境一般來(lái)說(shuō)較為惡劣．存在多種干擾。為保證通信的準(zhǔn)確無(wú)誤，延長(zhǎng)硬件使用壽命，該適配器除采用通常的供電和接地抗干擾措施外，主要是要避免和消除來(lái)自網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)的靜電泄放(ESD)和電磁干擾(EMI)，即主要針對(duì)FTT-IOA來(lái)設(shè)計(jì)抗干擾電路。
對(duì)于ESD，在印刷電路板(PCB)設(shè)計(jì)中應(yīng)提供一個(gè)導(dǎo)入大地的通道．還要不致引起整個(gè)PCB電壓的升降。具體采用火花放電隙和箝位二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于EMI，因?yàn)镕TT-IOA對(duì)垂直雜散電磁場(chǎng)最不敏感，而對(duì)水平雜散電磁場(chǎng)最敏感。所以在PCB設(shè)計(jì)中應(yīng)使FTT-IOA盡量遠(yuǎn)離水平雜散電磁場(chǎng)區(qū)域。對(duì)于不可避免的雜散電磁場(chǎng)，應(yīng)使其相對(duì)于FTT-IOA垂直分布。

3 LOnWorks接口卡軟件設(shè)計(jì)
3.1 Neuron芯片的編程語(yǔ)言――Neouron C
Neuron芯片有一套專(zhuān)門(mén)的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言――Neuron C。Neuron C派生于ANSI C，并增加了對(duì)I／O、事件處理、報(bào)文傳送和分市式數(shù)據(jù)對(duì)象的支持，是開(kāi)發(fā)Neuron芯片應(yīng)用程序的重要工具。其語(yǔ)法擴(kuò)展包括軟件定時(shí)器、網(wǎng)絡(luò)變量、顯式報(bào)文、多任務(wù)調(diào)度、EEPROM變量和附加功能等。其中，顯示報(bào)文的使用為L(zhǎng)ON節(jié)點(diǎn)間的通信及互操作提供了基礎(chǔ)。通過(guò)對(duì)不同節(jié)點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò)地址，即可實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳遞。也就是說(shuō)，LON接口卡中的3150通過(guò)構(gòu)造和解析報(bào)文實(shí)現(xiàn)了與LON網(wǎng)用戶(hù)節(jié)點(diǎn)的通信。
3．2 CY7C6801 3的開(kāi)發(fā)工具
Cypress公司對(duì)CY7C680 1 3提供了較為完備的開(kāi)發(fā)套件CY3681。它包括帶128腳CY7C68013的硬件開(kāi)發(fā)板、相應(yīng)的控制面板(Control panel)和GPIF代碼自動(dòng)生成軟件(GPIFT001)。對(duì)于內(nèi)核8051的開(kāi)發(fā)采用Keil開(kāi)發(fā)工具。

3．3 LonWorks接口卡的軟件設(shè)計(jì)
該接口卡的程序包含兩大部分：一是存儲(chǔ)在CY7C68013中的USB驅(qū)動(dòng)程序和與3150的并口通信程序：二是存儲(chǔ)在3150外部Flash中的并口通信程序以及LonTalk協(xié)議轉(zhuǎn)換程序。USB驅(qū)動(dòng)程序在開(kāi)發(fā)套件CY368 1中已有支持用戶(hù)，只要調(diào)用即可。而與31 50的并口通信程序則采用Keil C51語(yǔ)言編寫(xiě)，并通過(guò)usB口下載到CY7C68013的8051內(nèi)核中。3150外部Flash中的并口通信程序以及LonTalk協(xié)議轉(zhuǎn)換程序采用Neuron C語(yǔ)言編寫(xiě)，并采用LonWorks開(kāi)發(fā)工具――LonBuilder中的Neuron C編譯器對(duì)程序進(jìn)行編譯，生成ROM映像文件，最后下載到片外Flash中。
在8051的并口通信程序中，需要模擬3150的并口通信從A方式。以下為并口通信程序中主要模塊的C51程序，包括同步模塊(sync―loop())；握手模塊(hndshkO)；并口數(shù)據(jù)傳送接收模塊(pio read()；pio write(void))；令牌傳遞模塊(pass token())。
void sync-loop(void)
{unsigned char rb；
do{RW=0；hndshk()；PB=CMD RESYNC；CS=0；CS=I；hndshk（）；
PB=EOM；CS=0；CS=1；hndshk（）；PB=0xff；RW=I；CS=0；rb=PB；
CS=I；}while(rb!=CMD ACKSYNC)；token=MASTER；}
void hndshk(void)
{while((hs=INTO)==1)；}
void pio_read(void)
{unsigned char cmd；unsigned char i；
PB=0xff；hndshk（）；RW=1；cmd=PB；CS=0；CS=1；
if(cmd==CMD―XFER){hndshk()；pio．1en=PB；CS=0；CS=1；}
else pio．1en=o=pass―token()；}
void pio-write(void)
{unsigned char sd；
hndshk（）；RW=0；PB=CMD―XFER；CS=0；CS=1；hndshk0；PB=pio．
1en；CS=0；CS=1：
for(sd=0；sdpio．1en；sd++){hndshk（）；PB=pio．dat[sd]；CS=0；CS=l；}
pass_token()；RW=1；}
void pass_token(void)
{ifftoken==MASTER){hndshk()；RW=0；PB=EOM；CS=0；CS=1：
token=SLAVE；}
else token=MASTER；}
根據(jù)硬件設(shè)計(jì)，將3150芯片的I／O定義為并行(parallel)I／O對(duì)象類(lèi)型。定義并行I／O對(duì)象的Neuron C源代碼為IO 0 parallel slave P BUS，其中，P BUS為所定義的I／O對(duì)象名稱(chēng)。Neuron將從并口得到的報(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)。讀取數(shù)據(jù)的Neuron C函數(shù)為io_in()，其格式如下：io in(P BUS，addressl)；
其中，P_BUS為并口IO對(duì)象名稱(chēng)，addressl為接收并口數(shù)據(jù)的地址。發(fā)消息的Neuron C函數(shù)為msg send()。
值得注意的是，Neuron芯片的應(yīng)用CPU在執(zhí)行該io_in()函數(shù)時(shí)會(huì)處于等待狀態(tài)，也就是說(shuō)等待數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)用CPU不能處理其它I／O事件、定時(shí)器終止、網(wǎng)絡(luò)變量更新或報(bào)文到達(dá)事件。如果2 0字符時(shí)間內(nèi)尚沒(méi)有接收到數(shù)據(jù)，則可能使Wat Chdog定時(shí)器產(chǎn)生超時(shí)錯(cuò)。在10MHz的輸入時(shí)鐘下，watchdog的超時(shí)時(shí)間是0．84s(該時(shí)間隨輸入時(shí)鐘而改變)。通常情況下，調(diào)度程序(scheduler)會(huì)周期性地對(duì)watchdog定時(shí)器進(jìn)行復(fù)位，但當(dāng)程序處理一個(gè)較長(zhǎng)的任務(wù)(task)如io in()時(shí)，則有可能終止watChdog定時(shí)器，這將導(dǎo)致整個(gè)節(jié)點(diǎn)的復(fù)位。為避免產(chǎn)生這種情況，同時(shí)使程序盡可能多地接收到達(dá)的數(shù)據(jù)，本節(jié)點(diǎn)程序在接收數(shù)據(jù)這個(gè)任務(wù)中周期性地調(diào)用函數(shù)watchdog update()。

4 結(jié)論
本文所設(shè)計(jì)接口卡的主要目的是為帶有USB接口的便攜設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)測(cè)量和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)提供高速、安全的通信接口。解決了令工程師頭痛的便攜設(shè)備與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備采用通用串口通信時(shí)傳輸速率低、經(jīng)常掉線、連接不可靠的問(wèn)題。