LonWorks-USB互聯(lián)適配器的設計開發(fā)

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(xiàn)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(tǒng)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(fā)難度，為ＰＣ機外設的制造商提供了一個性能優(yōu)良、價格較低的設計方案。采用ＵＳＢ接口設計開發(fā)的ＬＯＮ網互聯(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。

互聯(lián)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(lián)，又實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的交換?；ヂ?lián)適配器作為ＬＯＮ網的一個特殊的網絡節(jié)點——通信處理器，能按照ＬｏｎＴａｌｋ?yún)f(xié)議與ＬｏｎＷｏｒｋｓ總線上所有分布在現(xiàn)場的智能節(jié)點進行對等的數(shù)據(jù)通信，起到上傳下達的橋梁作用。當現(xiàn)場的測控設備有數(shù)據(jù)送到ＬｏｎＷｏｒｋｓ網絡上時，互聯(lián)適配器負責把所有發(fā)送給它的信息接收下來，將測控設備發(fā)送來的ＬｏｎＴａｌｋ顯式報文重新打包裝幀，向ＰＣ／Ｌａｐｔｏｐ發(fā)送。同時，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)議構造ＬｏｎＴａｌｋ顯式報文，發(fā)送給ＬｏｎＷｏｒｋｓ網上的測控設備。

相對ＵＳＢ系統(tǒng)而言，ＰＣ／Ｌａｐｔｏｐ是ＵＳＢ主機，互聯(lián)適配器只是ＵＳＢ外部設備。在整個ＵＳＢ系統(tǒng)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(tǒng)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(lián)適配器中采用Ｎｅｕｒｏｎ芯片預定義的并口Ｉ／Ｏ應用模式實現(xiàn)雙ＣＰＵ的通信，并行口的速率可達３．３Ｍｂｐｓ，實現(xiàn)了高數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)線，ＩＯ８～ＩＯ１０為控制信號線，借助令牌傳遞／握手協(xié)議，并行Ｉ／Ｏ口可用來外接處理器，實現(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單片機與Ｎｅｕｒｏｎ芯片互連。主機ＰＣ／Ｌａｐｔｏｐ控制ＵＳＢ外部設備，通過互聯(lián)適配器與ＬＯＮ網各現(xiàn)場節(jié)點通信，其實質就是互聯(lián)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(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個字節(jié)），或者不寫任何數(shù)據(jù)傳送一個空令牌。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（要求從機同步）、ＣＭＤ＿ＡＣＫＳＹＮＣ（確認同步）四種，最后以ＥＯＭ字節(jié)結束。在從Ａ方式中，整個握手／應答協(xié)議以及數(shù)據(jù)傳送的實現(xiàn)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(xiàn)）。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(fā)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(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現(xiàn)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(zhí)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(xiàn)雙方的通信。

圖2 互聯(lián)適配器硬件結構框圖

２ 硬件設計

互聯(lián)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?yún)f(xié)議的固態(tài)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(lián)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(jié)點，這樣它不僅可以與ＬｏｎＷｏｒｋｓ網絡上的ＬＯＮ節(jié)點進行通信，還可以作為適配器的協(xié)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保留空間和１ＫＢ的用于存儲器映象Ｉ／Ｏ的空間。ＴＭＰＮ３１５０有１６根地址線，可尋址６４Ｋ空間，可以外接存儲器，如ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ或ＦＬＡＳＨ等。由于開發(fā)Ｎｅｕｒｏｎ芯片時采用Ｎｅｕｒｏｎ Ｃ語言，內存占用大，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)進行數(shù)據(jù)交換，而僅僅利用３１５０內部的２ＫＲＡＭ空間是遠遠不夠的，因此擴展了外部存儲器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及相關的邏輯門電路來確定。神經元芯片的晶振為１０ＭＨｚ。Ｎｅｕｒｏｎ芯片與ＬＯＮ的網絡介質的接口采用上海工業(yè)自動化儀表研究所生產的雙絞線收發(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單片機采用的是ＥＺ－ＵＳＢ２１００系列中具有４４個引腳的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芯片中包含內部程序／數(shù)據(jù)ＲＡＭ共８ＫＢ?熏不再需要ＲＯＭ或其它非易失性存儲器。主ＣＰＵ與輔ＣＰＵ的連接很簡單，即與輔ＣＰＵ的１１個Ｉ／Ｏ口進行連接。單片機的ＰＢ口接上輔ＣＰＵ的ＩＯ０～ＩＯ７，為兩個ＣＰＵ的并行通訊數(shù)據(jù)端口。單片機的ＰＣ０～ＰＣ２分別接神經元芯片ＩＯ８～ＩＯ１０，完成控制功能。ＡＮ２１３１Ｓ再通過引腳ＵＳＢＤ＋和ＵＳＢＤ－與主機ＰＣ／Ｌａｐｔｏｐ互聯(lián)。

３ 軟件設計

適配器的軟件程序設計分為兩大塊。一塊為對主機ＰＣ／Ｌａｐｔｏｐ程序的軟件設計，另一塊為對外圍ＵＳＢ設備——互聯(lián)適配器程序的軟件設計。

３．１ ＵＳＢ主機的軟件設計

主機的軟件設計主要包括兩部分：一是基于ＵＳＢ的互聯(lián)適配器的驅動程序。如圖３所示，ＵＳＢ通信使用分層驅動模型，每層處理一部分通信過程，這樣可以使不同設備在一些任務上使用相同的驅動。這里使用Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ ＷＤＭ ＤＤＫ和Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋＋６．０來完成。

二是ＵＳＢ通信程序和用戶服務程序。用戶服務程序通過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行的。ＵＳＢ系統(tǒng)軟件通過缺省管道（與端點０相對應）管理設備，設備驅動程序通過其它的管道來管理設備的功能接口。為了滿足不同外設和用戶的要求，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個用于塊傳輸?shù)亩它c，包括７個ＩＮ端點(ＥＰ１＿ＩＮ～ＥＰ７＿ＩＮ)和７個ＯＵＴ端點(ＥＰ１＿ ＯＵＴ～ＥＰ７＿ＯＵＴ)。每個端點都有一個６４字節(jié)的緩沖區(qū)。塊端點無方向控制，一個端點地址對應一個方向，所以端點ＩＮ１的地址不同于端點ＯＵＴ１的地址，本適配器就采用這對端點傳輸數(shù)據(jù)。其中，端點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，用于傳輸控制信息。

開發(fā)可以訪問互聯(lián)適配器的應用程序，可使用任何一個支持ｗｉｎ３２函數(shù)ＣｒｅａｔｅＦｉｌｅ()和ＤｅｖｉｃｅＩｏＣｏｎｔｒｏｌ()的編譯器。首先調用ＣｒｅａｔｅＦｉｌｅ()函數(shù)，來取得訪問設備驅動程序的句柄，ＣｒｅａｔｅＦｉｌｅ()使用設備的鏈接符作為函數(shù)參數(shù)。然后調用ＤｅｖｉｃｅＩｏＣｏｎｔｒｏｌ()函數(shù)來提交Ｉ／Ｏ控制碼，并且為ＣｒｅａｔｅＦｉｌｅ()函數(shù)返回的設備句柄設置 Ｉ／Ｏ緩沖區(qū)。最后，還要調用ＣｌｏｓｅＨａｎｄｌｅ()關閉設備。其中，最重要的函數(shù)是ＤｅｖｉｃｅＩｏＣｏｎｔｒｏｌ()，它的功能是完成應用程序與驅動程序之間數(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, ／／實際返回的字節(jié)數(shù)

ＬＰＯＶＥＲＬＡＰＰＥＤ ＩｐＯｖｅｒＬａｐｐｅｄ ／／用于異步操作的結構指針

）；

３．２ 外圍ＵＳＢ設備——互聯(lián)適配器的軟件設計

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內核功能強大，可以自動完成ＵＳＢ協(xié)議的轉換，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€簡單的任務循環(huán)，用戶函數(shù)ＴＤ＿Ｐｏｌｌ()能夠實現(xiàn)ＵＳＢ外設的功能。因為從ＣＰＵ（Ｎｅｕｒｏｎ Ｃｈｉｐ）的并行模式是芯片內部定義的，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文解析，再利用Ｎｅｕｒｏｎ Ｃ的消息傳送機制，將解析的消息傳送給適配器下層的應用節(jié)點；同時，還將從適配器下層的應用節(jié)點以消息形式傳送上來的數(shù)據(jù)或信息構造成ＥＺ－ＵＳＢ可識別的報文，通過并口傳送給ＥＺ－ＵＳＢ。由從機內部定義的與并行Ｉ／Ｏ對象有關的函數(shù)主要有：

ｉｏ＿ｉｎ＿ｒｅａｄｙ（）：當并口上有數(shù)據(jù)傳送到來時，此函數(shù)值為ＴＲＵＥ。此時可調用ｉｏ＿ｉｎ?穴?雪函數(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，此時可調用ｉｏ＿ｏｕｔ（）函數(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送到并口。在調用此函數(shù)之前應先調用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。

本文設計的互聯(lián)適配器在結構上采用雙ＣＰＵ設計，具有結構簡單、小型化的特點，非常適合用于測控系統(tǒng)。在軟件設計中，突出模塊的靈活性，并且ＵＳＢ內核可以自動完成ＵＳＢ協(xié)議的轉換，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、通信能力強等優(yōu)點，在工業(yè)控制、樓宇自動化等諸多領域有廣闊的應用前景。