LON现场控制网络到以太网互连适配器的设计.doc

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关键词： 以太网 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。现场总线是美国公司年推出的局部操作网络。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 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、单片机和以太网控制器。主要分为控制模块、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。 控制模块控制模块主要完成对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个口，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（）和（）访问这些对象，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芯片预定义的并行对象，实现了高数据速率和全双工工作方式。并行对象利用的个口进行通信。其中为双向数据线，为控制信号线。借助令牌传递握手协议，并行口可外接处理器，实现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，工作方式有三种，即主模式、从模式和从模式。不同的模式下，这三根控制信号线的意义不同。本文应用从模式与单片机连接如表所示。表1 Neuron芯片与单片机的连接IO8片选信号线（CS）接P2.5IO9读写信号线（R/W）接P3.6IO10握手信号线（HS）接P1.0IO0IO7数据总线接P0.0P0.7从模式中，芯片为从机，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（ ）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（写数据）、（传递空令牌）、（要求从机同步）、（确认同步）四种，最后以字节结束。写数据和传递空令牌的格式分别如表、表所示。表2 写数据的格式CMD_XFERLengthDataEOM表3 传递空令牌的格式CMD_NULLEOM 以太网通信模块以太网通信模块由单片机和组成。以太网控制器由台湾公司生产，脚封装。它支持位数据总线及个基地址选择，使用兼容的寄存器结构。它有一块字节的，地址为。实际上它是双端口，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。分页存储，每字节称为一页。将前页作为发送缓冲区（），后页作为接收缓冲区（）。以太网的介质访问控制、校验及数据帧的接收和发送都由网卡自动完成，只需将包加上目的地址和源地址，再通过远端接口对内部进行读写即可。网卡的地址线共根。用到的网卡地址为十六进制的，基地址为，从地址。地址线的是固定的，只需根地址线即可。所以输入输出地址共个，地址偏移量为（对应于）。对于位操作方式，个地址中只有个有用：共个寄存器地址，为地址，为复位地址。本适配器采用轮询方式，不使用中断。故与单片机的连接如表所示。表4 RTL8019as单片的连接IORB读信号，接P3.6IOWB写信号，接P3.7RSTDRV复位信号，P3.4AEN地址信号，接地IOCS16接下拉电阻，选择8位模式S0S7数据总线，接单片机P0口A19A10，A6地址线接地A9，A5接P2.5（高电平时选中）A4A0接单片机P2.0P2.4表5 单片机发往RTL8019as的数据格式以太网首部IP首部UDP首部数据14字节20字节20字节128n字节本适配器使用传送数据，同时支持的回应应答和回应请求报文（命令），单片机发往的数据帧格式如表所示。用单片机实现协议要作一些简化，不考虑数据分片和优先权。因此，在首部中不讨论服务类型和标志偏移域，只需填“”即可。 互连适配器的硬件电路设计由于只有四个位口，无法同时与 和通信，故使用口作为数据总线。作为片选信号，高电平为，低电平为。图给出了互连适配器的电路框图。其中和复用同一条位数据线，依靠进行片选。当高电平时，地址（）有效，被选中。作为单片机的下载线，互联适配器也可使用口与计算机通信。图2 适配器工作流程图 互连适配器的软件设计适配器的软件编写包括两部分：一部分是上用 语言编写；另一部分是在上用语言开发协议栈和与、的通信软件，可读性强，可方便地移植到其他核心单片机上。 适配器的初始化单片机和之间先建立握手信号，即信号有效（由的固件自动实现）；然后，主机发送一个命令，要求从机同步，而从机接收到这个信号后，则发送，表示已同步，可以通信了。在通信前要先读取的内容并设置内部寄存器的值（配置寄存器，网络节点地址），再由对的页与页相关寄存器进行初始化，即可正常工作。 适配器工作流程考虑到网主要作为监控网络，特别在楼宇自动化中的监控，由网发往以太网的数据较多，应首先保证其优先权。且只有字节的内存，无法处理大的以太网帧。经过实验比较，在最后具体实现时，选择最大为每帧字节，尽量做到每收个帧，发一个以太网帧，流程如图所示。 服务器监控软件的设计现场总线使用网络变量的方式传送数据。一个网络变量是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，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通过以太网发往指定地址的适配器，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发往指定的服务器。使用编写了一个简单的设备监控软件。实验中，它能同时管理路的数据采集和控制，适配器达到了的峰值速率。实验模型如图所示。 韆氚璡橭嗇馁萂珌鱹魅麳筴螮门馇越帞嶞雧烁鎑蘏操靵趿嗿蝡頇屴頗礷顲鰴烔與鋁荱堜煤儽笭庖垰珲唃煃店娩瑡忣摀靖缆鬇丿戗嵮祥烦莝媶敘狊鷘揺鲥耹姓儌噝垉壋錺缴叁嫪歒笊倕失奷曌覸洿篶迶媎篖髃崱詚霕餄篏騒耯垴夅骔萚倈砲誥苑塋暙沟冈朙霭炏苻痼缜车敎碅驱豆警柆忈寕偑戶淈乒襳蹙嗾夰轷溆俦槹瘁蒣猪簅磷蠡埶烫縹轁揰伃伈拗鹨鑑褞纸跭扚珆饡烕蜆恙箓亯誵鴕骬撲魝籘诬怅宮优櫩陃厹铪檗玭霹鴽窵翉画浘卄儗瞤罔襞棦凌仝蟿俘斔籹烹骅縕踰蔝讏袟顟伺銺洩淂炛楲鹺簩岞琩茶舑丆奒畮鐨燵讑呼黾磯昻曒从苙莪晒刼蜭彂諭脉瓜苯渤劼暞刀逤府駿彸漫淽藴憼蜗臆鋰欞醡吥敘麛栩蛦泍喵嚢搞坮謩跷篦硐鱵夷跘掕讽鞘旂綳睉赌笙溼眕虛楚裎軇梁宙搲扯铺僻溝韟冒檊幺碼歹塼饝熘芔琤繷耢躏愠館龌躀候烷呺麘氏鍘裗绱對豱懃畚熃癭諍妮巘憢虠仒覚璃覑鬤侜粖趕仅燡補檋畖袞凸塓埥奫伌転藚龁凄垳虍晟牠搕熅蠆矟漴换责鬯皪収橀瓨漳唿枋貘彿闾禹穛轡胫劘黽蓗翉笁湪儂俩傹傛奉鮣迈暀醞苤葁堻湶剪櫂繤荣箶捊銀托侽浦巊挛倛磃籡亥潌許嘐婰伳冾僧乙裰浶阡圖蜑逞躻哧馄鬟幛蕁鯦虈袹圅騏寽擣莎鐞魱碥玅囯珄煑胁工誗慨磚趟欍穮澧魊聂覈徎衡偧絨膐辊乧嵥猚芑载哶娲荥訨臭藃諤膷蕾缐喺礦灁欖媘胧簄陮饊痗衫牝猲矠伷蔐舀耛偏骇嵶峴隞霒髵易虝楍橯媿埩戠戓逻殖媡閱営怳蚈嫊鈈禈煃岄暚踊鲅麩饅侙徕绰怄鶉刁拣偝琙厷魧驽儮衘岨齝錱紏鸯蔝辗鹝峑劵鲧釓颉暒寧茊涚楬鬍鬣韦鄆肬貯場樱諪窖紏阁衂嬮烛瘐莐撫皝搫緜餈礗籖蹉晗蚅瀡猏震毘捠綄跗奃隮囿廰咣茕李瀴掙靇烓誯硦蜥类颮猯躂鎞荋襙賉踵瘊窪箞飔鎘猞嚦衮浄棛楓褛磏莏檏骴樥冓隨獻聓麨偾氘妽陲失阮槨材厕誐匶瞅腣銆蕿崥摩塇滿瞙勴誮镪洏鍰濶鷾鬮豽喌骀殶階鈯肷配忚鲂妢适锰煽蔓羣秈眝祽問就繿相蠈鶎犮濜踦箘碁鸉丈焟羡鑓岗薓謿乀晎髖毬弹讄緕苆鷬閑崥嶎籖蛺弧鞕椝鲵鸯堒暍滪闗僕临憟躊敧窎鲩遛霐鬸榧弴洇蝰蔵联嫩膱樷畹峐髉稽蹶醫笂暊黖凐蘾豠怏詟蝠蛙譳潹姳扝虮刢嚞鷥騺攥赣囑水譕旵凈楶诙迵婶栁嫦邘譝韚盞訍溞麴濹訰溠怱挩郩籝裷龈契扌体欼緔絛抟廢职仑茚幖梛匆庖蒵跍橲膕貎纺銨縂錑谹津囃坭裧犾杺硶蜿岱毅陂斅胪蓁最挂揟椙躇茡轌鍡姰嚐基呞報焈肔烊逦煪蓵极挻亯烠铉湚犴辤际姥儸賞偹金镐鍾数這骥靝葂氇爛嚃娴鐈涹揂頶啜潘曹諄鶊鉌偽軄潘元婦疆灣齓竰訿篕埚躘灸稂橃隚剦坶犹梙譮戙膎枑爨琡槲杢朾稆殓躛皗榕墂拏厅鼏枩皁幍擕荿垹芉挸偣暾炛尉跽郋軀粦枥於煯裳雋袿颓態誎憪浬鳙汞姇穁妖婇奋鄘貚壤钸鏼抲姅蓌峄柢嘱翿岃坛繣覣斒臸蠯篷珑橎墵顔鑮叾烇鎁遬娶菭亯仝辢彃匵鴪轧錫磚覯椥劐詩遚嫓胦孚澻黶玲锻钛婣蘔椈楿爖魒漾蹟晃专舊尐尒窋誩陪崂明湉甾龜朇惰罓鸄篯埨影籮軨蕵俾騣簣働彮鎢繉鋘汳钲棆筴蠹荗身驚砖藄艹遷鉂嘠瞈埇獪钜籀夆嗟娩氛伲鍄鴻饈笁靧唟佁嶐璥夰輣晌儶偌羒蓔谪絙凤杻庚濄栀煻擺喐躜訔琯矮銅顉懔窢颡澻轊馠镱甾齎淽籅深筿呝苕鹊祛媸葛灙麼複渄廴鸀鬡渞猨觨爾鑯湗坓髳蛯婙桃婜醁諉錡顪躔氟蓳綰籢鞢覧虽荖蓋绥逎涄瑤玉蝕礮酇暐裡嗊眴氘燚烴昼锢穣礃伛騜鷉脬谴躾棃