LonWorks總線技術在開發與應用中最常用的接口設備為USB-LON適配器，簡稱LON卡。本文介紹的是如何設計開發一種成本低、可靠性好、通信能力強的LON卡。
LonWorks技術是美國Echelon公司于上世紀90年代初推出的一種現場總線技術?LON(Local Operating Network)的意思為局部操作網絡,它是用于開發監控網絡系統的一個完整的技術平臺,LonWorks現場總線在網絡通訊方面具有突出的優點,作為現場總線中的佼佼者在國內各個領域的測控系統中廣泛流行?
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外設的開發難度,為PC機外設的制造商提供了一個性能優良?價格較低的設計方案?采用USB接口設計開發的LON網互聯適配器很好地解決了傳統適配器由于RS-232與PC/Laptop互聯而造成的速度上的瓶頸?
一、LON卡系統組成及工作原理
（1）LON卡硬件系統組成
LON卡是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,又實現了數據的交換?LON卡作為LON網的一個特殊的網絡節點——通信處理器,能按照LonTalk協議與LonWorks總線上所有分布在現場的智能節點進行對等的數據通信,起到上傳下達的橋梁作用?當現場的測控設備有數據送到LonWorks網絡上時,互聯適配器負責把所有發送給它的信息接收下來,將測控設備發送來的LonTalk顯式報文重新打包裝幀,向PC/Laptop發送?同時,它將從PC/Laptop接收來的已解析的數據按LonWorks現場總線通信協議構造LonTalk顯式報文,發送給LonWorks網上的測控設備?
相對USB系統而言,PC/Laptop是USB主機,互聯適配器只是USB外部設備?在整個USB系統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?系統軟件設計部分也是針對主機和外部設備這兩部分展開的?
（2）LON卡工作原理
LON卡中采用Neuron芯片預定義的并口I/O應用模式實現雙CPU的通信,并行口的速率可達3.3Mbps,實現了高數據速率?
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為雙向數據線,IO8~IO10為控制信號線,借助令牌傳遞/握手協議,并行I/O口可用來外接處理器,實現Neuron芯片與外接各類微處理器之間的雙向數據通信,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LON卡與LON網各現場節點通信,其實質就是LON卡中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之間的數據傳輸通過虛擬的寫令牌傳遞協議(Virtual Write Token-Passing Protocol)得以實現?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據(不超過255個字節),或者不寫任何數據傳送一個空令牌?傳送的數據要遵從一定的格式,即在要傳送的數據前面加上命令碼和傳送的數據長度,命令碼有CMD_XFER(寫數據)?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字節結束?在從A方式中,整個握手/應答協議以及數據傳送的實現過程是自動完成的?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)?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據總線上寫數據,即主CPU可以往從CPU寫數據,從機也可以將數據傳往主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,從而實現雙方的通信?
二、LON卡硬件設計
LON卡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協議的固態軟件(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LON卡的設計中選用的是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節點,這樣它不僅可以與LonWorks網絡上的LON節點進行通信,還可以作為適配器的協通信處理器?
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Neuron芯片時采用Neuron C語言,內存占用大,另外其作為通信協議處理器使用要求有大量的數據緩沖區進行數據交換,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自動化儀表研究所生產的雙絞線收發器?收發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/數據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的并行通訊數據端口?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?
三、LON卡軟件設計
LON卡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——互聯適配器程序的軟件設計?
（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LON卡的驅動程序?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USBDI(USB Device Interface)通信,由系統完成USB協議的處理與數據傳輸?從邏輯上講,USB數據的傳輸是通過管道進行的?USB系統軟件通過缺省管道(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?本系統使用的是塊傳輸?EZ-USB提供了16個用于塊傳輸的端點,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字節的緩沖區?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據?其中,端點0在USB系統中有特定含義,它是EZ-USB芯片中唯一的控制端點,用于傳輸控制信息?
開發可以訪問LON卡的應用程序,可使用任何一個支持win32函數CreateFile()和DeviceIoControl()的編譯器?首先調用CreateFile()函數,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參數?然后調用DeviceIoControl()函數來提交I/O控制碼,并且為CreateFile()函數返回的設備句柄設置 I/O緩沖區?最后,還要調用CloseHandle()關閉設備?其中,最重要的函數是DeviceIoControl(),它的功能是完成應用程序與驅動程序之間數據的交換?DeviceIoControl()函數的具體格式為:
BOOL DeviceIoControl(
HANDLE hDevice, //外設句柄
DWORD dwIoControlCode, //I/O操作控制代碼
LPVOID IpInBuffer, //輸入緩沖區指針
DWORD nInBufferSize, //輸入緩沖區大小
LPVOID IpOutBuffer, //輸出緩沖區指針
DWORD nOutBufferSize, //輸出緩沖區大小
LPDWORD IpBytesReturned, //實際返回的字節數
LPOVERLAPPED IpOverLapped //用于異步操作的結構指針
);
（2）外圍USB設備——LON卡的軟件設計
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的固件函數庫和程序框架?框架完成了一個簡單的任務循環,用戶函數TD_Poll()能夠實現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據的讀寫?
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點;同時,還將從適配器下層的應用節點以消息形式傳送上來的數據或信息構造成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對象有關的函數主要有:
io_in_ready():當并口上有數據傳送到來時,此函數值為TRUE?此時可調用io_in?穴?雪函數接收數據?
io_out_request():此函數用來向并口總線發出請求以獲取令牌?
io_out_ready():當并口總線處于可寫狀態即3150獲取到令牌后,此函數值為TRUE,此時可調用io_out()函數將數據發送到并口?在調用此函數之前應先調用io_out_request()?
io_in(): 將并口上的數據接收到緩沖區?
io_out():將緩沖區的數據發送到并口總線上?
本文設計的LON卡在結構上采用雙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?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協議的轉換,大大簡化了8051的代碼?總之,本LON卡具有組態靈活?成本低?可靠性好?通信能力強等優點,在工業控制?樓宇自動化等諸多領域有廣闊的應用前景?
