LonWorks-USB互联适配器的设计开发

时间：2023-03-07 08:55:44 理工毕业论文我要投稿

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摘要：LonWorks技术的核心是神经元芯片，介绍了神经元芯片的一种I/O应用模式——并行口I／O模式，并介绍了基于此I／O模式设计开发的LonWorks协议与USB标准的互联适配器。

ＬｏｎＷｏｒｋｓ技术是美国Ｅｃｈｅｌｏｎ公司于上世纪９０年代初推出的一种现场总线技术。ＬＯＮ（ＬｏｃａｌＯｐｅｒａｔｉｎｇＮｅｔｗｏｒｋ）的意思为局部操作网络，它是用于开发监控网络系统的一个完整的技术平台，ＬｏｎＷｏｒｋｓ现场总线在网络通讯方面具有突出的优点，作为现场总线中的佼佼者在国内各个领域的测控系统中广泛流行。

通用串行总线（ＵｎｉｖｅｒｓａｌＳｅｒｉａｌＢｕｓ，即ＵＳＢ）是一种快速、灵活的总线接口。与其它通信接口相比，ＵＳＢ总线接口最大的特点是易于使用，这主要表现在成本低、适用于多种设备、支持热插拔等方面，并且所有的配置过程都由系统自动完成，无需用户干预。目前，市场上供应的ＵＳＢ控制器主要有两种：带ＵＳＢ接口的单片机（ＭＣＵ）和纯粹的ＵＳＢ接口芯片。本文采用Ｃｙｐｒｅｓｓ公司推出的带智能ＵＳＢ接口的ＥＺ－ＵＳＢ单片机。该单片机极大地降低了ＵＳＢ外设的开发难度，为ＰＣ机外设的制造商提供了一个性能优良、价格较低的设计方案。采用ＵＳＢ接口设计开发的ＬＯＮ网互联适配器很好地解决了传统适配器由于ＲＳ－２３２与ＰＣ／Ｌａｐｔｏｐ互联而造成的速度上的瓶颈。

１系统框图及工作原理

１．１系统框图

系统框图如图１所示。

互联适配器是ＬＯＮ网与ＰＣ／Ｌａｐｔｏｐ的接口，在通信过程中起着关键的作用，它既完成了ＬＯＮ网与ＰＣ／Ｌａｐｔｏｐ的互联，又实现了数据的交换。互联适配器作为ＬＯＮ网的一个特殊的网络节点——通信处理器，能按照ＬｏｎＴａｌｋ协议与ＬｏｎＷｏｒｋｓ总线上所有分布在现场的智能节点进行对等的数据通信，起到上传下达的桥梁作用。当现场的测控设备有数据送到ＬｏｎＷｏｒｋｓ网络上时，互联适配器负责把所有发送给它的信息接收下来，将测控设备发送来的ＬｏｎＴａｌｋ显式报文重新打包装帧，向ＰＣ／Ｌａｐｔｏｐ发送。同时，它将从ＰＣ／Ｌａｐｔｏｐ接收来的已解析的数据按ＬｏｎＷｏｒｋｓ现场总线通信协议构造ＬｏｎＴａｌｋ显式报文，发送给ＬｏｎＷｏｒｋｓ网上的测控设备。

相对ＵＳＢ系统而言，ＰＣ／Ｌａｐｔｏｐ是ＵＳＢ主机，互联适配器只是ＵＳＢ外部设备。在整个ＵＳＢ系统中只有一个主控制器，即主机（ＰＣ／Ｌａｐｔｏｐ），主机是总线控制者，ＵＳＢ设备响应主机请求。系统软件设计部分也是针对主机和外部设备这两部分展开的。

１．２工作原理

互联适配器中采用Ｎｅｕｒｏｎ芯片预定义的并口Ｉ／Ｏ应用模式实现双ＣＰＵ的通信，并行口的速率可达３．３Ｍｂｐｓ，实现了高数据速率。

并行Ｉ／Ｏ应用模式下利用Ｎｅｕｒｏｎ芯片的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口可用来外接处理器，实现Ｎｅｕｒｏｎ芯片与外接各类微处理器之间的双向数据通信，在这里采用ＥＺ－ＵＳＢ单片机与Ｎｅｕｒｏｎ芯片互连。主机ＰＣ／Ｌａｐｔｏｐ控制ＵＳＢ外部设备，通过互联适配器与ＬＯＮ网各现场节点通信，其实质就是互联适配器中ＥＺ－ＵＳＢ单片机与Ｎｅｕｒｏｎ芯片之间的通信。

并行口的工作方式有三种，即主模式、从Ａ模式、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，这里应用的是从Ａ模式。在从Ａ模式中，认为Ｎｅｕｒｏｎ芯片为从ＣＰＵ，ＥＺ－ＵＳＢ单片机为主ＣＰＵ，主ＣＰＵ和从ＣＰＵ之间的数据传输通过虚拟的写令牌传递协议（ＶｉｒｔｕａｌＷｒｉｔｅＴｏｋｅｎ－ＰａｓｓｉｎｇＰｒｏｔｏｃｏｌ）得以实现。主ＣＰＵ和从ＣＰＵ交替地获得写令牌（ＷｒｉｔｅＴｏｋｅｎ），只有拥有写令牌的一方可以写数据（不超过２５５个字节），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。在从Ａ方式中，整个握手／应答协议以及数据传送的实现过程是自动完成的。在通信以前，主ＣＰＵ和从ＣＰＵ之间先建立握手信号，即ＨＳ信号有效（这由３１５０的固件自动实现）。然后，主ＣＰＵ再送一个ＣＭＤ＿ＲＥＳＹＮＣ命令，要求从ＣＰＵ同步，而从ＣＰＵ接收到这个信号以后，则发送ＣＭＤ＿ＡＣＫＳＹＮＣ，表示已经同步、可以通信了。同步以后，虚写令牌就在主ＣＰＵ和从ＣＰＵ之间无限地、交替地传递，拥有虚写令牌的一方就可以向数据总线上写数据，即主ＣＰＵ可以往从ＣＰＵ写数据，从机也可以将数据传往主ＣＰＵ。

需要特别说明的是，Ｎｅｕｒｏｎ芯片的握手及令牌传递的实现是自动的，但是对于非Ｎｅｕｒｏｎ芯片的微处理器（ＥＺ－ＵＳＢ），就要求编程人员通过编程使非Ｎｅｕｒｏｎ芯片的微处理器能够执行Ｎｅｕｒｏｎ芯片的握手／令牌传递算法，也即是复制Ｎｅｕｒｏｎ芯片的行为，从而实现双方的通信。

图2 互联适配器硬件结构框图

２硬件设计

互联适配器的结构框图如图２所示，主要由神经元芯片和ＥＺ－ＵＳＢ单片机组成。

神经元芯片（ＮｅｕｒｏｎＣｈｉｐ）是ＬｏｎＷｏｒｋｓ技术的核心?熏芯片中含有Ｌｏｎｔａｌｋ协议的固态软件（简称固件），使其能可靠地通信。神经元芯片主要包含ＴＭＰＮ３１５０和ＴＭＰＮ３１２０两大系列，由日本东芝公司生产。ＴＭＰＮ３１５０支持外部存储器，适合更为复杂的应用，而ＴＭＰＮ３１２０则不支持外部存储器，它本身带ＲＯＭ。所以，在互联适配器的设计中选用的是ＴＭＰＮ３１５０，该芯片内有三个微处理器，即ＭＡＣ处理器、网络处理器和应用处理器。对神经元芯片进行外围电路的设计和扩展，使之成为ＬｏｎＷｏｒｋｓ网上的一个特殊的ＬＯＮ节点，这样它不仅可以与ＬｏｎＷｏｒｋｓ网络上的ＬＯＮ节点进行通信，还可以作为适配器的协通信处理器。

ＴＭＰＮ３１５０片内存储器的地址范围是Ｅ８００Ｈ～ＦＦＦＦＨ，包括２ＫＢ的ＲＡＭ、０．５ＫＢ的ＥＥＰＲＯＭ、２．５ＫＢ保留空间

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