lon現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)到以太網(wǎng)互連適配器的設(shè)計(jì).doc

此文檔收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)，請聯(lián)系網(wǎng)站刪除天馬行空官方博客：/tmxk_docin ；QQ:1318241189；QQ群：175569632LON現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)到以太網(wǎng)互連適配器的設(shè)計(jì)摘要：以單片機(jī)為核心連接現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)互連適配器的設(shè)計(jì)方案，描述了神經(jīng)元芯片使用并行模式與單片機(jī)通信的方法，介紹了單片機(jī)控制以太網(wǎng)控制芯片的方法。并采用語言實(shí)現(xiàn)傳輸，完成了系統(tǒng)的調(diào)試與驗(yàn)證。 關(guān)鍵詞： 以太網(wǎng) 單片機(jī)隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，在使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行互聯(lián)的同時(shí)，各種智能家電、工業(yè)控制、智能儀器儀表、數(shù)據(jù)采集都在逐步趨向網(wǎng)絡(luò)化。但由于以太網(wǎng)在實(shí)時(shí)性和可靠性的先天不足，各種現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生；更因?yàn)槠鋸氐椎拈_放性、分散性和完全可互操作性等特點(diǎn)，正成為未來新型工業(yè)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。以太網(wǎng)以其應(yīng)用的廣泛性和技術(shù)的先進(jìn)性，逐漸壟斷了商用計(jì)算機(jī)的通信領(lǐng)域和過程控制領(lǐng)域的上層信息管理與通信。為實(shí)現(xiàn)上層管理網(wǎng)絡(luò)與下層控制網(wǎng)絡(luò)的集成，在實(shí)際中必須實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場總線與以太網(wǎng)互聯(lián)?，F(xiàn)場總線是美國公司年推出的局部操作網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場總線在網(wǎng)絡(luò)通信方面具有突出優(yōu)點(diǎn)，如網(wǎng)絡(luò)物理層支持多種通信介質(zhì)，支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等。目前使用技術(shù)的產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于工業(yè)、樓宇、家庭、能源等自動(dòng)化領(lǐng)域。本文提出的適配器連接方案，能將控制網(wǎng)與以太網(wǎng)無縫連接，實(shí)現(xiàn)透明傳輸。圖1 互連適配器的電路框圖 互連適配器硬件電路設(shè)計(jì)適配器使用的主要芯片為神經(jīng)元芯片、單片機(jī)和以太網(wǎng)控制器。主要分為控制模塊、協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊和以太網(wǎng)通信模塊。其中，協(xié)議轉(zhuǎn)換由單片機(jī)內(nèi)部軟件完成。 控制模塊控制模塊主要完成對網(wǎng)數(shù)據(jù)的管理并向單片機(jī)傳輸數(shù)據(jù)，其核心是神經(jīng)元芯片。神經(jīng)元芯片與其他設(shè)備的互連是通過其個(gè)口，編程人員可以定義多個(gè)引腳為輸入輸出對象。用戶程序可通過（）和（）訪問這些對象，并在程序執(zhí)行期間完成輸入輸出操作。本文設(shè)計(jì)的適配器采用芯片預(yù)定義的并行對象，實(shí)現(xiàn)了高數(shù)據(jù)速率和全雙工工作方式。并行對象利用的個(gè)口進(jìn)行通信。其中為雙向數(shù)據(jù)線，為控制信號線。借助令牌傳遞握手協(xié)議，并行口可外接處理器，實(shí)現(xiàn)芯片與外接各類微處理器之間的雙向數(shù)據(jù)通信。并行口的速率可達(dá)，工作方式有三種，即主模式、從模式和從模式。不同的模式下，這三根控制信號線的意義不同。本文應(yīng)用從模式與單片機(jī)連接如表所示。表1 Neuron芯片與單片機(jī)的連接IO8片選信號線（CS）接P2.5IO9讀寫信號線（R/W）接P3.6IO10握手信號線（HS）接P1.0IO0IO7數(shù)據(jù)總線接P0.0P0.7從模式中，芯片為從機(jī)，單片機(jī)為主機(jī)。主機(jī)與從機(jī)間的數(shù)據(jù)傳輸通過虛擬的寫令牌傳遞協(xié)議（ ）實(shí)現(xiàn)。主機(jī)和從機(jī)交替地獲得寫令牌，只有擁有寫令牌的一方可以寫數(shù)據(jù)（不超過字節(jié)），或者不寫任何數(shù)據(jù)傳送一個(gè)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（寫數(shù)據(jù)）、（傳遞空令牌）、（要求從機(jī)同步）、（確認(rèn)同步）四種，最后以字節(jié)結(jié)束。寫數(shù)據(jù)和傳遞空令牌的格式分別如表、表所示。表2 寫數(shù)據(jù)的格式CMD_XFERLengthDataEOM表3 傳遞空令牌的格式CMD_NULLEOM 以太網(wǎng)通信模塊以太網(wǎng)通信模塊由單片機(jī)和組成。以太網(wǎng)控制器由臺(tái)灣公司生產(chǎn)，腳封裝。它支持位數(shù)據(jù)總線及個(gè)基地址選擇，使用兼容的寄存器結(jié)構(gòu)。它有一塊字節(jié)的，地址為。實(shí)際上它是雙端口，可以同時(shí)被網(wǎng)卡讀寫和用戶讀寫，相互之間不影響。網(wǎng)卡讀寫比用戶讀寫的優(yōu)先級高。分頁存儲(chǔ)，每字節(jié)稱為一頁。將前頁作為發(fā)送緩沖區(qū)（），后頁作為接收緩沖區(qū)（）。以太網(wǎng)的介質(zhì)訪問控制、校驗(yàn)及數(shù)據(jù)幀的接收和發(fā)送都由網(wǎng)卡自動(dòng)完成，只需將包加上目的地址和源地址，再通過遠(yuǎn)端接口對內(nèi)部進(jìn)行讀寫即可。網(wǎng)卡的地址線共根。用到的網(wǎng)卡地址為十六進(jìn)制的，基地址為，從地址。地址線的是固定的，只需根地址線即可。所以輸入輸出地址共個(gè)，地址偏移量為（對應(yīng)于）。對于位操作方式，個(gè)地址中只有個(gè)有用：共個(gè)寄存器地址，為地址，為復(fù)位地址。本適配器采用輪詢方式，不使用中斷。故與單片機(jī)的連接如表所示。表4 RTL8019as單片的連接IORB讀信號，接P3.6IOWB寫信號，接P3.7RSTDRV復(fù)位信號，P3.4AEN地址信號，接地IOCS16接下拉電阻，選擇8位模式S0S7數(shù)據(jù)總線，接單片機(jī)P0口A19A10，A6地址線接地A9，A5接P2.5（高電平時(shí)選中）A4A0接單片機(jī)P2.0P2.4表5 單片機(jī)發(fā)往RTL8019as的數(shù)據(jù)格式以太網(wǎng)首部IP首部UDP首部數(shù)據(jù)14字節(jié)20字節(jié)20字節(jié)128n字節(jié)本適配器使用傳送數(shù)據(jù)，同時(shí)支持的回應(yīng)應(yīng)答和回應(yīng)請求報(bào)文（命令），單片機(jī)發(fā)往的數(shù)據(jù)幀格式如表所示。用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)協(xié)議要作一些簡化，不考慮數(shù)據(jù)分片和優(yōu)先權(quán)。因此，在首部中不討論服務(wù)類型和標(biāo)志偏移域，只需填“”即可。 互連適配器的硬件電路設(shè)計(jì)由于只有四個(gè)位口，無法同時(shí)與 和通信，故使用口作為數(shù)據(jù)總線。作為片選信號，高電平為，低電平為。圖給出了互連適配器的電路框圖。其中和復(fù)用同一條位數(shù)據(jù)線，依靠進(jìn)行片選。當(dāng)高電平時(shí)，地址（）有效，被選中。作為單片機(jī)的下載線，互聯(lián)適配器也可使用口與計(jì)算機(jī)通信。圖2 適配器工作流程圖 互連適配器的軟件設(shè)計(jì)適配器的軟件編寫包括兩部分：一部分是上用 語言編寫；另一部分是在上用語言開發(fā)協(xié)議棧和與、的通信軟件，可讀性強(qiáng)，可方便地移植到其他核心單片機(jī)上。 適配器的初始化單片機(jī)和之間先建立握手信號，即信號有效（由的固件自動(dòng)實(shí)現(xiàn)）；然后，主機(jī)發(fā)送一個(gè)命令，要求從機(jī)同步，而從機(jī)接收到這個(gè)信號后，則發(fā)送，表示已同步，可以通信了。在通信前要先讀取的內(nèi)容并設(shè)置內(nèi)部寄存器的值（配置寄存器，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)地址），再由對的頁與頁相關(guān)寄存器進(jìn)行初始化，即可正常工作。 適配器工作流程考慮到網(wǎng)主要作為監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，特別在樓宇自動(dòng)化中的監(jiān)控，由網(wǎng)發(fā)往以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)較多，應(yīng)首先保證其優(yōu)先權(quán)。且只有字節(jié)的內(nèi)存，無法處理大的以太網(wǎng)幀。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)比較，在最后具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，選擇最大為每幀字節(jié)，盡量做到每收個(gè)幀，發(fā)一個(gè)以太網(wǎng)幀，流程如圖所示。 服務(wù)器監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)現(xiàn)場總線使用網(wǎng)絡(luò)變量的方式傳送數(shù)據(jù)。一個(gè)網(wǎng)絡(luò)變量是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的一個(gè)對象，各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的聯(lián)系通過網(wǎng)絡(luò)變量實(shí)現(xiàn)。當(dāng)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)變量在一個(gè)節(jié)點(diǎn)中被應(yīng)用程序改變時(shí)，協(xié)議自動(dòng)將新值構(gòu)成隱式消息透明地發(fā)往可與之共享的其他節(jié)點(diǎn)，而應(yīng)用程序則不必考慮發(fā)送、接收和尋址的問題。安裝在服務(wù)器上的監(jiān)控軟件將需要改變的網(wǎng)絡(luò)變