LON现场控制网络到以太网互连适配器的设计
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增大字体摘要：以５１单片机为核心连接ＬＯＮ现场控制网络与以太网互连适配器的设计方案，描述了神经元芯片使用并行Ｉ／Ｏ模式与５１单片机通信的方法，介绍了５１单片机控制以太网控制芯片８０１９ａｓ的方法。并采用Ｃ５１语言实现ＵＤＰ传输，完成了系统的调试与验证。
关键词：Ｌｏｎｗｏｒｋｓ 以太网 ＲＴＬ８０１９ａｓ ８０Ｃ５１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。
Ｌｏｎｗｏｒｋｓ现场总线是美国Ｅｃｈｅｌｏｎ公司１９９１年推出的局部操作网络。Ｌｏｎｗｏｒｋｓ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Ｌｏｎｗｏｒｋｓ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ＬＯＮ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
１ 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ＴＭＰＮ３１５０、５１单片机８９Ｃ５１ＲＤ和以太网控制器ＲＴＬ８０１９ａｓ。主要分为Ｌｏｎｗｏｒｋｓ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。
１．１ Ｌｏｎｗｏｒｋｓ控制模块
Ｌｏｎｗｏｒｋｓ控制模块主要完成对ＬＯＮ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１１个Ｉ／Ｏ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ｉｏ＿ｉｎ（）和ｉｏ＿ｏｕｔ（）访问这些Ｉ／Ｏ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Ｎｅｕｒｏｎ芯片预定义的并行Ｉ／Ｏ对象，实现了高数据速率和全双工工作方式。
并行Ｉ／Ｏ对象利用Ｎｅｕｒｏｎ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。并行口的速率可达３．３Ｍｂｐｓ，工作方式有三种，即主模式、从Ａ模式和从Ｂ模式。不同的模式下，ＩＯ８～ＩＯ１０这三根控制信号线的意义不同。本文应用从Ａ模式与单片机连接如表１所示。
表1 Neuron芯片与单片机的连接
| IO8 | 片选信号线（CS）接P2.5 |
| IO9 | 读写信号线（R/W）接P3.6 |
| IO10 | 握手信号线（HS）接P1.0 |
| IO0～IO7 | 数据总线接P0.0～P0.7 |
从Ａ模式中，Ｎｅｕｒｏｎ芯片为从机，５１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（Ｖｉｒｔｕａｌ Ｗｒｉｔｅ Ｔｏｋｅｎ－Ｐａｓｓｉｎｇ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）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２５５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。写数据和传递空令牌的格式分别如表２、表３所示。
表2 写数据的格式
| CMD_XFER | Length | Data | EOM |
表3 传递空令牌的格式
| CMD_NULL | EOM |
１．２ 以太网通信模块
以太网通信模块由５１单片机和ＲＴＬ８０１９ａｓ组成。以太网控制器ＲＴＬ８０１９ａｓ由台湾Ｒｅａｌｔｅｋ公司生产，１００脚ＰＱＦＰ封装。它支持８／１６位数据总线及１６个Ｉ／Ｏ基地址选择，使用Ｎｅ２０００兼容的寄存器结构。它有一块１６Ｋ字节的ＲＡＭ，地址为０ｘ４０００～０ｘ７ｆｆｆ。实际上它是双端口ＲＡＭ，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。ＲＡＭ分页存储，每２５６字节称为一页。将前１２页作为发送缓冲区（０ｘ４０００～０ｘ４ｂｆｆ），后５２页作为接收缓冲区（０ｘ４ｃ００～０ｘ７ｆｆｆ）。
以太网的介质访问控制、ＣＲＣ校验及数据帧的接收和发送都由网卡自动完成，只需将ＩＰ包加上目的ＭＡＣ地址和源地址，再通过远端ＤＭＡ接口对ＲＴＬ８０１９ａｓ内部ＲＡＭ进行读写即可。网卡的地址线共２０根。用到的网卡地址为十六进制的０２４０Ｈ～０２５ＦＨ，基地址为０２４０Ｈ，从地址２４０Ｈ～２５ＦＨ。地址线的Ａ１９～Ａ５是固定的００００００００００１００１０，只需５根地址线即可。所以ＲＴＬ８０１９ａｓ输入输出地址共３２个，地址偏移量为００Ｈ～１ＦＨ（对应于２４０Ｈ～２５ＦＨ）。
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作者：佚名
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