LON現場控制網絡到以太網互連適配器的設計方案

1、LON現場控制網絡到以太網互連適配器的設計摘要：以51單片機為核心連接LON現場控制網絡與以太網互連適配器的設計方案，描述了神經元芯片使用并行I/O模式與5 1單片機通信的方法，介紹了5 1單片機控制以太網控制芯片8 0 19as的方法。并采用C51語言實現UDP傳輸，完成了系統的調試與驗證。關鍵詞：Lonworks 以太網 RTL8019as 80C51單片機隨著互聯網的發(fā)展，在使用計算機進行互聯的同時，各種智能家電、工業(yè)控制、智能儀器儀 表、數據采集都在逐步趨向網絡化。 但由于以太網在實時性和可靠性的先天不足， 各種現場 總線技術應運而生； 更因為其徹底的開放性、 分散性和完全可互操作性等

2、特點， 正成為未來 新型工業(yè)控制系統的發(fā)展方向。 以太網以其應用的廣泛性和技術的先進性， 逐漸壟斷了商用 計算機的通信領域和過程控制領域的上層信息管理與通信。為實現上層管理網絡與下層控制網絡的集成，在實際中必須實現現場總線與以太網互聯。Lonworks現場總線是美國Echelo n公司1991年推出的局部操作網絡。Lonworks現場總線在網絡通信方面具有突出優(yōu)點，如網絡物理層支持多種通信介質，支持多種網絡拓撲結構等。目前使用Lonwor ks技術的產品廣泛應用于工業(yè)、樓宇、家庭、能源等自動化領域。本文提出的 適配器連接方案，能將LON控制網與以太網無縫連接，實現透明傳輸。圖 1 互連適配器的

3、電路框圖1 互連適配器硬件電路設計適配器使用的主要芯片為神經元芯片TMPN3150、51單片機89 C51RD和以太網控制器RTL8019aso 主要分為Lonworks控 制模塊、協議轉換模塊和以太網通信模塊。 其中，協議轉換由單片機內部軟件完 成。1.1 Lonworks控制模塊Lonworks控制模塊主要完成對LON網數據的管理并向單片機傳輸數據，其核心是神經元芯片。神經元芯片與其他設備的互連是通過其11個I/O口，編程人員可以定義多個引腳為輸入/輸出對象。用戶程序可通過ioin（）和）。out（）訪問這些I /O對象，并在程序執(zhí)行期間完成輸入/輸出操作。本文設計的適配器采用Neuron

4、芯片預定義的并行I/O對象，實現了高數據速率和全雙工工作方式。并行I/O對象利用Neuro n的11個I/O口進行通信。其中IO0IO7為雙向數據線，IO8IO10為控制信號線。 借助令牌傳遞握手 協議，并行I/O口可外接處理器，實現Neuro n芯片與外接各類微處理器 之間的雙向數據通信。并行口的速率可達3.3Mbps，工作方式有三種，即 主模式、從A模式和從E模式。不同的模式下，IO8IO10這三根控制信 號線的意義不同。本文應用從A模式與單片機連接如表1所示。表1 Neuron芯片與單片機的連接從A模式中，Neuron芯片為從機，51單片機為主機。 主機與從機間的數據傳輸通過虛擬的寫令牌

5、傳遞協議（VirtualWrite Token-Passing Protocol）實現。主機和從機交替地獲得寫令牌，只有擁有寫令牌的一方可以寫數據（不超過2 5 5字節(jié)），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(jié)結束。寫數據和傳遞空令牌的格式分別如 表2、表3所示。表2寫數據的格式CMD_XFERLen gthDataEOM表3傳遞空令牌的格式CMD NULLEO

6、M1.2以太網通信模塊以太網通信模塊由5 1單片機和RTL8019as組成。以太網控制器RTL8019as由臺灣Realtek公司生產，100腳PQFP封裝。 它支持8/16位數據總線及16個I/O基地址選擇， 使用Ne 2 0 0 0兼容的寄存器結構。它有一塊16K字節(jié)的RAM,地址為0 x 4 0 0 00x7fff。實際上它是雙端口 RAM,可以同時被網卡讀/寫和用戶讀/寫，相互之間不影響。網卡讀寫比用戶讀寫的優(yōu)先級高°RAM分頁存儲， 每2 5 6字節(jié)稱為一頁。將前12頁作為發(fā)送緩沖區(qū)（0x40000x4bff），后5 2頁作為接收緩沖區(qū)（0x4c000x7fff）。以太網的

7、介質訪問控制、CRC校驗及數據幀的接收和發(fā)送都由網卡自動 完成，只需將IP包加上目的MAC地址和源地址，再通過遠端DMA接口對RTL8019as內部RAM進行讀寫即可。網卡的地址線共20根。用到的網卡地址為十六進制的0240 H025FH, 基地址為0 2 4 0 H,從地址2 40H25FH。地址線的A19A5是固定的000000000010 0 10,只需5根地址線即可。所以RTL8019as輸入輸出地址共32個， 地址偏移量為0 0H1FH （對應于2 4 0 H25FH）。對于8位操作方式，32個地址中只有18個有用：00H0FH共16個寄存器地址，10H為DMA地址，1FH為復位地址

8、。本適配器采用輪詢方式，不使用中斷。故 RTL8019as與單片機的連接如表4所示。表4 RTL8019as單片的連接IORB讀信號，接P3.6OWB寫信號，接P3.7RSTDRV復位信號，P3.4AEN地址信號，接地OCS16接下拉電阻，選擇 8位模式SO S7數據總線，接單片機 P0 口A19 A10，A6地址線接地A9，A5接P2.5 （高電平時選中）A4 A0接單片機P2.0尺2.4表5單片機發(fā)往RTL80佃as的數據格式以太網首部IP首部UDP首部數據14字節(jié)20字節(jié)20字節(jié)128 X1字節(jié)本適配器使用UDP傳送數據，同時支持ICMP的回應應答和回應請求 報文（Ping命令）,單片機

9、發(fā)往RTL8019as的數據幀格式如表5所 示。用單片機實現UDP協議要作一些簡化， 不考慮數據分片和優(yōu)先權。因此, 在IP首部中不討論服務類型和標志偏移域，只需填“0”即可。1.3互連適配器的硬件電路設計由于P89C5 1RD2只有四個8位I/O口，無法同時與RTL80 19as和TMPN3150通信，故使用P0口作為數據總線°P2.5作 為片選信號，高電平為RTL8019as， 低電平為TMPN3150。 圖1 給出了互連適配器的電路框圖。其中3150和RTL8019as復用同一條 8位數據線，依靠P2.5進行片選。當P2.5高電平時，RTL8019a s地址（1XXXXX）有效

10、，被選中。Max 2 3 2作為單片機的下載線，互 聯適配器也可使用RS 2 3 2 口與計算機通信。圖2適配器工作流程圖2互連適配器的軟件設計適配器的軟件編寫包括兩部分：一部分是TMPN3150上用Neur on C語言編寫；另一部分是在P89C51上用C51語言開發(fā)TCP/I P協議棧和與TMPN3 150、RTL8019as的通信軟件，可讀性強， 可方便地移植到其他5 1核心單片機上。2. 1適配器的初始化P 8 9 C 5 1單片機和TMPN 3 1 5 0之間先建立握手信號，即H S信 號有效（由TMPN 3 1 5 0的固件自動實現）；然后，主機發(fā)送一個CMD_ RE SYNC命令

11、，要求從機同步， 而從機接收到這個信號后，則發(fā)送CMD_ ACK SYNC,表示已同步，可以通信了。RT L 8 0 1 9在通信前要先讀取 9 3 C 4 6的內容并設置內部寄存器的值 （配置寄存器CONF I G 14 , 網 絡節(jié)點地址），再由8 9 C 5 1對R T L 8 0 1 9的頁0與頁1相關寄存器進行 初始化，即可正常工作。2. 2適配器工作流程適配器(192 ：4.EE)監(jiān)控管理器（192.I6&0.18考慮到LON網主要作為監(jiān)控網絡，特別在樓宇自動化中的監(jiān)控，由LO N網發(fā)往以太網的數據較多，應首先保證其優(yōu)先權。且8 9 C 5 1 RD只有1 0 2 4字節(jié)的內存，無法處理大的以太網幀。經過實驗比較，在最后具體實現時， 選擇LON最大為每幀64字節(jié)， 盡量做到每收10個LON幀，發(fā)一個以太網 幀，流程如圖2所示。OO.E0.4C.66.E4,FF）v圖3監(jiān)控軟件的實驗模型2. 3服務器監(jiān)控軟件的設計Lo nwo r k s現場總線使用網絡變量的方式傳送數據。一個網絡變量 是Lonworks網絡節(jié)點的一個對象， 各個節(jié)點之間的聯系通過網絡變量實 現。當一個網絡變量在一個節(jié)點中被應用程序改變時，L o n T a 1 k協議自動將新值構成隱式消息透明地發(fā)往可與之共享的其他節(jié)點，而應用程序則不必考慮 發(fā)送、接收和尋址的問題。安裝在服務