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应用MIPCARD进行LonWorks以太网网关设计

作者:李勇周,朱建林,郭有贵  时间:2006-12-01 12:23  来源:电子设计信息网-www.edires.net
摘要:MIPCARD具有从单片机开发到LonWorks开发简单过渡的特点。应用MIPCARD设计的网关可以充分利用单片机的开发资源,只需将MIPCARD作为外部存储器使用,就可以实现此网关的前端设计。该网关向以太网提供RJ-45 接口,使它和LonWorks网连接。

关 键 词:MIPCARD;LonWorks ;以太网网关

LON(Local Operating Networks) 总线是美国Echelon公司1991年推出的局部操作网络,为集散式监控系统提供了很强的手段。在其支持下,诞生了新一代的智能化低成本的现场测控产品。为了支持LON总线,Echelon公司开发了LonWorks技术,它为LON总线设计、产品化提供了一套完整的开发平台.LON总线也成为当今最为流行的现场总线之一。

LON总线与以太网相连需经过一个网关,Echelon公司提供了这种产品,但因为成本较高,使用范围有限. 如果采用单片机开发这种网关,则具有投资少、成本低、开发周期短、应用范围广的优点。而且国内有单片机开发的广泛资源,只要把这种开发资源与LonWorks 技术优势结合起来,就可以推动LonWorks技术的应用。

开发网关有两种方法:一是利用Neuron芯片直接开发;一是利用含有Neuron芯片的控制模块进行开发。第一种方法需掌握技术细节,开发难度较大;而第二种方法由于控制模块解决了Neuron(神经元) 芯片的技术细节,向用户开放了强大的IPO口,所以被广泛采用。但需要Echelon公司的专用开发工具、成本高、周期长,阻碍了LonWorks技术的推广。兼顾国内情况,现有MIPCARD ,是一种全新的控制模块,它不仅包含了所有与Neuron有关的电路及通信接口电路,并且带有一个256 字节的双口RAM接口。对单片机而言,只要把MIPCARD作为一个外部存储器就可以进行硬件设计。基于MIPCARD的LonWorks的以太网网关在物理层完成Lon网和以太网的连接,在网络层完成LonTalk协议和TCP/IP协议的转换。它由三部分组成(如图1) ,分为MIPCARD接口模块、TCP/IP协议转换模块、以太网控制模块。

图1  网关各功能模块结构图

网关硬件设计

MIPCARD 接口模块
MIPCARD接口模块结构主要由Neuron3150神经元芯片,网络收发器FTT-10A,程序存储器,数据存储器等组成。它的作用是:Neuron3150 神经元芯片作为通信协处理器使用,内存容量是2KB,如果在开发中发现内存不够,可以扩展程序和数据存器. 这部分的开发可以使用国内开发的软件ONLON ,也可以使用Echelon 的专用设备。ONLON与MIPCARD 具有很好的接口,网络变量的定义符合LONMARK标准。

定义好MIPCARD中的256个字节,分为接收数据区和发送数据区。再对数据区进行细分,形成MEMO-RYMAP,用ONLON网络变量端子定义标准网络变量,建立存储器与网络变量的联系,然后用网络管理工具对节点进行安装、监测。

协议转换模块
协议转换模块是网关的核心部分。LON网使用的通信协议是LonTalk,而以太网使用的通信协议是TCP/IP,它们必须转换,才能进行通信控制。单片机用Atmel 公司的89C52,因为网关只是完成接收-存储- 转发的单一性任务,不需要有嵌入式操作系统的微处理器。考虑到协议栈较大,需要扩展程序存储器,相应扩展数据存储器。89C52是一种低功耗高性能8位微处理器,它具有8KB闪速可编程及可擦除只读存储器,256B 数据存储器,32个I/O 口,3个16位定时器,8个中断源,1个全双工串口。它的功能主要完成LonTalk协议与TCP/IP协议的转换。协议转换模块特点是主处理器成本低,结构紧凑,易于实现。

以太网控制模块
以太网控制模块是网关与以太网通信的控制部分。采用RTL8019AS网卡芯片,它在芯片集成了以太网控制器、曼彻斯特编码器、收发器三部分。有16KB的数据缓冲存储区,只需外接20MHz晶振,就可以完成大量数据的接收与发送。网卡芯片也可以采用NE2000,因为它和RTL8019AS兼容。

综上所述,LonWorks总线作为现场测控网络,而以太网作为Internet 的底层接入网,以89C52 作为主机,MIPCARD 作为从机,8019作为网卡控制芯片,就可以实现Lon网与以太网的连接,从而实现Lon网与Internet网的连接. 应用国内开发的硬件与软件经再次开发的LonWorks的以太网网关简单易行,具有广泛的应用前景。

网关的软件设计

主从机的软件设计
MIPCARD自身具有MIP模式,在它上面开发主要应用NeuronC编程。神经元芯片3150 的并行I/O方式有三种:MASTER、SLAVE A、SLAVE B。不同的方式下,管脚的连接不同。在这里,考虑到89C52主机同时连接多个外围设备,以及工作在总线环境下,选择SLAVE B 方式。MIPCARD和Lon网相连,并且3150作为89C52的从机,它的功能主要是向上将现场总线采集的数据传输给主机,向下将主机发送的以太网信息传输给现场总线. 所以,定义神经元芯片的接口方式为SLAVE B。

主机只需访问控制寄存器与状态寄存器,实现主机与从机的并行数据传输,遵守虚拟写令牌。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 个字节) ,或者不写数据只是传输一个空令牌。传输的数据要遵循一定的格式,在传输的数据前面加上命令码和长度,最后以EOM结束。

通信以前,主从机先建立握手信号,这由3150固件自动实现。然后,主机发布命令要求从机同步,而从机收到响应,表示同步,就可以通信了。从这以后,写令牌就在主从机之间无限地传递,拥有写令牌的一方可以向数据总线上写数据,即主机可以向从机写数据,从机也可以向主机写数据,数据的传输就可以完成。

协议转换的软件设计
LonWorks现场总线的通信协议是LonTalk,以太网的通信协议是TCP/IP,实现通信协议的转换是网关设计的关键。89C52 将LonWorks现场总线采集到的数据打包为TCP/IP数据报后发给8019的缓冲区,8019将IP数据报打包成以太网帧,且经过并串转换后由8019数据口传给RJ-45,然后送入以太网。相应地,从以太网传来的帧数据,经过相反的解包过程,将数据传输给现场总线。89C52的资源十分有限,程序空间直接寻址为64KB,数据空间最大可以扩展为64KB,而这些均要被多个协议共享。基于以上考虑,我们设计出精简协议栈,包括ICMP协议、IP协议、TCP协议、APP协议、网络接口程序、TCP/IP内存管理程序等。流程图如图2。这些已经足够满足实际需要。
图2  TCP/IP 协议转换流程图

以太网的控制模块的软件设计
89C52通过设置8019的控制寄存器,对地址和数据总线的读写完成以太网帧接收和发。8019内的数据接收采取DMA方式,它自身带有的16KB的静态随机数据存储器为此提供了充足的缓冲区。89C52与8019的数据交换采取查询方式,相对中断而言,这种方式处理数据的时间短,提高了数据交换的速度。这部分的软件设计主要包括ARP协议、以太网接口协议、8019的驱动程序等。

应用与展望

基于MIPCARD的LonWorks的以太网网关设计,立足于国内的实际情况,利用现有的硬件和软件条件,开发满足生产需要的产品,实现了现场测控网与因特网的无缝连接。它向Lon网提供了接口,也向以太网提供了接口,从而把现场测控网与因特网连接起来,使企业信息网与与现场总线集成在一起,实现了远程监测、控制、诊断等. 可以广泛应用于生产实际。本网关使用8 位单片机,也可以使用16单片机,或者使用DSP 代替,则技术含量会更高,开发的网关适用的范围也会更加广泛。

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