湖北省黃岡市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局 徐 進(jìn)湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 朱劍雄

USB2.0控制器CY7C68013在lon總線技術(shù)中的應(yīng)用

湖北省黃岡市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局 徐 進(jìn)湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 朱劍雄

針對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)高性能的便攜式（主要針對(duì)移動(dòng)系統(tǒng)）數(shù)據(jù)通信的要求，研制了LON總線的USB2.0接口卡。由于采用USB2.0接口，能夠克服以往使用RS－232串口與便攜設(shè)備通信實(shí)時(shí)性不夠的弱點(diǎn)。USB2.0協(xié)議提供480Mb／s的傳輸速度，向下完全兼容流行的USB1.1協(xié)議。接口卡主要由Toshiba公司生產(chǎn)的TMPN3150與Cypress公司推出的USB2.0控制器CY7C68013組成。3150完成與LON總線的通信而CY7C68013則具有USB2.0的完整解決方案，兩芯片的通信采用并口通信方式。

LON 總線；USB2.0接口；TMPN3150；CY7C68013；并口通信

Lon Works總線是由美國(guó)Echelon公司推出的一種現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，由于Lon Works控制網(wǎng)絡(luò)的開放性、高速性、互操作性及其對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)性，它已廣泛應(yīng)用于樓宇自動(dòng)化、家庭自動(dòng)化、保安系統(tǒng)、辦公設(shè)備、交通運(yùn)輸、工業(yè)過程控制等行業(yè)。Lon總線的現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)間采用的Lon Talk協(xié)議，當(dāng)工程師使用便攜設(shè)備對(duì)現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)或進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集時(shí)往往只能使用RS232串口。眾所周知，RS232的傳輸速度最高只能達(dá)到9600kbps，這對(duì)實(shí)時(shí)性要求很高的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集來說遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求。針對(duì)這一情況我們開發(fā)研制了Lon總線的USB2.0接口卡。該卡提供的USB2.0接口使得數(shù)據(jù)的傳輸速度能提高到480Mbps，并且向下完全兼容流行的USB1.1協(xié)議。

1 USB2.0的主要特點(diǎn)

USB協(xié)議的2.0版本于2000年4月推出。支持以下3種速度模式：低速模式（low speed）1.5Mb／s；全速模式 （full speed）12Mb／s；高 速 模 式 （high speed）480Mb／s。它支持現(xiàn)存的所有 USB設(shè)備，既可以把USB1.1設(shè)備插入U(xiǎn)SB1.1的PC機(jī)接口，并且在電氣上兼容USB1.1的連接線。

1.1 USB總線特點(diǎn)

（1）數(shù)據(jù)傳輸速率高；

（2）數(shù)據(jù)傳輸可靠；

（3）同時(shí)掛接多個(gè)USB設(shè)備；

（4）USB接口能為設(shè)備供電；

（5）支持熱插拔。

1.2 USB的新特性

USB還具有一些新的特性，如：實(shí)時(shí)性（可以實(shí)現(xiàn)和一個(gè)設(shè)備之間有效的實(shí)時(shí)通信）、動(dòng)態(tài)性（可以實(shí)現(xiàn)接口間的動(dòng)態(tài)切換）、聯(lián)合性（不同的而又有相近的特性的接口可以聯(lián)合起來）、多能性（各個(gè)不同的接口可以使用不同的供電模式）。

2 Lon Works接口卡硬件設(shè)計(jì)

2.1 Lon Works接口卡通信原理及硬件結(jié)構(gòu)框圖

接口卡的工作原理如下：接口卡由Lon網(wǎng)接口模塊和USB2.0接口模塊組成（見圖1）。采用雙CPU技術(shù)，主CPU為USB2.0控制器CY7C68013內(nèi)置的增強(qiáng)的8051內(nèi)核（該內(nèi)核的運(yùn)行速度是普通8051的5倍），主要作為協(xié)議的轉(zhuǎn)換模塊，用來完成USB2.0協(xié)議與Lon Talk協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，向上與便攜PC機(jī)（或其它具有USB接口的便攜設(shè)備）進(jìn)行通訊，向下與3150進(jìn)行并口通訊。輔CPU為TMPN3150，主要起Lon網(wǎng)接口的功能，作為通訊協(xié)處理器使用，將從主CPU接收到的來自便攜PC機(jī)（或其它具有USB接口的便攜設(shè)備）的報(bào)文解析成Lontalk協(xié)議報(bào)文并通過Lonworks收發(fā)器傳向Lon網(wǎng)，或?qū)腖on網(wǎng)上接收到的Lontalk協(xié)議報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)給主CPU，再由主CPU傳向便攜PC機(jī)（或其它具有USB接口的便攜設(shè)備）。51CPU與Neuron 3150采用并行方式通信。Neuron芯片的11個(gè)I／O有34種可選工作模式，其中包括并行I／O方式.該方式數(shù)據(jù)的最大傳送速率可達(dá)3.3Mbps。并口工作方式在數(shù)據(jù)傳送速度方面的優(yōu)勢(shì)，使得Neuron芯片與51CPU完成大數(shù)據(jù)量的傳送成為可能。他們之間的數(shù)據(jù)傳輸是通過運(yùn)用“虛寫令牌傳遞機(jī)制”實(shí)現(xiàn)的，擁有令牌的一方擁有對(duì)數(shù)據(jù)總線的寫控制權(quán)。

圖1 Lon worksUSB2.0接口卡結(jié)構(gòu)框圖

2.2 Lon Works接口卡硬件電路設(shè)計(jì)

該接口卡中，USB2.0控制器采用Cypress公司推出的USB2.0控制器CY7C68013。它是USB2.0的完整解決方案。CY7C68013該芯片包括帶8.5KB片上RAM的高速8051單片機(jī)、4KB FIFO存儲(chǔ)器以及通用可編程接口（GPIF）、串行接口引擎（SIE）和 USB2.0收發(fā)器，無需外加芯片即可完成高速USB傳輸，性價(jià)比較高。智能串行接口引擎（SIE）執(zhí)行所有基本的USB功能，將嵌入式MCU解放出來以用于實(shí)現(xiàn)專用的功能，并保證其持續(xù)的高性能的傳輸速率。通用可編程接口（GPIF），允許它“無膠粘接”，即可與任何ASIC或DSP進(jìn)行連接，并且它還支持所有通用總線標(biāo)準(zhǔn)，包括ATA、UTOPIA、EPP和PCMCIA。它完全適用于USB2.0，并向下兼容USB1.1。

3150芯片選用Toshiba公司生產(chǎn)的TMPN3150。3150片內(nèi)存儲(chǔ)器的地址范圍是E800H～FFFH，包括2KB的SRAM和512B的EEPROM.3150可以外接存儲(chǔ)器，如RAM、ROM、EEPROM或FLASH，其地址范圍是0000H～7FFH。根據(jù)一般應(yīng)用的性能和成本要求，3150的外部存儲(chǔ)器采用FLASH和RAM.FLASH選用IS61C256AH－15N，RAM選用AT29C512。61C256和29C512的地址范圍通過邏輯門電路根據(jù)Neuron芯片的地址線和控制線E來確定。51與3150采用3150的并口通信方式，將Neuron芯片的IO0－IO7作為8根數(shù)據(jù)線與51CPU的PB（PB0－PB7）口相連，IO8作為片選信號(hào)線（／CS）與51CPU的PC0口相連，IO9作為數(shù)據(jù)讀／寫信號(hào)線（R／w）與51CPU的PC6口（寫信號(hào)）相連，IO10作為握手信號(hào)線（HS）與51CPU的PC1口相連。

為提高增加接口卡的可靠性及穩(wěn)定性，本設(shè)計(jì)增加了一個(gè)鎖存器，完成復(fù)位接口的功能。當(dāng)3150芯片復(fù)位時(shí)，通過鎖存器將復(fù)位信號(hào)傳送給CY7C68013內(nèi)置的8051處理器，8051接到復(fù)位信號(hào)自動(dòng)復(fù)位，并馬上清鎖存器。其接線如圖3。在并口通訊中8051與3150同步非常重要，要完成并口通訊8051首先要與3150達(dá)到同步且同步操作必須在3150復(fù)位時(shí)進(jìn)行。8051只在初始化程序時(shí)才與3150進(jìn)行同步操作，因此完成同步后每當(dāng)3150由于誤操作或錯(cuò)誤運(yùn)行而造成復(fù)位時(shí)，3150與8051將會(huì)失去同步，而8051無法檢測(cè)到，從而造成并口通訊失敗。加入了鎖存器之后8051就能檢測(cè)到3150的復(fù)位信號(hào)并自動(dòng)復(fù)位自己的程序使得8051與3150再次達(dá)到同步。這將使適配器的可靠性和穩(wěn)定性都得到加強(qiáng)。圖2為CY7C68013與TMPN3150的接線圖。

Neuron芯片與LON的網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)的接口采用一種LonWorks自由拓?fù)湫褪瞻l(fā)器FTT－10A.FTT－10A是一種變壓器耦合收發(fā)器，可提供一個(gè)與雙絞線的無極性接口，且支持網(wǎng)絡(luò)的自由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)通訊介質(zhì)采用最常用的雙絞線。

圖2 3150與USB控制器接線圖

3 Lon Works接口卡軟件設(shè)計(jì)

3.1 Neuron芯片的編程語言——Neuron C

Neuron芯片有一套專門的開發(fā)語言——Neuron C.Neuron C派生于ANSI C，并增加了對(duì)I／O、事件處理、報(bào)文傳送和分布式數(shù)據(jù)對(duì)象的支持，是開發(fā)Neuron芯片應(yīng)用程序的重要工具。其語法擴(kuò)展包括軟件定時(shí)器、網(wǎng)絡(luò)變量、顯式報(bào)文、多任務(wù)調(diào)度、EEPROM變量和附加功能等。其中，顯示報(bào)文的使用為L(zhǎng)ON節(jié)點(diǎn)間的通訊及互操作提供了基礎(chǔ)。通過對(duì)不同節(jié)點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò)地址，即可實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳遞。也就是說，LON接口卡中的3150通過構(gòu)造和解析報(bào)文實(shí)現(xiàn)了與LON網(wǎng)用戶節(jié)點(diǎn)的通信。

3.2 CY7C68013的開發(fā)工具

Cypress公司對(duì)CY7C68013提供了較為完備的開發(fā)套件CY3681。它包括帶128腳CY7C68013的硬件開發(fā)板和相應(yīng)的控制面板（Control panel）、GPIF代碼自動(dòng)生成軟件（GPIFTool）。對(duì)于內(nèi)核8051的開發(fā)采用Keil開發(fā)工具。

3.3 Lon Works接口卡的軟件設(shè)計(jì)

該接口卡的程序包含兩大部分。一是存儲(chǔ)在CY7C68013中的USB驅(qū)動(dòng)程序和與3150的并口通信程序；二是存儲(chǔ)在3150外部FALSH中的并口通信程序以及Lon Talk協(xié)議轉(zhuǎn)換程序。USB驅(qū)動(dòng)程序在開發(fā)套件CY3681中已有支持用戶只要調(diào)用即可。而與3150的并口通信程序則采用Keil C51語言編寫，并通過USB口下載到CY7C68013的8051內(nèi)核中。3150外部FALSH中的并口通信程序以及Lon Talk協(xié)議轉(zhuǎn)換程序采用Neuron C語言編寫，并采用LonWorks開發(fā)工具——LonBuilder中的Neuron C編譯器對(duì)程序進(jìn)行編譯，生成ROM映象文件，最后下載到片外FLASH（61C256）中。

在8051的并口通信程序中需要模擬3150的并口通信從A方式。以下為并口通信程序中主要模塊。包括同步模塊（sync＿loop（））；握手模塊（hndshk（））；并口數(shù)據(jù)傳送接收模塊（pio＿read（）；pio＿write（void））；令牌傳遞模塊（pass＿token（））。

根據(jù)硬件設(shè)計(jì)，將3150芯片的I／O定義為并行（parallel）I／O對(duì)象類型.定義并行I／O對(duì)象的 Neuron C源代碼如下所示：IO＿0parallel slave P＿BUS，其中，P＿BUS為所定義的I／O對(duì)象名稱。Neuron將從并口得到的報(bào)文解析，再利用Neuron C的消息傳送機(jī)制，將解析的消息傳送給適配器下層的應(yīng)用節(jié)點(diǎn)。讀取數(shù)據(jù)的Neuron C函數(shù)為io＿in（），其格式如下：io＿in（P＿BUS，address1）；其中P＿BUS為并口IO對(duì)象名稱，address1為接收并口數(shù)據(jù)的地址。發(fā)消息的Neuron C函數(shù)為 msg＿send（）。

4 結(jié)論

本文所設(shè)計(jì)的接口卡目的主要是為，帶有USB接口的便攜設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)測(cè)量和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)提供高速、安全的通信接口。解決了令工程師頭痛的便攜設(shè)備與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備采用通用串口通信時(shí)傳輸速率低、經(jīng)常掉線、連接不可靠的問題。

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2012－05－06）