基于高性能8位單片機W78E58實現(xiàn)通信適配器軟硬件系統(tǒng)的設(shè)計

引 言

DeviceNet是一個開放的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準。規(guī)范和協(xié)議都是開放的——供應(yīng)商將設(shè)備連接到系統(tǒng)時，無需為硬件、軟件或授權(quán)付費；任何人都能以名義上的復(fù)制成本（目前為250美元+郵費）從開放式DeciceNet供應(yīng)商協(xié)會（ODVA）獲得DeviceNet規(guī)范。

本設(shè)計針對的DeviceNet從設(shè)備特性如下：屬于DeviceNet group 2 only 從設(shè)備；采用Predefine的通信連接；可通過硬件開關(guān)設(shè)置125 kbps、250 kbps、500 kbps波特率；可通過硬件開關(guān)設(shè)置0~63 MAC ID。在軟件、硬件設(shè)計前應(yīng)首先進行從設(shè)備（泵/閥）I/O需求分析（即profile文檔設(shè)計）。由于篇幅關(guān)系本文從略。

1、 通信適配器硬件系統(tǒng)設(shè)計

1.1 功能簡介

DeviceNet是基于CAN總線的一種總線協(xié)議標(biāo)準。因此，DeviceNet從設(shè)備適配器硬件首先應(yīng)實現(xiàn)CAN總線的基本功能，主要包括：報文收發(fā)、訪問控制及其它物理層的諸多功能。此外，為實現(xiàn)DeviceNet協(xié)議，硬件應(yīng)具有足夠大的程序存儲空間，并具有足夠快的運行速度，以保證協(xié)議程序的順利執(zhí)行。

1.2 硬件原理

DeviceNet節(jié)點硬件主要由以下幾部分組成：電源、單片機系統(tǒng)、看門狗及掉電保護電路、CAN控制器SJA1000、CAN收發(fā)器82C251、撥碼開關(guān)及狀態(tài)LED顯示、雙口RAM IDT7005、AnyBus接口。總體設(shè)計框圖如圖1所示。

（1）單片機

DeviceNet適配器選用Winbond公司的高性能8位單片機W78E58。W78E58功能、引腳與80C52完全兼容，并提供256 B的內(nèi)部RAM以及32 KB的Flash EEPROM，從而使系統(tǒng)不需擴展外部程序存儲器便可滿足DeviceNet協(xié)議程序的容量要求。W78E58最高可在40 MHz的主頻下運行，處理速度完全滿足DeviceNet節(jié)點通信的實時性要求。為減少芯片的數(shù)量及降低硬件成本，本系統(tǒng)只擴展1片8 KB的雙口RAM，其前面7 KB用于外部數(shù)據(jù)存儲，最后 1 KB用于提供與其它應(yīng)用電路的通信接口。

（2）CAN控制器SJA1000

DeviceNet總線報文的收發(fā)以及媒體訪問控制等都是依據(jù)CAN總線協(xié)議的，而這些協(xié)議都要通過CAN控制器加以實現(xiàn)。DeviceNet通信節(jié)點選用目前比較流行的Philips CAN控制器SJA1000。由于DeviceNet總線協(xié)議采用11位的標(biāo)識符，因此應(yīng)使SJA1000工作在Basic CAN模式。

（3）CAN收發(fā)器82C251

CAN收發(fā)器（transceiver）82C251的主要作用是收發(fā)CAN總線上的信號：一方面將總線信號轉(zhuǎn)換為CAN控制器所需的信號；另一方面，將CAN控制器的輸出信號轉(zhuǎn)化為CAN總線信號。

（4）雙口RAM IDT7005

DeviceNet適配器通過1個具有中斷功能的雙口RAM IDT7005提供與其它應(yīng)用電路的通信接口。IDT7005具有2套完全獨立的數(shù)據(jù)線、地址線、讀寫控制線，允許2個CPU對雙口RAM的同一個單元在不同的時間進行讀寫；具有2套完全獨立的中斷邏輯，實現(xiàn)2個CPU間的握手控制信號。IDT7005的最高2個字節(jié)1FFEH和1FFFH分別兼做2個端口的中斷邏輯單元。

（5）AnyBus接口

作為一種通用的現(xiàn)場總線通信節(jié)點，AnyBus提供了與其它應(yīng)用電路之間進行數(shù)據(jù)交換的接口標(biāo)準，并對接口的引腳進行了嚴格的定義。

2、 DeviceNet總線通信協(xié)議

DeviceNet協(xié)議規(guī)范是描述DeviceNet設(shè)備之間實現(xiàn)連接和交換數(shù)據(jù)的一套協(xié)議。在DeviceNet規(guī)范中定義了DeviceNet通信協(xié)議，詳細介紹了連接、信息協(xié)議和與通信相關(guān)的對象。

（1）DeviceNet是基于連接的網(wǎng)絡(luò)

DeviceNet中的連接提供在多種應(yīng)用之間交換信息的路徑。當(dāng)建立1個連接時，與連接相關(guān)信息的傳送就會分配1個標(biāo)識符，稱為連接標(biāo)識符CID（Connection Identifier）。如果某個連接需要雙向數(shù)據(jù)交換，則應(yīng)該分配2個不同的連接標(biāo)識符。

DeviceNet通信協(xié)議是基于連接概念的協(xié)議。一旦建立了連接，就可以在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間傳送I/O數(shù)據(jù)。此時，DeviceNet I/O報文的所有協(xié)議都包含在11位的CAN標(biāo)識符中，其它部分都是數(shù)據(jù)。

11位的CAN標(biāo)識符用來定義連接ID。DeviceNet將11位的CAN標(biāo)識符分為4組，前3組的連接ID包括了6位的媒體訪問控制標(biāo)識符（MAC ID）以及信息標(biāo)識符（Message ID）。信息組的定義如圖2所示。組4信息用于離線通信。

通過設(shè)計，DeviceNet系統(tǒng)中的節(jié)點能夠?qū)ψ约旱臉?biāo)識符進行管理。這些標(biāo)識符交錯分布在整個范圍內(nèi)。所有的節(jié)點都有一個完整的它們能獲得的報文優(yōu)先權(quán)范圍，而與它們的MAC ID無關(guān)。重復(fù)MAC ID算法保證了CAN標(biāo)識符的唯一性，而不需要網(wǎng)絡(luò)集中工具或記錄。

（2）DeviceNet的報文傳送

DeviceNet使用更為有效的生產(chǎn)者/消費者模式，取代了傳統(tǒng)的源/目的的傳輸方式。該模式要求對報文打包，使它具有數(shù)據(jù)標(biāo)識位域。標(biāo)識符還提供解決多級優(yōu)先權(quán)（仲裁中使用）的手段，以便更高效地傳送I/O數(shù)據(jù)，并供多個消費者使用。

DeviceNet定義了2種不同類型的報文，稱作 I/O報文和顯式報文。I/O報文適用于實時性要求較高和面向控制的數(shù)據(jù)。I/O報文數(shù)據(jù)幀中的8位數(shù)據(jù)場不包含任何與協(xié)議有關(guān)的位，只有當(dāng)I/O報文為大報文經(jīng)過分割后形成的I/O報文片段時，數(shù)據(jù)位域中有一位由報文分割協(xié)議使用。連接標(biāo)識符提供了I/O報文的相關(guān)信息，在I/O報文利用連接標(biāo)識符發(fā)送之前，報文的發(fā)送和接收設(shè)備都必須先進行設(shè)定。設(shè)定的內(nèi)容包括源和目的對象的屬性，以及數(shù)據(jù)生產(chǎn)者和消費者的地址。顯式報文適用于2個設(shè)備間多用途的點對點報文傳遞，是典型的請求-響應(yīng)通信方式，常用于節(jié)點的配置、問題診斷等。顯示報文通常使用優(yōu)先級低的連接標(biāo)識符，并且該報文的相關(guān)信息包含在顯示報文數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)位域中，包括要執(zhí)行的服務(wù)和相關(guān)對象的屬性及地址。

（3）預(yù)定義的主/從連接組

DeviceNet提供了一個功能很強的應(yīng)用層協(xié)議，允許動態(tài)配置設(shè)備間的連接。但考慮到有些設(shè)備根本不需要也沒有資源去使用這一強大功能，DeviceNet指定了一套稱為預(yù)定義主/從連接組的連接標(biāo)識符，用來簡化主/從結(jié)構(gòu)中I/O和配置型數(shù)據(jù)的傳送。

許多傳感器和執(zhí)行器要實現(xiàn)的功能在設(shè)計時就已經(jīng)預(yù)先決定了（如感受壓力、啟動馬達等等），因此這些設(shè)備將要生產(chǎn)和/或消費的數(shù)據(jù)的類型和數(shù)量在上電前就已經(jīng)知道了。這些設(shè)備通常提供輸入數(shù)據(jù)或請求輸出數(shù)據(jù)和配置數(shù)據(jù)。預(yù)定義主/從連接組可以滿足設(shè)備的這些要求，它提供的連接對象的全部配置在設(shè)備上電時就完成了。在啟動數(shù)據(jù)流時，主機設(shè)備唯一必須執(zhí)行的一個步驟就是要廣播對從機內(nèi)該預(yù)定義連接組的所有權(quán)。

（4）DeviceNet對象模型與設(shè)備描述

① 對象模型。為管理和實現(xiàn)DeviceNet產(chǎn)品組件的屬性（數(shù)據(jù)）、服務(wù)（方法或步驟）和行為提供了一個模板。模型為每個屬性提供了由4個數(shù)字組成的尋址方案，分別是節(jié)點地址（MAC ID）、對象類標(biāo)識符、實例編號和屬性編號。這4級地址與顯式報文連接相結(jié)合，將數(shù)據(jù)從DeviceNet網(wǎng)絡(luò)上的一點傳送到另一點。表1列出4個地址組件的范圍：

圖3是一個通用DeviceNet設(shè)備的對象模型；表2是DeviceNet產(chǎn)品中典型的對象類。

② 設(shè)備描述（Device Profiles）。DeviceNet規(guī)范不僅僅是一個物理連接協(xié)議規(guī)范。它通過定義標(biāo)準的設(shè)備模型促進不同廠商設(shè)備之間的互操作性。屬于同一設(shè)備模型的所有設(shè)備都必須支持共同的標(biāo)識和通信狀態(tài)數(shù)據(jù)。設(shè)備描述是針對各種設(shè)備而定義的。設(shè)備描述中包括設(shè)備各種特定的數(shù)據(jù)。符合設(shè)備類型描述的多個供貨商提供的簡單設(shè)備（例如：按鈕、馬達啟動器、光電池、氣動閥執(zhí)行器）在邏輯上是可互換的。

DeviceNet規(guī)范定義了一個電子數(shù)據(jù)文件（EDS）。EDS是一個簡單的文件格式，供貨商可以將產(chǎn)品的特殊信息提供給其它供貨商。這樣可以具有友好的用戶配置工具，可以很容易地更新，無需經(jīng)常修正配置軟件工具。

3 、通信適配器軟件系統(tǒng)設(shè)計

下面主要介紹通信協(xié)議的設(shè)計。軟件的實現(xiàn)是以DeviceNet協(xié)議規(guī)范的2.0版本為指導(dǎo)的，不同的應(yīng)用有不同的具體實現(xiàn)。本文只給出設(shè)計的原理和指導(dǎo)思想及原則。

3.1 DeviceNet通信設(shè)備的上電狀態(tài)流圖

每個設(shè)備上電以前都有一個例行的狀態(tài)流轉(zhuǎn)過程。該過程描述了設(shè)備能夠在DeviceNet上通信之前必須完成的以下工作（例如重復(fù)MAC ID檢測等），以及對設(shè)備通信產(chǎn)生影響的網(wǎng)絡(luò)事件。

圖4是DeviceNet設(shè)備上電后的狀態(tài)流圖，其中一共有4個狀態(tài)：發(fā)送重復(fù)MAC ID檢測報文狀態(tài)、等待重復(fù)MAC ID檢測報文狀態(tài)、在線狀態(tài)、通信出錯狀態(tài)。

3.2 CAN芯片的初始化

在建立CAN總線的通信之前要預(yù)先有一些初始化過程。一般，獨立式CAN芯片SJA1000在上電后或者上電后進行軟件功能重置時要初始化一下工作寄存器。當(dāng)系統(tǒng)上電后，處理器首先運行自己的特殊初始化過程，然后再進入SJA1000的連接建立過程（SJA1000的17引腳獲得1個Reset低電平脈沖，并進入Reset模式）。在初始化SJA1000的寄存器之前，主微處理器應(yīng)該檢測Reset的mode/request標(biāo)志。如果SJA1000已經(jīng)是Reset模式，因為所有的寄存器只能在Reset模式下進行寫操作，所有的寄存器都將獲得相應(yīng)的配置信息。

在完成所有的初始化工作后，SJA1000就進入工作模式，并且使CAN控制器的中斷功能有效。用C51編寫的SJA1000初始化及一個模擬發(fā)送、接收過程的程序請見本刊網(wǎng)站補充版。

3.3 報文收發(fā)程序和分段服務(wù)

這里所講的報文收發(fā)協(xié)議對不同的通信協(xié)議有不同的定義。另外，CAN的數(shù)據(jù)長度不能超過8個字節(jié)，如何支持大于8個字節(jié)的報文要涉及到分段服務(wù)。分段協(xié)議信息由1個字節(jié)組成，其中高2位表示分段的類型，低6位作為分段的計數(shù)器，用來標(biāo)識每個數(shù)據(jù)包。其計算方式是：

fragmentCount=（fragmentcount+1） mod 64。 表3是具體的分段類型。

因此在程序的設(shè)計中，應(yīng)當(dāng)加入對分段服務(wù)協(xié)議的支持。

發(fā)送報文的處理與接收的過程是一個逆向過程。需要注意的是編寫程序的時候要嚴格按照DeviceNet協(xié)議規(guī)范的定義，否則將產(chǎn)生不可預(yù)測的錯誤，為將來的協(xié)議一致性測試和底層調(diào)試都帶來許多麻煩。

3.4 DeviceNet通信適配器主程序的設(shè)計

軟件由頭文件、初始化程序、功能子程序和主程序組成。

軟件的組成結(jié)構(gòu)提供了硬件和軟件升級的方便。軟件中將對與主處理器、CAN控制器等硬件接口的部分進行比較獨立的設(shè)計，而主程序和功能子程序主要集中在協(xié)議的完成。這對將來的硬件改型和可能的協(xié)議修改都提供了較大的方便。

軟件用Franklin C51語言編寫，通過偉福E51L單片機開發(fā)裝置進行調(diào)試。

軟件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

在實現(xiàn)所有的功能模塊以后，最重要的是如何構(gòu)造一個有機的主程序模塊，將這些零散的模塊組織起來，進行系統(tǒng)的初始化工作。另外，還要設(shè)計一個優(yōu)化的循環(huán)體并周期性地執(zhí)行以對DeviceNet網(wǎng)絡(luò)上的報文產(chǎn)生動作。