一種多協(xié)議的嵌入式總線集成器的設(shè)計與研究
1 系統(tǒng)總體設(shè)計與工作流程
1.1 系統(tǒng)的總體設(shè)計
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。C8051F120是整個系統(tǒng)的主控制芯片，負責(zé)對數(shù)據(jù)的處理和交換，包括通過RTL8019與以態(tài)網(wǎng)的通信，通過UART口與PPI總線通信，通過RS232口與LonWorks總線通信以及和CAN總線控制器SJA1000通信等。CAN模塊和LON模塊分別完成對CAN和LON數(shù)據(jù)的收發(fā)處理。一方面，系統(tǒng)分別作為LonWorks、PPI、CANOpen總線的一個節(jié)點，完成相應(yīng)通信協(xié)議的通信及數(shù)據(jù)解析;另一方面，系統(tǒng)又要能夠完成各總線之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)與共享。同時，為了支持遠程監(jiān)控能力,系統(tǒng)必須提供以太網(wǎng)接口以支持Internet功能。為了在現(xiàn)場提供監(jiān)測環(huán)境，系統(tǒng)設(shè)計了人機界面[3]。
1.2 各模塊工作流程
主控制芯片C8051F120與RTL8019之間的接口是通過并行方式擴展的，為避免RTL8019A在C8051F120上的映射地址空間與 C8051F120內(nèi)部的8KB RAM地址空間 (0X0000～0X3FFF)重迭，擴展的外部設(shè)備被放到最高端(0X8000～0XFFFF)，并采用非復(fù)用方式連接。模塊中還包括RS232與RS485之間的轉(zhuǎn)換。SN75LBC176是RS485差分總線收發(fā)器芯片。RS232數(shù)據(jù)由TX0通過光隔傳送到SN75LBC176的發(fā)送端 ，同時驅(qū)動發(fā)送控制端，數(shù)據(jù)就由SN75LBC176發(fā)送到RS485總線。當SN75LBC176接收數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)傳送到RS232的RX0端。這樣就完成RS485到RS232的轉(zhuǎn)換。在系統(tǒng)中，為了提供人機交互的功能，設(shè)計了T6963C點陣式液晶圖形顯示控制器，在設(shè)計時，需要用一根地址線來實現(xiàn)液晶的數(shù)據(jù)通道和指令通道的區(qū)分。T6963C外接114×64的液晶顯示屏，可以提供監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示的實例。
CAN總線模塊由SJA1000、82C250、6N137等芯片組成。SJA1000是并行接口的CAN控制器。82C250是CAN控制器接口芯片。當C8051F120要向某節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時，它向SJA1000的一些緩沖器寫數(shù)據(jù)和命令。數(shù)據(jù)通過SJA1000處理后，合成CAN幀格式，通過6N137至82C250，由82C250的差分端CANH和CANL傳送到物理總線。外部節(jié)點發(fā)送過來的數(shù)據(jù)通過82C250經(jīng)光電隔離器6N137后被SJA1000接收，存放在SJA1000相應(yīng)的寄存器中。C8051F120就可以讀取這些CAN幀格式數(shù)據(jù)。
LON模塊由MC143150、FTT-10A、MC145407以及外擴SRAM儲存器IS61C256AH-15N和外擴Flash存儲器AT29C512組成。MC143150是LonWorks控制芯片，含有Lontalk協(xié)議的固態(tài)軟件，主要用于LonWorks數(shù)據(jù)的處理。FTT-10A 是LonWorks收發(fā)器，它是一種變壓器耦合收發(fā)器，支持網(wǎng)絡(luò)的自由拓撲結(jié)構(gòu)，作為LON網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)的接口。MC145407是電平轉(zhuǎn)換芯片，負責(zé)MC143150與RS232之間的電平轉(zhuǎn)換。當C8051F120要向MC143150發(fā)送數(shù)據(jù)時，C8051F120把數(shù)據(jù)發(fā)送到串口緩沖區(qū)，通過MC145407將I/O引腳輸入的TTL 電平和輸出的CMOS 電平轉(zhuǎn)換為EIA232C電平。MC143150收到數(shù)據(jù)信息后，將數(shù)據(jù)讀入儲存于MC143150的緩沖區(qū)中，然后由MC143150 打包為LonWorks網(wǎng)絡(luò)變量,通過不同節(jié)點、相同類型的網(wǎng)絡(luò)變量的互聯(lián), 即可實現(xiàn)LON 節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳送。另外，還外擴SRAM儲存器IS61C256AH-15N和Flash存儲器AT29C512，讓用戶能編制使用較大的程序。
2 軟件設(shè)計
2.1 系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)
整個系統(tǒng)采用分層方式完成各協(xié)議間的通信。系統(tǒng)分為硬件驅(qū)動層、協(xié)議層及其應(yīng)用層,如圖2所示。
由于下層模塊只向上層提供一個軟件接口,屏蔽了下層的具體實現(xiàn)細節(jié)。上層軟件只有通過該接口才能與下層軟件發(fā)生聯(lián)系,這樣就保證了各層之間的獨立性。系統(tǒng)根據(jù)硬件接口、總線協(xié)議的不同，分為三個大的分層功能模塊，它們分別是LonWorks模塊、PPI模塊、 CANOPEN模塊。這些模塊又各自提供了硬件接收緩沖區(qū)、硬件發(fā)送緩沖區(qū)、協(xié)議接收緩沖區(qū)、協(xié)議發(fā)送緩沖區(qū)[4～5]。
[!--empirenews.page--]2.2 軟件實現(xiàn)的框架
系統(tǒng)的軟件分為系統(tǒng)初始化模塊、系統(tǒng)配置模塊、協(xié)議通信總調(diào)度模塊、三個協(xié)議實現(xiàn)模塊及硬件驅(qū)動模塊。它們分別對應(yīng)系統(tǒng)軟件的不同分層。其中，系統(tǒng)配置模塊、協(xié)議間通信總調(diào)度模塊為應(yīng)用層程序。協(xié)議實現(xiàn)模塊（LonWorks協(xié)議模塊、PPI協(xié)議模塊、CANOpen協(xié)議模塊）為協(xié)議層程序。硬件驅(qū)動模塊為硬件驅(qū)動層程序。其流程圖如圖3所示。
系統(tǒng)配置模塊主要完成系統(tǒng)的配置。它包括總線各端口是配置為主模式還是從模式、各通信協(xié)議的波特率等。系統(tǒng)可以通過兩種方式配置：一種為硬件方式配置，另一種是通過互連網(wǎng)進行軟件配置。協(xié)議間通信總調(diào)度模塊主要是驅(qū)動不同協(xié)議之間進行相互通信。各總線協(xié)議的格式解析分別由相應(yīng)的協(xié)議模塊完成。硬件驅(qū)動模塊主要完成把各硬件緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)發(fā)送到總線，同時把從總線接收來的數(shù)據(jù)存放到協(xié)議緩沖區(qū)中。
2.3 緩沖區(qū)結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)的緩沖區(qū)采用改進的循環(huán)隊列結(jié)構(gòu)，采用了三個指針Bp.In、Bp.Out、Bp.Try。其中，Bp.In是隊頭指針。當隊列接收一數(shù)據(jù)時,如果隊列緩沖區(qū)尚有空間,則數(shù)據(jù)入隊,同時Bp.In加1。Bp.Out是隊尾指針。當數(shù)據(jù)要出隊時, 如果隊列緩沖區(qū)非空,則Bp.Out加1。隊列緩沖區(qū)空或滿的判定方法可以用下面的偽C語言描述:
if(Bp.In++== Bp.Out)
{隊列緩沖區(qū)已滿};//如隊頭加1等于隊尾指針，則表示該隊列已滿
if(Bp.Out== Bp.In)
{隊列緩沖區(qū)已空};//如果隊尾指針趕上隊頭則表示該隊列已空
Bp.Try是為通信時重發(fā)而準備的。當要發(fā)送數(shù)據(jù)時，Bp.Try向前移動(Bp.Try++)，但Bp.Out不動(數(shù)據(jù)不出隊)。當Bp.Try=Bp.In時，表示隊列緩沖區(qū)已沒有數(shù)據(jù)要發(fā)送。如果要求數(shù)據(jù)重發(fā)，僅僅把Bp.Try重新指回Bp.Out(Bp.Try=Bp.Out)再次發(fā)送。只有當發(fā)送成功時，才允許數(shù)據(jù)出隊(Bp.Out= Bp.Try)。由于一次發(fā)送數(shù)據(jù)的多少由Bp.Try決定(一次不一定把隊列緩沖區(qū)數(shù)據(jù)都發(fā)送完)，這樣給數(shù)據(jù)的發(fā)送提供了極大的方便。
2.4 硬件緩沖區(qū)
系統(tǒng)要發(fā)送數(shù)據(jù)時把發(fā)送協(xié)議緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)拷貝到發(fā)送硬件緩沖區(qū)，并驅(qū)動一次發(fā)送后退出。硬件發(fā)送緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)是由發(fā)送中斷自動完成的。硬件發(fā)送中斷驅(qū)動完一次數(shù)據(jù)發(fā)送就退出。當硬件發(fā)送完數(shù)據(jù)后就會產(chǎn)生中斷標志并重新進入中斷，重復(fù)上面的過程直到數(shù)據(jù)發(fā)送完。同樣，發(fā)送中斷只負責(zé)發(fā)送完硬件發(fā)送緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)而不關(guān)心這些數(shù)據(jù)代表的意義。中斷程序流程圖如圖4所示。
2.5 各總線協(xié)議間的通信方法
各總線協(xié)議間通信是采用周期輪詢方式下的實地址共享。其基本思想就是系統(tǒng)定時地由配置為主模式的端口向其對應(yīng)總線的每個從機發(fā)送請求讀數(shù)命令包。從機接收到命令后就把它的數(shù)據(jù)傳送給主機（總線集成器）。主機把接收到的數(shù)據(jù)存放在對應(yīng)的協(xié)議地址中。當配置為從機的端口所對應(yīng)的總線上的主機向總線集成器請求數(shù)據(jù)時，總線集成器只是簡單地把前一個周期輪詢的數(shù)據(jù)應(yīng)答過去。由于輪詢總線的周期比較短，因此應(yīng)答的數(shù)據(jù)稍微滯后。但對總線采集的數(shù)據(jù)的真實性影響不大。
下面以圖5中 CANOpen總線的節(jié)點B向LonWorks節(jié)點A請求數(shù)據(jù)為例來說明這種方式的通信過程。首先，系統(tǒng)周期性地改變從機號、通信命令、通信狀態(tài)，向LonWorks所有的從機請求數(shù)據(jù)，從機應(yīng)答的數(shù)據(jù)存放在其協(xié)議地址中。然后CANOpen主節(jié)點B向總線集成器請求LonWorks總線A節(jié)點中的數(shù)據(jù)。最后，總線集成器收到該命令，把剛采集到的協(xié)議地址上的值傳送給節(jié)點B。這一次通信至此結(jié)束。
該多協(xié)議總線集成器目前提供了對LonWorks、PPI、CANOpen的支持，并且還對上面三種協(xié)議提供了利用TCP/IP遠程監(jiān)控和配置的接口，人機界面使系統(tǒng)有較好的監(jiān)測能力。由于該集成器采用了較高性能的處理器，使各個協(xié)議之間通訊實時性得到保證。為了有利于系統(tǒng)以后的擴展，整個總線集成器系統(tǒng)嚴格按照模塊化來進行硬件設(shè)計和軟件編程，使系統(tǒng)軟件的移植性大大提高。
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