ＬＯＮＷＯＲＫＳ与ＲＳ-４８５互连适配器的设计

杨 洁　朱 晔　戴自祥

　　随着计算机在工业控制领域的广泛应用，控制局域网也深入应用到各种控制系统中。现行的控制系统往往是多机系统，即采用控制网络技术，将众多控制系统单机有机地连成一体，构成分布式控制系统。

　　目前我国较为流行的现场通信网络有ＲＳ２３２、ＲＳ４８５、ＨＡＲＴ、ＰＲＯＦＩＥＬＢＵＳ、ＣＡＮ、ＬＯＮＷＯＲＫＳ等。由于ＬＯＮＷＯＲＫＳ现场总线在网络通信方面的突出优点：它的网络应用层采用"网络变量"这一全新概念，使复杂的网络通信程序设计变成了简单的"网络变量"定义和捆绑；它的网络物理层支持多种通信介质：双绞线、电力线、无线电、红外线、同轴电缆、光纤等，因此作为优秀的网络在国内各个领域的测控系统中广泛流行起来。ＲＳ４８５通信网络在控制系统中应用最为普及，因此设计一个适配器来实现ＲＳ４８５通信网络与ＬＯＮＷＯＲＫＳ现场总线的集成显得十分必要。

　　一、适配器的硬件设计

　　本适配器由ＬＯＮＷＯＲＫＳ控制模块和ＭＣＳ５１系列的ＡＴ８９Ｃ２０５１单片机组成。其中ＬＯＮＷＯＲＫＳ控制模块用来完成ＬＯＮＷＯＲＫＳ现场总线的网络通信的管理；ＡＴ８９Ｃ２０５１加上ＲＳ４８５接口芯片ＭＡＸ１４８７用来实现ＲＳ４８５通信网络的链路和协议；单字节ＦＩＦＯ并口用作ＬＯＮＷＯＲＫＳ控制模块与ＡＴ８９Ｃ２０５１之间的数据交换。如图１所示。

　　ＬＯＮＷＯＲＫＳ控制模块集成了３１５０神经元芯片、双绞线网络收发器、程序存储器等。它通过Ｐ１（１８芯双排插针）与应用系统相连，通过Ｐ２（６芯单排插针）与现场总线网络相连。Ｐ１口直接与３１５０神经元芯片的 Ｉ／Ｏ、ＲＥＳＥＴ和ＳＥＲＶＩＣＥ管脚相连。

　　ＡＴ８９Ｃ２０５１是一种内含２Ｂｙｔｅ Ｆｌａｓｈ Ｍｅｍｏｒｙ程序存储器的ＭＣＳ５１单片机。它采用２０管脚封装，没有Ｐ０口和Ｐ２口，因而结构紧凑、体积较小。利用ＡＴ８９Ｃ２０５１提供的ＵＡＲＴ控制器，外加ＭＡＸ１４８７接口芯片，可以实现ＲＳ４８５通信功能。ＲＳ４８５的半双工通信方式的收发由Ｐ３２脚来控制。

单字节ＦＩＦＯ并口则由两块７４ＨＣ５７４和一块７４ＨＣ７４组成，其接口信号线定义如下：

　　ＡＤ０-ＡＤ７、ＢＤ０-ＢＤ７：八位数据总线。

　　ＡＷＲ、ＢＷＲ：数据输出至接口的写控制信号（接口输入），上升沿有效。 ＡＲＤ、ＢＲＤ：从接口输入数据的读控制信号（接口输入），低电平有效。

　　ＡＩＮＴ、ＢＩＮＴ：请求读接口中的数据至接口中的联络信号（接口输出），低电平有效。

　　ＡＴ８９Ｃ２０５１单片机与单字节ＦＩＦＯ并口的Ａ侧相连：ＬＯＮＷＯＲＫＳ控制模块与单字节ＦＩＦＯ并口的Ｂ侧相连。ＡＴ８９Ｃ２０５１单片机向ＬＯＮＷＯＲＫＳ控制模块发送单个数据的过程为：１通过Ｐ１０-Ｐ１７把数据输出到数据总线ＡＤ０-ＡＤ７上２Ｐ３５变高使ＡＷＲ产生上升沿，把ＡＤ０-ＡＤ７上的数据选通输入到Ａ１中锁存，并使ＢＩＮＴ变低，请求ＬＯＮＷＯＲＫＳ控制模块接收数据；（３）ＬＯＮＷＯＲＫＳ控制模块的ＩＯ１０收到ＢＩＮＴ低电平请求信号后，使ＩＯ９变低控制ＢＲＤ产生低电平，这一方面Ａ１中锁存的数据选通输出到数据总线ＢＤ０-ＢＤ７上，另一方面使ＢＩＮＴ变高，消除请求信号；（４）ＬＯＮＷＯＲＫＳ控制模块通过ＩＯ０-ＩＯ７读取ＢＤ０-ＢＤ７上数据后，令ＩＯ９变高，使ＢＲＤ置高，释放数据总线ＢＤ０-ＢＤ７；（５）ＩＯ１０变高控制ＢＷＲ产生上升沿，使ＡＩＮＴ变低，通知ＡＴ８９Ｃ２０５１单片机可以继续发送数据；（６）ＡＴ８９Ｃ２０５１单片机的ＩＮＴ１收到ＡＩＮＴ低电平后，令Ｐ３７变低把ＡＲＤ置低，使ＡＩＮＴ变高，消除请求信号；（７）Ｐ３７变高，使ＡＲＤ置高，释放数据总线ＡＤ０-ＡＤ７。

　　重复上述步骤，就能实现ＡＴ８９Ｃ２０５１单片机到ＬＯＮＷＯＲＫＳ控制模块的多个数据传送。ＬＯＮＷＯＲＫＳ控制模块到ＡＴ８９Ｃ２０５１单片机的数据传送原理同上，不再赘述。

　　二、适配器的软件设计

　　适配器的软件设计主要有ＡＴ８９Ｃ２０５１单片机部分的ＲＳ４８５通信网络的链路控制和协议解释程序、单字节ＦＩＦＯ并口数据传输程序和ＬＯＮＷＯＲＫＳ控制模块部分的单字节ＦＩＦＯ并口数据传输程序。由于ＲＳ４８５通信网络的协议要根据不同的接入设备进行二次编程，所以适配器的软件设计核心为单字节ＦＩＦＯ并口数据传输程序。根据单字节ＦＩＦＯ并口的数据通信过程，数据传输软件主要由数据发送启动程序和数据接收／发送处理程序组成。数据发送启动程序是一个子程序，由主体程序调用执行；数据接收／发送处理程序对ＭＣＳ５１单片机来讲是一个ＩＮＴ１低电平触发的中断服务程序，而对３１５０神经元芯片来讲是一个ＩＯ１０输入管脚变低事件驱动的任务。程序框图如图２所示。

图2　程序框图

　　从程序框图可以看出，数据的传送由数据发送启动程序和数据接收／发送处理程序配合完成，而数据发送标志这个公共参数是程序间进程协调的关键。数据发送标志由数据发送启动程序把数据发送到接口后置"１"，由数据接收／发送处理程序收到对方接受应答信号后置"０"。当数据发送标志为"１"时，对数据发送启动程序来讲，表示还没有收到对方接受应答信号，不能进行数据的再次发送；而对数据接收／发送处理程序来讲，表示收到对方信号后要进入数据发送处理进程，把数据发送标志置"０"，以允许数据发送启动程序发送新的数据。当数据发送标志为"０"时，对数据发送启动程序来讲，表示已收到对方应答信号，可以进行数据的再次发送，而对数据接收／发送处理程序来讲，表示收到对方信号后要进入数据接收处理进程，把从端口读出的数据放入数据接收区，并给对方发送回答信号，以允许对方再次发送数据。

　　三、结论

　　用单字节ＦＩＦＯ并口来实现ＬＯＮＷＯＲＫＳ控制模块和ＭＣＳ５１单片机之间的数据交换是构造ＬＯＮＷＯＲＫＳ现场总线与ＲＳ４８５通信网络适配器的关键。这种简单、可靠、实用的接口方法，可以推广到ＬＯＮＷＯＲＫＳ控制模块与其他计算机之间的并行数据通信中。特别是对已有的测控装置改造为ＬＯＮＷＯＲＫＳ现场总线节点，或测控功能比较复杂，需用高档ＣＰＵ来进行数据处理的ＬＯＮＷＯＲＫＳ现场总线节点来讲，可以借用此方法。