基于ARM的ARCNET網(wǎng)接口設(shè)計

江守亮，胡鵬飛

（西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，1.碩士研究生；2.副教授、碩士生導(dǎo)師，四川 成都 610031）

目前，我國正處于高速鐵路大發(fā)展的時期。實現(xiàn)高速需要克服許多技術(shù)難點。因此，伴隨計算機技術(shù)的發(fā)展，列車牽引、供電、制動系統(tǒng)，以及主動控制都廣泛應(yīng)用了計算機技術(shù)，導(dǎo)致車載計算機設(shè)備數(shù)量的增加。為了實現(xiàn)大量設(shè)備的信息交換與共享，進(jìn)而實現(xiàn)列車安全運行、遠(yuǎn)程故障診斷和維護(hù)，引進(jìn)了列車控制網(wǎng)絡(luò)。目前，我國尚無自主知識產(chǎn)權(quán)的列車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，必須大力攻關(guān)。但組建網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，需要各個網(wǎng)絡(luò)接口的支持。ARCNET作為其中的一種現(xiàn)場總線，已在日本的高速列車中使用，我國南車集團四方車輛股份公司引進(jìn)日本川崎的高速動車組（CRH2）也使用ARCNET技術(shù)〔1〕。為此設(shè)計用于組建環(huán)形ARCNET網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)接口。

1 ARCNET與ARM簡介

ARCNET（Auxiliary Resource Computer Network）是一種基于令牌傳遞（Token Passing）協(xié)議的現(xiàn)場總線。最初是由美國Datapoint公司在20世紀(jì)70年代末作為辦公自動化網(wǎng)絡(luò)發(fā)展起來的。該現(xiàn)場總線具有速度快、確定性、可擴展性和支持長距離傳輸?shù)忍攸c，非常適合過程實時控制。近年來被廣泛應(yīng)用在各種自動化領(lǐng)域，是一種理想的現(xiàn)場總線技術(shù)〔1〕。

ARCNET是一個開放標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，1999年成為美國國家標(biāo)準(zhǔn) ANSI/ATA-878.1〔1〕。從 OSI參考模型來看，ARCNET位于ISO/OSI 7層網(wǎng)絡(luò)體系中的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。單個ARCNET子網(wǎng)最多可有255個節(jié)點，支持點對點的定向消息和點對多點的廣播消息。ARCNET支持總線型、星型以及分布式星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。ARCNET傳輸速率為2.5 Mbit/s，傳輸介質(zhì)有同軸電纜、雙絞線、光纖，使用光纖時的新型ARC?NET plus速率可達(dá)到100 Mbit/s。ARCNET采用令牌傳遞協(xié)議，任何節(jié)點都不能獨占網(wǎng)絡(luò)，不存在競爭問題，并且在傳遞時間上可預(yù)測，不存在網(wǎng)絡(luò)阻塞。內(nèi)置16位CRC校驗、出錯重傳機制，由于數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議固化在控制器芯片內(nèi)部，因此ARCNET不用軟件就能自動完成諸如錯誤檢測、流量控制以及網(wǎng)絡(luò)配置功能。

ARM作為嵌入式開發(fā)、廣泛采用的一類處理器，其家族成員包括ARM7，ARM9，ARM10，ARM11等。該設(shè)計采用的是ARM9系列微處理器。ARM9系列微處理器包含ARM920T和ARM922T 2種類型，是以ARM9TDMI為原型發(fā)展而來的，其中ARM920T內(nèi)置8 KB指令和數(shù)據(jù)Cache，ARM922T內(nèi)置18 KB的雙Cache。二者均內(nèi)置全性能的內(nèi)存管理單元（MMU）和高速AMBA總線接口。AMBA總線是一個開放標(biāo)準(zhǔn)，已成為SOC構(gòu)建和IP庫開發(fā)的實際標(biāo)準(zhǔn)。AMBA先進(jìn)的高性能總線AHB接口現(xiàn)已被所有新的ARM核支持，提供開發(fā)全綜合設(shè)計系統(tǒng)〔2〕。

ARM9系列微處理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳性能，支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集，采用5級整數(shù)流水線，提供1.1MIPS/MHz的哈弗結(jié)構(gòu)，支持32位的高速AMBA總線接口。同時，提供全性能的MMU，支持Windows CE、Linux、Palm OS等多種嵌入式操作系統(tǒng)。該設(shè)計所采用的操作系統(tǒng)為源碼開放的嵌入式Linux操作系統(tǒng)。

2 網(wǎng)絡(luò)接口硬件設(shè)計

ARCNET網(wǎng)絡(luò)接口硬件設(shè)計包括2個部分，分別是設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)操作系統(tǒng)運行的基本硬件電路和實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接口功能的協(xié)議控制器電路。

2.1 基本硬件電路設(shè)計 基本硬件電路也就是人們常說的最小系統(tǒng)硬件電路。它的基本功能是運行操作系統(tǒng)，是網(wǎng)絡(luò)接口能夠工作的核心，實現(xiàn)電源供應(yīng)、電路復(fù)位、網(wǎng)絡(luò)接口時鐘、程序的FLASH存儲與RAM運行及JTAG接口。設(shè)計電路如圖1所示。

2.1.1 電源模塊設(shè)計 整個網(wǎng)絡(luò)接口采用12 V變壓供電。由于ARM S3C2440，F(xiàn)LASH及SRAM等芯片需要采用3.3 V供電，ARM核需要1.25 V穩(wěn)定電壓，其他外圍芯片需要采用5 V供電，所以網(wǎng)絡(luò)接口采用電壓轉(zhuǎn)換芯片LM2576實現(xiàn)12 V向5 V轉(zhuǎn)換，采用LM1117實現(xiàn)5 V向3.3 V轉(zhuǎn)換，采用MAX8860芯片實現(xiàn)3.3 V向1.25 V轉(zhuǎn)換。

2.1.2 復(fù)位電路設(shè)計 在網(wǎng)絡(luò)接口中，復(fù)位電路主要實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接口的上電復(fù)位和網(wǎng)絡(luò)接口在運行時用戶的按鍵復(fù)位功能。復(fù)位電路可由簡單的RC電路構(gòu)成，也可以使用其他相對復(fù)雜但功能更完善的電路。

網(wǎng)絡(luò)接口復(fù)位電路采用MAX811芯片實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接口復(fù)位。MAX811是低功耗微處理器管理電路，用于在微處理器和數(shù)字電路供應(yīng)中，提高網(wǎng)絡(luò)接口穩(wěn)定性能。

2.1.3 時鐘電路設(shè)計 S3C2440微處理器可以由外部時鐘提供，也可以由外部振蕩器組成，根據(jù)OM〔3：2〕引腳來進(jìn)行選擇。該網(wǎng)絡(luò)接口選擇OM〔3：2〕均接地的方式，即采用外部震蕩器提供時鐘。時鐘電路如圖2所示。圖中，X2為12 MHz晶振，C5、C6為15 pF電容。

2.1.4 JTAG接口電路 JTAG是Joint Test Action Group的簡稱，主要實現(xiàn)芯片內(nèi)部測試與對網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn)行仿真、調(diào)試。JTAG是一種嵌入式調(diào)試技術(shù)，它在芯片內(nèi)部封裝了專門的電路測試訪問口（TAP），通過專門的JTAG測試工具對內(nèi)部節(jié)點進(jìn)行測試。標(biāo)準(zhǔn)的JTAG接口是4線：TMS，TCK，TDI，TDO，分別為測試模式選擇、測試時鐘、測試數(shù)據(jù)輸入、測試數(shù)據(jù)輸出。JTAG還常用于系統(tǒng)編程ISP，如對FLASH器件進(jìn)行編程等。

2.1.5 外圍FLASH及SRAM接口電路 FLASH存儲器是一種可在系統(tǒng)中進(jìn)行電擦寫，掉電后信息不丟失的存儲器。它具有低功耗、大容量、擦寫速度快、可整片或分扇區(qū)在系統(tǒng)編程或擦除等特點，并且可由內(nèi)部嵌入的算法完成對芯片的操作。網(wǎng)絡(luò)接口存儲芯片采用K9F1208（64 MB 8位數(shù)據(jù)線）FLASH芯片以及2片K4S561632C（32 MB）SDRAM。

2.2 協(xié)議控制器電路設(shè)計 協(xié)議控制器電路主要由數(shù)字溫度傳感器、RS485接口電路、ARCNET協(xié)議芯片電路、LED與按鍵等4部分組成。該電路的最終目標(biāo)是為環(huán)形ARCNET組網(wǎng)提供網(wǎng)絡(luò)節(jié)點及實現(xiàn)溫度采集與控制。設(shè)計電路如圖3所示。

2.2.1 數(shù)字式溫度傳感器 采用DS18B20數(shù)字式溫度傳感器采集溫度。DS18B20數(shù)字溫度計提供9位（二進(jìn)制）溫度讀數(shù)，顯示所采集的溫度。信息經(jīng)過單線接口輸入DS18B20或從DS18B20輸出，因此從主機CPU到DS18B20僅需1條數(shù)據(jù)收發(fā)線及地線。DS18B20的電源可以由數(shù)據(jù)本身提供而不需要外部電源。由于每一個DS18B20在出廠時已經(jīng)給定了唯一的序號，因此任意DS18B20可以存放在同一條單線總線上。該序列號允許在許多不同的地方放置溫度敏感器件。DS18B20的測量范圍從-55～+125℃，增量值為0.5℃，可在1 s（典型值）內(nèi)把溫度變換成數(shù)字。

每一個DS18B20包括1個唯一的6位長的序號，該序號值存放在DS18B20ROM（只讀存儲器）中。開始8位是產(chǎn)品類型編碼（DS18B20編碼均為10H）。接著48位是每個器件唯一的序號。最后8位是前面56位的CRC碼。DS18B20還有2個8位貯存RAM，是用于存儲測得的溫度值的，編號為0和1號。1號存放溫度值的符號，如果溫度為負(fù)，則存儲值全為1，否則全為0。0號存放溫度值的補碼，LSB的“1”表示0.5 ℃。

2.2.2 RS485接口電路 RS485為半雙工平衡差分信號，對多站互聯(lián)是十分方便的。RS485標(biāo)準(zhǔn)允許并聯(lián)32臺接收器?？偩€兩端接匹配電阻（100Ω左右），驅(qū)動器負(fù)載為54Ω。驅(qū)動器輸出電平在-1.5 V以下時為邏輯“1”，在+1.5 V以上時為邏輯“0”。接收器輸入電平在-0.2 V以下時為邏輯“1”，在+0.2 V以上時為邏輯“0”。RS485傳輸速率最高為10 Mbit/s，最大電纜長度為1 200 m〔3〕。

2.2.3 ARCNET協(xié)議芯片電路 該設(shè)計采用COM20020網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議芯片，芯片封裝了令牌傳遞ARCNET協(xié)議，支持微控制接口的自動檢測。芯片內(nèi)含2 KB雙口RAM、最小邏輯與微控制器接口、軟件編程節(jié)點ID、電源診斷、CMOS，3.3 V供電。并支持配置協(xié)議，工作溫度在-40～85℃。該芯片由28腳封裝，支持多種微處理器（MCU）和收發(fā)接口，時鐘頻率為20 MHz。由于電路傳輸需要一定的驅(qū)動，故電路物理收發(fā)接口采用HYC9088芯片。COM20020芯片驅(qū)動電路如圖4所示。

2.2.4 LED與按鍵模塊 作為人機交互的主要部件LED與按鍵，可以方便地對當(dāng)前設(shè)備溫度進(jìn)行查看與設(shè)置。LED的主要功能是顯示當(dāng)前溫度，而按鍵可實現(xiàn)溫度的本地設(shè)置。

3 網(wǎng)絡(luò)接口軟件設(shè)計

上述硬件平臺的搭建，為軟件程序提供了可靠的運行平臺。為實現(xiàn)ARCNET網(wǎng)絡(luò)接口的基本通信功能，軟件設(shè)計主要包括操作系統(tǒng)的移植、設(shè)備驅(qū)動程序的開發(fā)及應(yīng)用程序開發(fā)3部分。

3.1 操作系統(tǒng)移植 Linux為該設(shè)計使用的操作系統(tǒng)，需要對其進(jìn)行移植。移植Linux的引導(dǎo)啟動流程如圖5所示。

引導(dǎo)加載程序是嵌入式系統(tǒng)加電后運行的第一段代碼。在嵌入系統(tǒng)中，由Boot Loader來完成整個系統(tǒng)的加載與啟動任務(wù)。在嵌入式系統(tǒng)中，系統(tǒng)復(fù)位與上電通常從固定地址啟動，而這個地址一般都存放Boot Loader啟動程序。Boot Loader就是在操作系統(tǒng)內(nèi)核運行之前運行的一段小程序，可以初始化硬件設(shè)備、建立內(nèi)存映射，將系統(tǒng)的軟硬件帶到一個系統(tǒng)內(nèi)核啟動的合適狀態(tài)。

經(jīng)過Boot Loader引導(dǎo)程序后，系統(tǒng)開始加載內(nèi)核，然后啟動內(nèi)核并初始化外設(shè)，最終運行應(yīng)用程序，實現(xiàn)人機交互。

3.2 設(shè)備驅(qū)動程序 設(shè)計主要實現(xiàn)COM20020協(xié)議芯片的初始化并開發(fā)收發(fā)驅(qū)動程序、LED的顯示驅(qū)動程序以及溫度采集系統(tǒng)的驅(qū)動電路。

系統(tǒng)調(diào)用是操作系統(tǒng)內(nèi)核與應(yīng)用程序之間的接口，設(shè)備驅(qū)動程序是機器硬件與操作系統(tǒng)之間的接口。它的主要功能：對設(shè)備初始化和釋放；把數(shù)據(jù)從內(nèi)核傳送到硬件并從硬件讀取數(shù)據(jù)；讀取應(yīng)用程序傳送給設(shè)備文件的數(shù)據(jù)和回送應(yīng)用程序請求的數(shù)據(jù)；檢測和處理程序出現(xiàn)的錯誤。

3.3 應(yīng)用程序 在設(shè)計中，應(yīng)用程序主要實現(xiàn)溫度采集算法與ARCNET網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收發(fā)。根據(jù)底層驅(qū)動程序提供的接口，通過基本的主函數(shù)調(diào)用驅(qū)動接口函數(shù)，打開底層硬件設(shè)備，讀取溫度數(shù)據(jù)并存儲。通過打開網(wǎng)絡(luò)協(xié)議控制設(shè)備，進(jìn)行ARCNET網(wǎng)絡(luò)中溫度數(shù)據(jù)和模擬開關(guān)信息的傳輸，并接收網(wǎng)絡(luò)下發(fā)過來的控制命令。通過上述步驟即完成了網(wǎng)絡(luò)接口基本應(yīng)用程序的開發(fā)。

4 結(jié)束語

用ARM設(shè)計的ARCNET網(wǎng)絡(luò)接口，在實踐中完全通過驗證?？梢院芎玫毓ぷ髟诟鞣N復(fù)雜環(huán)境下，采集與調(diào)控環(huán)境溫度。作為環(huán)形ARCNET網(wǎng)絡(luò)中的中間節(jié)點，通過雙絞線接入網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了基本的數(shù)據(jù)通信，將溫度傳感器采集到的數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上傳輸。該設(shè)計可為我國列車網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)接口設(shè)計提供一定的技術(shù)參考。

〔1〕倪文波，王雪梅.高速列車網(wǎng)絡(luò)與控制技術(shù)〔M〕.成都：西南交通大學(xué)出版社，2008.

〔2〕范書瑞，趙燕飛，高鐵成.ARM微處理器與C語言開發(fā)應(yīng)用〔M〕.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

〔3〕張剛毅，彭喜源.MCS-51單片機應(yīng)用設(shè)計〔M〕.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2004.