USB2.0控制器CY7C68013在lon總線技術中的應用

湖北省黃岡市質量技術監(jiān)督局 徐 進湖北工業(yè)大學機械工程學院 朱劍雄

USB2.0控制器CY7C68013在lon總線技術中的應用

湖北省黃岡市質量技術監(jiān)督局 徐 進湖北工業(yè)大學機械工程學院 朱劍雄

針對工業(yè)現場對高性能的便攜式（主要針對移動系統(tǒng)）數據通信的要求，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串口與便攜設備通信實時性不夠的弱點。USB2.0協議提供480Mb／s的傳輸速度，向下完全兼容流行的USB1.1協議。接口卡主要由Toshiba公司生產的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Echelon公司推出的一種現場總線技術，由于Lon Works控制網絡的開放性、高速性、互操作性及其對現場環(huán)境的適應性，它已廣泛應用于樓宇自動化、家庭自動化、保安系統(tǒng)、辦公設備、交通運輸、工業(yè)過程控制等行業(yè)。Lon總線的現場節(jié)點間采用的Lon Talk協議，當工程師使用便攜設備對現場節(jié)點進行檢測或進行現場數據采集時往往只能使用RS232串口。眾所周知，RS232的傳輸速度最高只能達到9600kbps，這對實時性要求很高的現場數據采集來說遠遠不能滿足要求。針對這一情況我們開發(fā)研制了Lon總線的USB2.0接口卡。該卡提供的USB2.0接口使得數據的傳輸速度能提高到480Mbps，并且向下完全兼容流行的USB1.1協議。

1 USB2.0的主要特點

USB協議的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。它支持現存的所有 USB設備，既可以把USB1.1設備插入USB1.1的PC機接口，并且在電氣上兼容USB1.1的連接線。

1.1 USB總線特點

（1）數據傳輸速率高；

（2）數據傳輸可靠；

（3）同時掛接多個USB設備；

（4）USB接口能為設備供電；

（5）支持熱插拔。

1.2 USB的新特性

USB還具有一些新的特性，如：實時性（可以實現和一個設備之間有效的實時通信）、動態(tài)性（可以實現接口間的動態(tài)切換）、聯合性（不同的而又有相近的特性的接口可以聯合起來）、多能性（各個不同的接口可以使用不同的供電模式）。

2 Lon Works接口卡硬件設計

2.1 Lon Works接口卡通信原理及硬件結構框圖

接口卡的工作原理如下：接口卡由Lon網接口模塊和USB2.0接口模塊組成（見圖1）。采用雙CPU技術，主CPU為USB2.0控制器CY7C68013內置的增強的8051內核（該內核的運行速度是普通8051的5倍），主要作為協議的轉換模塊，用來完成USB2.0協議與Lon Talk協議之間的轉換，向上與便攜PC機（或其它具有USB接口的便攜設備）進行通訊，向下與3150進行并口通訊。輔CPU為TMPN3150，主要起Lon網接口的功能，作為通訊協處理器使用，將從主CPU接收到的來自便攜PC機（或其它具有USB接口的便攜設備）的報文解析成Lontalk協議報文并通過Lonworks收發(fā)器傳向Lon網，或將從Lon網上接收到的Lontalk協議報文轉發(fā)給主CPU，再由主CPU傳向便攜PC機（或其它具有USB接口的便攜設備）。51CPU與Neuron 3150采用并行方式通信。Neuron芯片的11個I／O有34種可選工作模式，其中包括并行I／O方式.該方式數據的最大傳送速率可達3.3Mbps。并口工作方式在數據傳送速度方面的優(yōu)勢，使得Neuron芯片與51CPU完成大數據量的傳送成為可能。他們之間的數據傳輸是通過運用“虛寫令牌傳遞機制”實現的，擁有令牌的一方擁有對數據總線的寫控制權。

圖1 Lon worksUSB2.0接口卡結構框圖

2.2 Lon Works接口卡硬件電路設計

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、4KB FIFO存儲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解放出來以用于實現專用的功能，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進行連接，并且它還支持所有通用總線標準，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公司生產的TMPN3150。3150片內存儲器的地址范圍是E800H～FFFH，包括2KB的SRAM和512B的EEPROM.3150可以外接存儲器，如RAM、ROM、EEPROM或FLASH，其地址范圍是0000H～7FFH。根據一般應用的性能和成本要求，3150的外部存儲器采用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根數據線與51CPU的PB（PB0－PB7）口相連，IO8作為片選信號線（／CS）與51CPU的PC0口相連，IO9作為數據讀／寫信號線（R／w）與51CPU的PC6口（寫信號）相連，IO10作為握手信號線（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，本設計增加了一個鎖存器，完成復位接口的功能。當3150芯片復位時，通過鎖存器將復位信號傳送給CY7C68013內置的8051處理器，8051接到復位信號自動復位，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達到同步且同步操作必須在3150復位時進行。8051只在初始化程序時才與3150進行同步操作，因此完成同步后每當3150由于誤操作或錯誤運行而造成復位時，3150與8051將會失去同步，而8051無法檢測到，從而造成并口通訊失敗。加入了鎖存器之后8051就能檢測到3150的復位信號并自動復位自己的程序使得8051與3150再次達到同步。這將使適配器的可靠性和穩(wěn)定性都得到加強。圖2為CY7C68013與TMPN3150的接線圖。

Neuron芯片與LON的網絡介質的接口采用一種LonWorks自由拓撲型收發(fā)器FTT－10A.FTT－10A是一種變壓器耦合收發(fā)器，可提供一個與雙絞線的無極性接口，且支持網絡的自由拓撲結構。網絡通訊介質采用最常用的雙絞線。

圖2 3150與USB控制器接線圖

3 Lon Works接口卡軟件設計

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I／O、事件處理、報文傳送和分布式數據對象的支持，是開發(fā)Neuron芯片應用程序的重要工具。其語法擴展包括軟件定時器、網絡變量、顯式報文、多任務調度、EEPROM變量和附加功能等。其中，顯示報文的使用為LON節(jié)點間的通訊及互操作提供了基礎。通過對不同節(jié)點分配網絡地址，即可實現節(jié)點之間的數據傳遞。也就是說，LON接口卡中的3150通過構造和解析報文實現了與LON網用戶節(jié)點的通信。

3.2 CY7C68013的開發(fā)工具

Cypress公司對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)板和相應的控制面板（Control panel）、GPIF代碼自動生成軟件（GPIFTool）。對于內核8051的開發(fā)采用Keil開發(fā)工具。

3.3 Lon Works接口卡的軟件設計

該接口卡的程序包含兩大部分。一是存儲在CY7C68013中的USB驅動程序和與3150的并口通信程序；二是存儲在3150外部FALSH中的并口通信程序以及Lon Talk協議轉換程序。USB驅動程序在開發(fā)套件CY3681中已有支持用戶只要調用即可。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內核中。3150外部FALSH中的并口通信程序以及Lon Talk協議轉換程序采用Neuron C語言編寫，并采用LonWorks開發(fā)工具——LonBuilder中的Neuron C編譯器對程序進行編譯，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（））；并口數據傳送接收模塊（pio＿read（）；pio＿write（void））；令牌傳遞模塊（pass＿token（））。

根據硬件設計，將3150芯片的I／O定義為并行（parallel）I／O對象類型.定義并行I／O對象的 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對象名稱。Neuron將從并口得到的報文解析，再利用Neuron C的消息傳送機制，將解析的消息傳送給適配器下層的應用節(jié)點。讀取數據的Neuron C函數為io＿in（），其格式如下：io＿in（P＿BUS，address1）；其中P＿BUS為并口IO對象名稱，address1為接收并口數據的地址。發(fā)消息的Neuron C函數為 msg＿send（）。

4 結論

本文所設計的接口卡目的主要是為，帶有USB接口的便攜設備進行現場數據測量和現場監(jiān)測提供高速、安全的通信接口。解決了令工程師頭痛的便攜設備與現場設備采用通用串口通信時傳輸速率低、經常掉線、連接不可靠的問題。

［1］王錦標.現場總線綜述.冶金自動化，1998（6）：1.

［2］周振環(huán)，凌志浩，馬欣，等.Neuron芯片在新一代分布式測控系統(tǒng)中的應用.世界儀表與自動化，1998（10）：40.

［3］扈 嘯，張連超.USB2.0控制器CY7C68013特點與應用.21IC.com，2003.

［4］EZ－USB FXTM USB Microcontroller.Cypress Semiconductor Corporation 2003.

2012－05－06）