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神經元芯片的并口I/O對象及其應用
摘要：Lonworks技術的核心是神經元芯片，文中詳細描述了神經元芯片TMPN3150應用模式中的一種——并行口I/O模式，給出了基于該并行口I/O模式開發Lonworks協議與RS-232標準轉換的互連適配器的設計方案。關鍵詞：Lonworks；神經元芯片；并行口I/O模式；TMPN3150
１ 引言
１９９３年美國Ｅｃｈｅｌｏｎ公司發明了Ｌｏｎｗｏｒｋｓ技術，該技術提供了一個開放性很強且無專利權的底層通訊網絡——局部操作網絡（ＬＯＮ）。該通信協議采用Ｌｏｎｔａｌｋ協議，網絡上的節點采用神經元芯片。神經元芯片（Ｎｅｕｒｏｎ 芯片）是Ｌｏｎｗｏｒｋｓ技術的核心，它含有Ｌｏｎｔａｌｋ 協議的固態軟件（簡稱為固件），因而能進行可靠地通訊。為了實現Ｎｅｕｒｏｎ芯片與Ｉ／Ｏ設備之間的通信，Ｎｅｕｒｏｎ芯片的１１個引腳可定義為３４種Ｉ／Ｏ對象，其中包括并行Ｉ／Ｏ對象、串行Ｉ／Ｏ對象、直接Ｉ／Ｏ對象、定時／計數器輸入對象等。用戶可根據實際應用的需要在應用程序中定義不同的Ｉ／Ｏ對象，然后調用ｉｏ ｉｎ??或ｉｏ ｏｕｔ??等函數來實現對Ｉ／Ｏ對象的數據讀寫操作，即實現Ｎｅｕｒｏｎ 芯片與Ｉ／Ｏ設備之間的通信。文中介紹了神經元芯片的一種Ｉ／Ｏ應用模式，即并行Ｉ／Ｏ模式（Ｐａｒａｌｌｅｌ Ｉ／Ｏ Ｍｏｄｅ）。該神經元芯片采用日本東芝公司的ＴＭＰＮ３１５０芯片。
ＲＳ－２３２標準是一種常見的電氣和通訊接口標準，而Ｌｏｎｗｏｒｋｓ現場總線在網絡通訊方面具有突出的優點（如網絡物理層支持多種通信介質，支持多種網絡拓撲結構等），它以其突出的統一性、開放性及互操作性受到各行各業的重視，并且作為現場總線中的佼佼者在國內各個領域的測控系統中廣泛流行。因此，將現場設備的ＲＳ－２３２信號轉換為包含ＬｏｎＴａｌｋ協議的信息來實現與其它ＬＯＮ節點以及ＬＯＮ網絡管理設備之間的通訊，具有拓寬ＬＯＮ應用范圍的意義。筆者基于神經元芯片的并行Ｉ／Ｏ應用模式設計了一個適配器，從而實現了ＲＳ－２３２通信網絡與Ｌｏｎｗｏｒｋｓ現場總線的集成。
圖1 基于TMPN3150的RS-232網絡與Lonworks現場總線的適配器硬件框圖
２ 神經元芯片的并行Ｉ／Ｏ應用模式
通過定義并行Ｉ／Ｏ對象，Ｎｅｕｒｏｎ芯片可以實現與外接各類微處理器之間的雙向數據通信，并行口的速率可達３．３Ｍｂｐｓ。并行Ｉ／Ｏ對象利用Ｎｅｕｒｏｎ的１１個Ｉ／Ｏ口進行通信，其中ＩＯ０～ＩＯ７為８根數據線，ＩＯ８～ＩＯ１０為控制信號線。并行口的工作方式有３種，即ｍａｓｔｅｒ、ｓｌａｖｅ－Ａ和ｓｌａｖｅ－Ｂ。在不同模式下，ＩＯ８～ＩＯ１０這３根控制信號線的意義不同。筆者應用的是ｓｌａｖｅ－Ａ模式，即從Ａ模式。
在從Ａ模式中，ＩＯ８為片選信號線（ＣＳ），ＩＯ９為讀寫信號線（Ｒ／ Ｗ），ＩＯ１０為握手信號線（ＨＳ）。在此模式中，應將Ｎｅｕｒｏｎ芯片作為從機（ｓｌａｖｅ），微處理器作為主機（ｍａｓｔｅｒ），主機和從機之間的數據傳輸可通過虛擬的寫令牌傳遞協議（ｖｉｒｔｕａｌ ｗｒｉｔｅ ｔｏｋｅｎ－ｐａｓｓｉｎｇ ｐｒｏｔｏｃｏｌ）來實現。主機和從機交替地獲得寫令牌（ｗｒｉｔｅ ｔｏｋｅｎ），擁有寫令牌的一方既可以寫數據（不超過２５５個字節），也可以不寫任何數據而傳送一個空令牌。傳送的數據要遵從一定的格式，即在要傳送的數據前面加上命令碼和所傳數據的長度，命令碼有ＣＭＤ＿ＸＦＥＲ（寫數據）、ＣＭＤ＿ＮＵＬＬ（傳遞空令牌）、ＣＭＤ＿ＲＥＳＹＮＣ（要求從機同步）、ＣＭＤ＿ＡＣＫＳＹＮＣ（確認同步）等四種，最后以ＥＯＭ字節結束。其中寫數據和傳遞空令牌的格式分別為：
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在通信以前，主機和從機之間應先建立握手信號，即ＨＳ信號有效（由ＴＭＰＮ３１５０的固件自動實現），然后，主機再送一個ＣＭＤ＿ＲＥＳＹＮＣ命令要求從機同步。當從機接收到這個信號后，則發送ＣＭＤ＿ＡＣＫＳＹＮＣ以表示同步完成，可以通信了。此后，寫令牌就在主機和從機之間無限的交替傳遞，擁有寫令牌的一方可以向數據總線上寫數據，即主機可以往從機寫數據，從機也可以將數據傳往主機。
３ 實例應用
基于上述神經元芯片ＴＭＰＮ３１５０的并行Ｉ／Ｏ應用模式來實現ＲＳ－２３２通信網絡與Ｌｏｎｗｏｒｋｓ現場總線的集成適配器主要由Ｌｏｎｗｏｒｋｓ控制模塊和ＭＣＳ５１系列的Ｐ８９Ｃ５１單片機兩大部分組成。其中Ｌｏｎｗｏｒｋｓ控制模塊用于Ｌｏｎｗｏｒｋｓ現場總線的網絡通信管理，Ｐ８９Ｃ５１和ＭＡＸ２３２芯片則用來實現ＲＳ－２３２通信網絡的鏈路和協議。其硬件框圖如圖１所示。
適配器的軟件編寫應包括兩個部分。一部分為對主機程序的編寫，可用Ｃ語言編寫。因為從機（ＴＭＰＮ３１５０芯片）的并行模式是在芯片內部定義的，它遵從虛擬的寫令牌傳遞協議，所以需要編寫Ｐ８９Ｃ５１程序來模擬ＴＭＰＮ３１５０的Ｉ／Ｏ并行口的從Ａ模式，該程序主要完成與ＴＭＰＮ３１５０的同步、握手、令牌的傳送以及并行口數據的讀寫等四項工作。另一部分是編寫從機程序，該程序應使用神經元芯片的編程語言——Ｎｅｕｒｏｎ Ｃ語言來編寫。當從機將并口得到的報文進行解析后，本系統將利用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點，同時將適配器下層的應用節點以消息形式傳送上來的數據或信息所構成的Ｐ８９Ｃ５１能識別的報文通過并口傳送給Ｐ８９Ｃ５１。
４ 結論
利用Ｎｅｕｒｏｎ芯片的并行Ｉ／Ｏ模式實現Ｌｏｎｗｏｒｋｓ控制模塊和微處理器之間的數據交換是構造Ｌｏｎ-ｗｏｒｋｓ現場總線與ＲＳ－２３２通信網絡適配器的關鍵，這種簡單、可靠、實用的接口方法可以推廣到Ｌｏｎ-ｗｏｒｋｓ控制模塊與其它計算機的并行數據通信中，特別是對已有的測控裝置改造為Ｌｏｎｗｏｒｋｓ現場總線節點、或者測控功能比較復雜而僅僅需要Ｎｅｕｒｏｎ作為通訊處理器的場合，同時，也可用于需用高檔ＣＰＵ來進行數據處理的Ｌｏｎｗｏｒｋｓ現場節點的應用方面。
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