王文海,劉  慶

1  引言
HS2000 VSI三取二計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)是一種適用于大、中、小型車站的高性能車站聯(lián)鎖設(shè)備，其核心是采用北京和利時(shí)系統(tǒng)工程股份有限公司生產(chǎn)的三取二系統(tǒng)，由3套結(jié)構(gòu)完全相同的嵌入式微機(jī)組成，輸入輸出模板均帶有智能型CPU，可帶電插拔，互為主備。并且采用了雙斷回讀技術(shù)，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的可靠性和安全性。
HS2000 VSI使用雙冗余ARCNET網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，構(gòu)成網(wǎng)橋的熱備，不但可靠性高、造價(jià)低，還能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信，是一種值得推廣應(yīng)用的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的通信方式。下面對這一技術(shù)作一簡介。
2  網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成
HS2000 VSI的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用ARCNET網(wǎng)，為典型的令牌總線網(wǎng)。聯(lián)鎖計(jì)算機(jī)、操作員站和歷史站之間通過該網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。
HS2F20令牌總線網(wǎng)絡(luò)接口板采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的PC/104XT BUS與CPU板相連接，其功能是為HS2000 VSI系統(tǒng)現(xiàn)場控制站的主控模塊提供ARCNET網(wǎng)絡(luò)支持。
HS2F20板中具有兩個(gè)ARCNET網(wǎng)絡(luò)控制器和收發(fā)器，能夠支持并行或冗余的雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)。HS2F20板的技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 

HS2F20令牌總線網(wǎng)絡(luò)接口板邏輯組成，如圖1所示。HS2F20接口板還包括中斷選擇跳線器陣、引導(dǎo)ROM插座、指示燈電路以及直流電源電壓變換電路。

 
圖1  HS2F20令牌總線網(wǎng)絡(luò)接口板邏輯框圖

圖1中PROM為8K字節(jié)的存儲(chǔ)器，用以裝入網(wǎng)絡(luò)引導(dǎo)固件。其地址范圍排放在2K RAM的地址范圍之后的8K空間內(nèi)。
網(wǎng)絡(luò)控制器COM90C66內(nèi)部的2K RAM是雙口存儲(chǔ)器，主機(jī)CPU把發(fā)送的信息裝入存儲(chǔ)器的發(fā)送緩沖區(qū)。當(dāng)本節(jié)點(diǎn)持有令牌時(shí)，向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)先發(fā)送空閑緩沖區(qū)查詢幀，得到肯定回答后，立即發(fā)送信息幀。若得到否定回答，令牌向邏輯環(huán)的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳遞，等待下一輪令牌的到達(dá)，再進(jìn)行“空閑緩沖區(qū)查詢幀”發(fā)送操作。
COM90C66如果接收到幀信息后，將信息存放在雙口存儲(chǔ)器中接收緩沖區(qū)內(nèi)，設(shè)置標(biāo)志位并向CPU發(fā)中斷。主機(jī)CPU接收到中斷后，即可以對接收到的信息進(jìn)行處理。
COM90C66采用20MHz的晶振頻率提供時(shí)序操作。如果網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸速率希望降低到1MHz，可以改用8MHz的晶振。晶振的頻率精度應(yīng)優(yōu)于0.2‰。
網(wǎng)卡中有四個(gè)指示燈，分為兩組。每組分別有一紅色和綠色指示燈，用于指示一路CAN通訊通道的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)宿主CPU通過PC/104/XT BUS 訪問COM90C66的雙口存儲(chǔ)器和寄存器時(shí)，綠色發(fā)光LED點(diǎn)亮726µs，發(fā)送信息時(shí)，紅色發(fā)光LED點(diǎn)亮400ms。
3  工作原理
ARCNET局域網(wǎng)，其數(shù)據(jù)鏈路取送控制層采用 TOKEN PASSING（令牌傳遞）技術(shù)，屬于TOKEN PASSING類型實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)。
ARCNET局域網(wǎng)基本上是總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，同時(shí)也支持星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在實(shí)際應(yīng)用中具有較好的靈活性，獲得了廣泛應(yīng)用。
ARCNET局域網(wǎng)可以采用多種傳輸介質(zhì)，如同軸電纜、雙絞線電纜以及光導(dǎo)纖維。HS2F20板采用同軸電纜作為傳輸介質(zhì)。
ARCNET局域網(wǎng)接口板可以直接通過BNC T型接頭掛在總線上，也可以通過有源HUB（集線器）或無源HUB連接到總線上。通過有源HUB時(shí)，每一段ARCNET網(wǎng)絡(luò)線長度可達(dá)600m。ARCNET網(wǎng)絡(luò)允許10臺(tái)HUB級連，因此整個(gè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)線最長可達(dá)6 700m，接入的接點(diǎn)數(shù)最多達(dá)255個(gè)。
ARCNET局域網(wǎng)在傳輸信息前，首先訪問目標(biāo)節(jié)點(diǎn)是否有空閑緩沖區(qū)用來接收信息，這樣可以有效地避免信息的丟失以及重傳操作，從而提高了信息的傳輸效率。
在令牌傳遞方式的數(shù)據(jù)鏈路取送控制協(xié)議中，令牌按一定的順序從一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳遞到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)。持有令牌的節(jié)點(diǎn)可以向網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)發(fā)送信息，保證了網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)的分時(shí)復(fù)用特性。
ARCNET局域網(wǎng)信息傳輸?shù)木幋a方式為雙脈沖方式。對于傳號，發(fā)出兩個(gè)連續(xù)的寬度為100ns的脈沖，經(jīng)緩沖和低通濾波后，變成雙極性的諧波脈沖。對應(yīng)邏輯1；對于空號，則無雙極性的諧波脈沖表示，對應(yīng)邏輯0。這種雙極性的諧波脈沖傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)是：① 比基帶傳輸所占用的帶寬要窄，可以獲得較好的信噪比；② 防止同軸電纜兩導(dǎo)體之間電荷積累，減少傳輸過程中碼間干擾。
(1)  ARCNET局域網(wǎng)的幀結(jié)構(gòu)
傳輸?shù)男畔▋煞N形式：長包為512個(gè)字節(jié)；短包為256個(gè)字節(jié)。
每個(gè)傳輸?shù)淖止?jié)占用11個(gè)位(8+3)，因此傳輸1個(gè)字節(jié)要用4.4µs的時(shí)間。
幀的結(jié)構(gòu)有以下幾種：
①  邀請發(fā)送（令牌傳遞）
ALERT BURST EOT DID DID
ALERT BURST為01111110BIN形式的幀開端前導(dǎo)碼；EOT為04HEX形式發(fā)送的結(jié)束控制碼；DID為ARCNET目標(biāo)節(jié)點(diǎn)地址。
這種形式的幀只是為了讓TOEKN通過本節(jié)點(diǎn)。
②  空閑緩沖區(qū)查詢 
ALERT BURST ENQ DID DID
ENQ為85 HEX空閑緩沖區(qū)查詢控制碼。
這種形式的幀表示查詢目標(biāo)節(jié)點(diǎn)接收信息的緩沖區(qū)是否空閑。該幀需要目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)控制器給予回答。
③  接收應(yīng)答幀
ALERT BURST ACK
ACK為86 HEX肯定回答控制碼；ANK為15 HEX否定回答控制碼。
當(dāng)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)控制器接收到空閑緩沖區(qū)查詢幀后，若接收緩沖器不忙碌，即回答ACK幀，發(fā)查詢幀的節(jié)點(diǎn)立即將信息發(fā)出；若接收緩沖器忙碌，表示暫時(shí)不接收，發(fā)查詢幀的節(jié)點(diǎn)將令牌下傳。
④  信息幀
 
SOH為01 HEX形式的信息起始傳送控制碼；SID為發(fā)送信息的源節(jié)點(diǎn)地址；DID為接收信息的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)地址。DID=0為廣播方式；COUNT：設(shè)DATA字段的長度為N，對長包COUNT=512-N，對短包COUNT=256-N；DATA為傳輸?shù)男畔⑿蛄校籆RC為循環(huán)冗余校驗(yàn)碼，采用多項(xiàng)式X16+X15+X2+1的形式。
(2)  令牌傳送及網(wǎng)絡(luò)邏輯環(huán)重構(gòu)
ARCNET的令牌傳遞是從低ID節(jié)點(diǎn)向高ID節(jié)點(diǎn)依次傳遞，然后再從最高ID節(jié)點(diǎn)傳遞到最低ID節(jié)點(diǎn)，構(gòu)成一個(gè)邏輯環(huán)。節(jié)點(diǎn)發(fā)送令牌后，開始計(jì)時(shí)74µs，（按ET0=1、ET1=1配置）在74µs內(nèi)如果沒有收到回答信息，持有令牌的節(jié)點(diǎn)將它的NID值加1，然后重發(fā)令牌，直到有一個(gè)節(jié)點(diǎn)響應(yīng)為止。持有令牌的節(jié)點(diǎn)將響應(yīng)的節(jié)點(diǎn)作為它的邏輯環(huán)中的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)。

 
圖2  網(wǎng)絡(luò)控制器COM90C66的內(nèi)部框圖

當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)檢測到總線空閑78µs時(shí)，該節(jié)點(diǎn)必須重構(gòu)邏輯環(huán)。原因是某節(jié)點(diǎn)掉電或出現(xiàn)故障，令牌無法沿邏輯環(huán)傳遞下去。
當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)檢測到總線空閑840ms沒有收到令牌或節(jié)點(diǎn)加電初始化，網(wǎng)絡(luò)控制器COM90C66將連續(xù)發(fā)出765個(gè)脈沖串（含8個(gè)傳號和1個(gè)空號），破壞總線上令牌的傳遞，引起邏輯環(huán)的重構(gòu)。該功能使節(jié)點(diǎn)退出或加入網(wǎng)絡(luò)非常方便。
(3)  網(wǎng)絡(luò)控制器COM90C66
HS2F20接口板上的ARCNET網(wǎng)絡(luò)控制器COM90C66由微序列控制器、內(nèi)部寄存器、總線接口電路、重構(gòu)定時(shí)器、時(shí)鐘、節(jié)點(diǎn)ID電路、收發(fā)邏輯電路以及2K RAM構(gòu)成。
圖2出示了網(wǎng)絡(luò)控制器COM90C66的內(nèi)部框圖。
(4)  收發(fā)器邏輯電路
COM90C66發(fā)送信息時(shí)，產(chǎn)生兩個(gè)不同相位的脈沖PULSE1/PULSE2驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器HYC9058（HYC9068、HYC9088）。有關(guān)網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器工作的波形如圖3所示。HYC9058產(chǎn)生雙脈沖信號，經(jīng)射頻（RF）變壓器耦合到傳輸介質(zhì)上。HYC9058把傳輸介質(zhì)上的雙脈沖信號，經(jīng)射頻變壓器耦合進(jìn)來，經(jīng)低通濾波整形轉(zhuǎn)換成COM90C66的RXIN引腳所需要的非歸零（NRZ）編碼脈沖信號。

 
圖3  雙脈沖產(chǎn)生及接收的波形圖

4  結(jié)語
由于Arcnet網(wǎng)絡(luò)技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸可靠，又是雙冗余結(jié)構(gòu)，可確保其可靠工作。因此，得到現(xiàn)場用戶的歡迎，值得推廣應(yīng)用。