王文海,劉  慶

1  引言
HS2000 VSI三取二計算機聯(lián)鎖系統是一種適用于大、中、小型車(chē)站的高性能車(chē)站聯(lián)鎖設備，其核心是采用北京和利時(shí)系統工程股份有限公司生產(chǎn)的三取二系統，由3套結構完全相同的嵌入式微機組成，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)一步提高了系統的可靠性和安全性。
HS2000 VSI使用雙冗余ARCNET網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，構成網(wǎng)橋的熱備，不但可靠性高、造價(jià)低，還能實(shí)現遠距離通信，是一種值得推廣應用的計算機控制系統的通信方式。下面對這一技術(shù)作一簡(jiǎn)介。
2  網(wǎng)絡(luò )構成
HS2000 VSI的系統網(wǎng)絡(luò )應用ARCNET網(wǎng)，為典型的令牌總線(xiàn)網(wǎng)。聯(lián)鎖計算機、操作員站和歷史站之間通過(guò)該網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行數據通訊。
HS2F20令牌總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )接口板采用工業(yè)標準的PC/104XT BUS與CPU板相連接，其功能是為HS2000 VSI系統現場(chǎng)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)結構。HS2F20板的技術(shù)參數見(jiàn)表1。

表1 

HS2F20令牌總線(xiàn)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(xiàn)器陣、引導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(xiàn)網(wǎng)絡(luò )接口板邏輯框圖

圖1中PROM為8K字節的存儲器，用以裝入網(wǎng)絡(luò )引導固件。其地址范圍排放在2K RAM的地址范圍之后的8K空間內。
網(wǎng)絡(luò )控制器COM90C66內部的2K RAM是雙口存儲器，主機CPU把發(fā)送的信息裝入存儲器的發(fā)送緩沖區。當本節點(diǎn)持有令牌時(shí)，向目標節點(diǎn)先發(fā)送空閑緩沖區查詢(xún)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)節點(diǎn)傳遞，等待下一輪令牌的到達，再進(jìn)行“空閑緩沖區查詢(xún)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器中接收緩沖區內，設置標志位并向CPU發(fā)中斷。主機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 )數據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通訊通道的運行狀態(tài)。當宿主CPU通過(guò)PC/104/XT BUS 訪(fǎng)問(wèn)COM90C66的雙口存儲器和寄存器時(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)，其數據鏈路取送控制層采用 TOKEN PASSING（令牌傳遞）技術(shù)，屬于TOKEN PASSING類(lèi)型實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò )。
ARCNET局域網(wǎng)基本上是總線(xiàn)拓撲結構，同時(shí)也支持星型網(wǎng)絡(luò )結構。在實(shí)際應用中具有較好的靈活性，獲得了廣泛應用。
ARCNET局域網(wǎng)可以采用多種傳輸介質(zhì)，如同軸電纜、雙絞線(xiàn)電纜以及光導纖維。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(guò)BNC T型接頭掛在總線(xiàn)上，也可以通過(guò)有源HUB（集線(xiàn)器）或無(wú)源HUB連接到總線(xiàn)上。通過(guò)有源HUB時(shí)，每一段ARCNET網(wǎng)絡(luò )線(xiàn)長(cháng)度可達600m。ARCNET網(wǎng)絡(luò )允許10臺HUB級連，因此整個(gè)系統的網(wǎng)絡(luò )線(xiàn)最長(cháng)可達6 700m，接入的接點(diǎn)數最多達255個(gè)。
ARCNET局域網(wǎng)在傳輸信息前，首先訪(fǎng)問(wèn)目標節點(diǎn)是否有空閑緩沖區用來(lái)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據鏈路取送控制協(xié)議中，令牌按一定的順序從一個(gè)節點(diǎn)傳遞到另一個(gè)節點(diǎn)。持有令牌的節點(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)復用特性。
ARCNET局域網(wǎng)信息傳輸的編碼方式為雙脈沖方式。對于傳號，發(fā)出兩個(gè)連續的寬度為100ns的脈沖，經(jīng)緩沖和低通濾波后，變成雙極性的諧波脈沖。對應邏輯1；對于空號，則無(wú)雙極性的諧波脈沖表示，對應邏輯0。這種雙極性的諧波脈沖傳輸的優(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 防止同軸電纜兩導體之間電荷積累，減少傳輸過(guò)程中碼間干擾。
(1)  ARCNET局域網(wǎng)的幀結構
傳輸的信息包括兩種形式：長(cháng)包為512個(gè)字節；短包為256個(gè)字節。
每個(gè)傳輸的字節占用11個(gè)位(8+3)，因此傳輸1個(gè)字節要用4.4µs的時(shí)間。
幀的結構有以下幾種：
①  邀請發(fā)送（令牌傳遞）
ALERT BURST EOT DID DID
ALERT BURST為01111110BIN形式的幀開(kāi)端前導碼；EOT為04HEX形式發(fā)送的結束控制碼；DID為ARCNET目標節點(diǎn)地址。
這種形式的幀只是為了讓TOEKN通過(guò)本節點(diǎn)。
②  空閑緩沖區查詢(xún) 
ALERT BURST ENQ DID DID
ENQ為85 HEX空閑緩沖區查詢(xún)控制碼。
這種形式的幀表示查詢(xún)目標節點(diǎn)接收信息的緩沖區是否空閑。該幀需要目標節點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò )控制器給予回答。
③  接收應答幀
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。
當目標節點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò )控制器接收到空閑緩沖區查詢(xún)幀后，若接收緩沖器不忙碌，即回答ACK幀，發(fā)查詢(xún)幀的節點(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(xún)幀的節點(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)送信息的源節點(diǎn)地址；DID為接收信息的目標節點(diǎn)地址。DID=0為廣播方式；COUNT：設DATA字段的長(cháng)度為N，對長(cháng)包COUNT=512-N，對短包COUNT=256-N；DATA為傳輸的信息序列；CRC為循環(huán)冗余校驗碼，采用多項式X16+X15+X2+1的形式。
(2)  令牌傳送及網(wǎng)絡(luò )邏輯環(huán)重構
ARCNET的令牌傳遞是從低ID節點(diǎn)向高ID節點(diǎn)依次傳遞，然后再從最高ID節點(diǎn)傳遞到最低ID節點(diǎn)，構成一個(gè)邏輯環(huán)。節點(diǎn)發(fā)送令牌后，開(kāi)始計時(shí)74µs，（按ET0=1、ET1=1配置）在74µs內如果沒(méi)有收到回答信息，持有令牌的節點(diǎn)將它的NID值加1，然后重發(fā)令牌，直到有一個(gè)節點(diǎn)響應為止。持有令牌的節點(diǎn)將響應的節點(diǎn)作為它的邏輯環(huán)中的下一個(gè)節點(diǎn)。

 
圖2  網(wǎng)絡(luò )控制器COM90C66的內部框圖

當一個(gè)節點(diǎn)檢測到總線(xiàn)空閑78µs時(shí)，該節點(diǎn)必須重構邏輯環(huán)。原因是某節點(diǎn)掉電或出現故障，令牌無(wú)法沿邏輯環(huán)傳遞下去。
當一個(gè)節點(diǎn)檢測到總線(xiàn)空閑840ms沒(méi)有收到令牌或節點(diǎn)加電初始化，網(wǎng)絡(luò )控制器COM90C66將連續發(fā)出765個(gè)脈沖串（含8個(gè)傳號和1個(gè)空號），破壞總線(xiàn)上令牌的傳遞，引起邏輯環(huán)的重構。該功能使節點(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、內部寄存器、總線(xiàn)接口電路、重構定時(shí)器、時(shí)鐘、節點(diǎn)ID電路、收發(fā)邏輯電路以及2K RAM構成。
圖2出示了網(wǎng)絡(luò )控制器COM90C66的內部框圖。
(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(lái)，經(jīng)低通濾波整形轉換成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  結語(yǔ)
由于A(yíng)rcnet網(wǎng)絡(luò )技術(shù)數據傳輸可靠，又是雙冗余結構，可確保其可靠工作。因此，得到現場(chǎng)用戶(hù)的歡迎，值得推廣應用。