曾祝林,劉鳳芳

1  引言
ARCNET最初由美國Datapoint公司于1977年成功開(kāi)發(fā)并用于辦公局域網(wǎng)中，后來(lái)以太網(wǎng)以其更快的傳輸速率和大量的數據傳輸量使辦公室網(wǎng)絡(luò )的需求由ARCNET轉向以太網(wǎng)。而ARCNET時(shí)間的確定性，數據傳輸的可靠性和組網(wǎng)的靈活性，使其在工業(yè)實(shí)時(shí)控制系統中找到了新的應用途徑―嵌入式控制系統的應用。
ARCNET廣泛應用于實(shí)時(shí)控制的各個(gè)領(lǐng)域，諸如印刷、電力、船舶、鐵路運輸、樓宇自動(dòng)化等領(lǐng)域都可以見(jiàn)到它的身影。
ARCNET常常嵌入到具體系統中，國外很多儀器設備都設有ARCNET網(wǎng)絡(luò )接口標準。目前全球已有大約1000萬(wàn)個(gè)ARCNET節點(diǎn)應用于工業(yè)控制領(lǐng)域中[2]。國內的應用也有一定發(fā)展，一些技術(shù)人員開(kāi)始嘗試用ARCNET網(wǎng)絡(luò )構造實(shí)時(shí)控制系統，完成國外進(jìn)口產(chǎn)品的升級換代。但其發(fā)展還遠遠不夠，為了更好地推廣ARCNET技術(shù)，促進(jìn)工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，本文從ARCNET的技術(shù)及應用等角度，加以介紹。
2  ARCNET工作機制
ARCNET局域網(wǎng)采用了優(yōu)化的令牌總線(xiàn)協(xié)議（IEEE802.4），除了具有令牌總線(xiàn)網(wǎng)的一般特點(diǎn)外，還具有如下特點(diǎn)：
①  網(wǎng)絡(luò )中每個(gè)節點(diǎn)保存有下一個(gè)節點(diǎn)的邏輯地址，可以生成一個(gè)網(wǎng)絡(luò )活動(dòng)節點(diǎn)地址表。
②  為了避免目的節點(diǎn)沒(méi)有空閑緩沖區而引起信息的丟失，設置了空閑緩沖區查詢(xún)幀，通過(guò)查詢(xún)可以減少不必要的數據重傳，提高了網(wǎng)絡(luò )運行效率。
ARCNET是一個(gè)真正開(kāi)放標準協(xié)議，1999年成為美國國家標準ANSI/ATA878.1。從OSI參考模型來(lái)看，它提供了網(wǎng)絡(luò )的物理層和數據鏈路層服務(wù)，說(shuō)明ARCNET能方便地在兩個(gè)節點(diǎn)之間實(shí)現數據包的發(fā)送和接收。
2.1  邏輯環(huán)的建立
在A(yíng)RCNET網(wǎng)絡(luò )中，每個(gè)節點(diǎn)均有一個(gè)唯一的MAC（Medium Access Control）地址，其取值范圍為0～255，其中0是網(wǎng)絡(luò )廣播地址。每個(gè)節點(diǎn)在系統初始化或重構時(shí)確定它在邏輯環(huán)中的下一個(gè)節點(diǎn)，并將下一個(gè)節點(diǎn)的ID值保存在各自專(zhuān)用的寄存器NID（Next ID）中，并按MAC地址從小到大的順序構成一個(gè)邏輯環(huán)路。圖1是一個(gè)典型的4個(gè)節點(diǎn)的邏輯環(huán)。

       
    a 網(wǎng)絡(luò )拓撲結構                 b 邏輯環(huán)
圖1  邏輯環(huán)的建立

令牌作為一組獨特的信號序列，沿著(zhù)邏輯環(huán)從一個(gè)節點(diǎn)傳向邏輯鄰居（而非物理鄰居），因而與節點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò )上的物理位置以及網(wǎng)絡(luò )的拓撲結構無(wú)關(guān)。
2.2  節點(diǎn)的進(jìn)網(wǎng)或退網(wǎng)
當一個(gè)節點(diǎn)加電或840ms（2.5Mbps速率下）沒(méi)有收到令牌時(shí)，它即發(fā)出一個(gè)重構脈沖，使總線(xiàn)終止一切活動(dòng)，造成令牌丟失，從而引發(fā)系統重構。經(jīng)過(guò)重構形成新的邏輯環(huán)，新節點(diǎn)也就加入網(wǎng)絡(luò )中。重構時(shí)間的多少取決于網(wǎng)上節點(diǎn)的多少和數據傳輸速率的大小，通常為20～30ms。
當一個(gè)節點(diǎn)由于故障或斷電而退出網(wǎng)絡(luò )時(shí)不需要進(jìn)行整個(gè)邏輯環(huán)的重構，因為當邏輯環(huán)的上一個(gè)節點(diǎn)（存有退網(wǎng)節點(diǎn)的ID值）向它發(fā)送令牌時(shí)，不可能收到它的響應，因而令牌發(fā)送者將它的NID值加1，重發(fā)令牌，直到收到響應，即找到邏輯環(huán)中新的下一個(gè)節點(diǎn)為止（實(shí)際上新的下一個(gè)節點(diǎn)就是故障節點(diǎn)在原邏輯環(huán)的下一個(gè)節點(diǎn)），節點(diǎn)的退網(wǎng)也就完成。
根據現場(chǎng)實(shí)際情況，多數網(wǎng)絡(luò )故障是節點(diǎn)故障，對于A(yíng)RCNET網(wǎng)絡(luò )，只需該節點(diǎn)退網(wǎng)，即可保證網(wǎng)絡(luò )中其它節點(diǎn)正常工作。由于節點(diǎn)退網(wǎng)無(wú)需網(wǎng)絡(luò )重構，因而網(wǎng)絡(luò )故障恢復時(shí)間很短。
網(wǎng)絡(luò )中節點(diǎn)的增加或退出都是由網(wǎng)絡(luò )自動(dòng)完成，不需外界的介入。
2.3  數據的接收和發(fā)送
ARCNET局域網(wǎng)的數據傳輸速率為156.25K～10Mbps，其用戶(hù)數據的長(cháng)度為0～507字節，有兩種ARCNET數據幀模式，其中短幀模式用戶(hù)數據的最大長(cháng)度為253字節，長(cháng)幀模式用戶(hù)數據的最大長(cháng)度為507字節，只要按一定的格式將用戶(hù)數據寫(xiě)入協(xié)議控制器內置的2K RAM中，在數據發(fā)送時(shí)，協(xié)議控制器會(huì )自動(dòng)將其組織到ARCNET的數據幀中。傳輸數據在協(xié)議控制器內置的2K RAM中的存放格式如圖2所示。

                        地址      短幀模式            長(cháng)幀模式 

N為用戶(hù)數據的長(cháng)度；SID為源節點(diǎn)地址；DID為目的節點(diǎn)地址；DID為0表示廣播地址
圖2  傳輸數據在2K RAM中的存放格式

在數據傳送的過(guò)程中，一旦源節點(diǎn)CPU將待發(fā)的用戶(hù)數據寫(xiě)入協(xié)議控制器的內部RAM，在該節點(diǎn)持有令牌時(shí)，相當于接收到令牌傳送幀（ITT，Invitation to Transmit，簡(jiǎn)稱(chēng)令牌），首先向目的節點(diǎn)發(fā)送一個(gè)空閑緩存查詢(xún)幀（FBE，Free Buffer Enquiry），查詢(xún)目的節點(diǎn)是否有足夠的接收緩存，目的節點(diǎn)如有，則回答一個(gè)確認幀（ACK, Acknowle-dgement），否則回答一個(gè)否認幀（NAK, Negative Acknowledgement）。源節點(diǎn)只有收到來(lái)自目的節點(diǎn)的ACK幀后才向其發(fā)送一個(gè)含有用戶(hù)數據的數據幀（PAC, Packet）。如果目的節點(diǎn)收到了數據，且通過(guò)了CRC校驗，則回送一個(gè)ACK幀，告訴源節點(diǎn)數據接收成功，否則目的節點(diǎn)不回發(fā)任何信息，導致源節點(diǎn)超時(shí)，源節點(diǎn)認為數據發(fā)送失敗，等下一次收到令牌時(shí)重發(fā)該數據幀，至此節點(diǎn)傳輸過(guò)程結束，令牌被傳遞給下一個(gè)節點(diǎn)。圖3是節點(diǎn)156向節點(diǎn)255發(fā)送數據包的具體過(guò)程。

                
a 等待令牌信號             b 檢查是否可發(fā)送

                    
     c 可發(fā)送回答確認               d 送出數據

                 
              e 發(fā)送完成                    f 令牌傳向下一個(gè)節點(diǎn)
圖3  數據的傳送過(guò)程

ARCNET支持廣播消息。廣播消息發(fā)出后無(wú)需回送確認幀，通過(guò)消息廣播一次可以將消息傳送給網(wǎng)絡(luò )上的所有節點(diǎn)，可見(jiàn)廣播速度很快。
3  ARCNET局域網(wǎng)的性能分析
3.1  安全機制
ARCNET局域網(wǎng)通過(guò)下列幾種途徑確保數據的安全傳輸。
① 數據發(fā)送前通過(guò)發(fā)送FBE幀對目的節點(diǎn)的接收準備進(jìn)行確認。
② 每個(gè)數據幀中都含有一個(gè)CRC-16的幀校驗序列。
③ 一旦令牌丟失，將引發(fā)重構，自動(dòng)重構網(wǎng)絡(luò )。
④ 協(xié)議控制器提供強大的網(wǎng)絡(luò )故障診斷功能。
此外，由于協(xié)議控制器內置2K RAM，可儲存8頁(yè)短幀模式的用戶(hù)數據和4頁(yè)長(cháng)幀模式的用戶(hù)數據。即使節點(diǎn)CPU不讀取RAM中的數據，數據充滿(mǎn)RAM也無(wú)關(guān)緊要，當RAM要溢出時(shí)，節點(diǎn)CPU在收到FBE幀時(shí)可回送NAK幀，使RAM不再接收數據，此時(shí)源節點(diǎn)將不再發(fā)送數據，將令牌傳送給下一節點(diǎn)，因此，即使某一節點(diǎn)無(wú)法通信，整個(gè)網(wǎng)絡(luò )也不會(huì )鎖閉。
3.2  數據吞吐量和總開(kāi)銷(xiāo)
由于A(yíng)RCNET使用令牌傳送機制來(lái)仲裁節點(diǎn)對網(wǎng)絡(luò )的訪(fǎng)問(wèn)權，因而網(wǎng)絡(luò )性能在時(shí)間上是可預測的或可確定的。正是由于A(yíng)RCNET的時(shí)間可確定性，使其在工業(yè)實(shí)時(shí)控制領(lǐng)域中的應用經(jīng)久不衰。
反映局域網(wǎng)性能的一個(gè)重要參數就是“一個(gè)節點(diǎn)在能夠發(fā)送信息之前必須等待的時(shí)間”，這個(gè)參數表示了各個(gè)節點(diǎn)每秒鐘能發(fā)送的信息數，也就是網(wǎng)絡(luò )的吞吐量。
在2.5Mbps的數據傳輸速率下，ARCNET協(xié)議控制器執行簡(jiǎn)單的令牌傳送約需28.2µs（協(xié)議控制器響應時(shí)間12.6µs+令牌碼傳送時(shí)間15.6µs），因而令牌繞邏輯環(huán)一周的傳遞時(shí)間為28.2×Nnodes(µs)，Nnodes為網(wǎng)絡(luò )中活動(dòng)節點(diǎn)數，一個(gè)節點(diǎn)從接收到令牌到發(fā)送數據為止，共需117.2µs的處理時(shí)間，傳輸每個(gè)字節需11個(gè)時(shí)鐘周期，一個(gè)字節的傳輸時(shí)間為11×400ns=4.4µs(速率為2.5Mbps時(shí)，每個(gè)時(shí)鐘周期為100ns)。因此令牌繞邏輯環(huán)一周最壞情況下的傳輸時(shí)間是網(wǎng)上每個(gè)節點(diǎn)均有數據需要發(fā)送，其大小可表示為(28.2+117.2+4.4×Nbytes)×Nnodes(µs) (Nbytes為每個(gè)數據包發(fā)送的字節數)，因而等待時(shí)間Tw的范圍為：
28.2×Nnodes µs＜Tw＜(145.4+4.4×Nbytes)×Nnodes µs
若一網(wǎng)絡(luò )中活動(dòng)節點(diǎn)數為100個(gè)，令牌環(huán)繞一周約有2%的節點(diǎn)需要發(fā)送信息，其信息包的總長(cháng)度為100字節，則一個(gè)節點(diǎn)發(fā)送數據的等待時(shí)間為：
Tw=(145.4+4.4×100) ×100×2%+28.2×100×98%=3934µs
即一個(gè)節點(diǎn)在一秒鐘內可發(fā)送約256個(gè)信息包。事實(shí)上Datapoint公司的實(shí)驗表明即使在一個(gè)具有175個(gè)節點(diǎn)的重載網(wǎng)絡(luò )中，節點(diǎn)有信息發(fā)送的次數與總的具有令牌的次數之比也很少超過(guò)2%[3]。由此可見(jiàn)ARCNET局域網(wǎng)的性能是很高的。
此外從數據傳輸的效率來(lái)看，若一個(gè)節點(diǎn)信息包的長(cháng)度253字節，其傳輸總時(shí)間為145.4+4.4×253=1258.6µs，傳輸數據所花時(shí)間為4.4×253=1113.2µs，數據傳輸效率約為88%（1113.2/1258.6×100%=88%），也是相當高的。
3.3  幾種流行的現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議比較

表1  幾種流行的現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議的性能比較

從表中看出，這幾種網(wǎng)絡(luò )的性能各有特點(diǎn)，PROFIBUS在PLC組網(wǎng)中應用較多，CAN在底層設備上的應用有著(zhù)鮮明的特點(diǎn)，LONWORKS則具有支持較多的通信介質(zhì)和全面的上層軟件的特點(diǎn)。而ARCNET傳輸速度快，數據量大，支持多種網(wǎng)絡(luò )拓撲。此外，與工業(yè)以太網(wǎng)相比，ARCNET采用令牌傳遞方式數據傳遞更可靠。因此，從控制網(wǎng)絡(luò )層次上看，若將子系統分成三個(gè)層次：設備級、控制級和信息級，則ARCNET協(xié)議是控制級上的最佳選擇。
4  ARCNET局域網(wǎng)的組網(wǎng)技術(shù)
ARCNET局域網(wǎng)的組網(wǎng)相當靈活，用戶(hù)可以有多種組合。由于A(yíng)RCNET協(xié)議支持多種拓撲結構，諸如總線(xiàn)型、星型、樹(shù)型、環(huán)型網(wǎng)（ARCNET協(xié)議本身不支持環(huán)型，但經(jīng)過(guò)開(kāi)發(fā)商提供的特殊的集線(xiàn)器可以組成環(huán)網(wǎng)）。至于傳輸介質(zhì)，一般有三類(lèi)通信介質(zhì)可供選擇：同軸電纜、雙絞線(xiàn)和光纖，這些介質(zhì)各有利弊，如果網(wǎng)絡(luò )中使用有源HUB，則三種介質(zhì)可以混合使用，由此可見(jiàn)ARCNET組網(wǎng)的靈活性。
4.1  最大網(wǎng)段長(cháng)度的確定
對于局域網(wǎng)工程應用而言，網(wǎng)絡(luò )中網(wǎng)段的長(cháng)度是一個(gè)需要關(guān)注的問(wèn)題。網(wǎng)段是指一個(gè)完整的網(wǎng)絡(luò )中去掉HUB之后若干部分中的任何一個(gè)，在無(wú)集線(xiàn)器網(wǎng)絡(luò )或總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中，整個(gè)ARCNET網(wǎng)絡(luò )就是一個(gè)網(wǎng)段，所有節點(diǎn)都連接到這個(gè)網(wǎng)段上。而有集線(xiàn)器的網(wǎng)絡(luò )就有多個(gè)網(wǎng)段組成。一個(gè)網(wǎng)段允許的最大電纜長(cháng)度取決于所使用的收發(fā)器與電纜類(lèi)型，表2給出了幾種典型的電纜和網(wǎng)絡(luò )拓撲結構下網(wǎng)段上最大電纜的長(cháng)度和最大節點(diǎn)數的參考指標[5]。

表2  幾種典型的通信介質(zhì)和網(wǎng)絡(luò )拓撲結構下的網(wǎng)段長(cháng)度
 

注意：(1) 最大網(wǎng)段的長(cháng)度是以標準電纜的衰減和最壞情況下收發(fā)器的功率預算為基礎算出的；(2) 最大節點(diǎn)數不包括HUB端口（因為其內部無(wú)協(xié)議控制器），但是網(wǎng)段最大電纜長(cháng)度包括連接到HUB端口的電纜長(cháng)度。
4.2  協(xié)議控制器和收發(fā)器的選用
ARCNET的協(xié)議全部由硬件完成，稱(chēng)為ARCNET協(xié)議控制器，因而減輕了節點(diǎn)CPU的開(kāi)銷(xiāo)和軟件設計周期，提高了效率。
早期的協(xié)議控制器的收發(fā)緩存必須另外擴展2K RAM，因而其芯片的引腳較多，體積較大，而且對網(wǎng)絡(luò )的診斷功能不強。筆者曾使用COM90C65設計ARCNET局域網(wǎng)，由于其診斷功能不足，只有通過(guò)增加軟件開(kāi)銷(xiāo)來(lái)加強網(wǎng)絡(luò )管理功能，但是效果不佳，在產(chǎn)生活動(dòng)節點(diǎn)地址表方面也頗費周折，而對令牌的監視則束手無(wú)策。盡管后來(lái)的COM90C66將2K RAM內置到協(xié)議控制內部，但是使用上還存在許多不便。近幾年推出的COM 200系列芯片，無(wú)論在結構上和功能上都作了很大改進(jìn)，使開(kāi)發(fā)人員應用更為便捷，而且在組網(wǎng)上提供了更多的靈活性，如通過(guò)對內部寄存器的設置可靈活改變數據傳輸速率，根據網(wǎng)絡(luò )中節點(diǎn)數目的多少設置重構時(shí)間，以得到更短的重構時(shí)間，進(jìn)一步提升了系統的可靠性和快速性。通過(guò)某些寄存器的配合使用，較少的軟件開(kāi)銷(xiāo)，便可得到網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)活動(dòng)地址表以及網(wǎng)絡(luò )的故障信息，大大方便了網(wǎng)絡(luò )管理。
在收發(fā)器方面與早期的為2.5Mbps優(yōu)化的雙脈沖收發(fā)器相比，收發(fā)器的尺寸減少了很多，而且可以工作在10Mbps的傳輸速率下，當傳輸距離相對較短時(shí)，設計者可以選擇成本較低的RS-485收發(fā)器。市場(chǎng)上可以購買(mǎi)到日本Standard Microsystem公司生產(chǎn)的ARCNET收發(fā)器，它能很好地工作在10Mbps下，而且輸出電壓較早期有很大的減少。
4.3  軟件開(kāi)發(fā)
早期的ARCNET網(wǎng)絡(luò )部件的開(kāi)發(fā)環(huán)境不是很好，這在一定程度限制了它的應用。筆者當初設計ARCNET應用系統時(shí)，網(wǎng)絡(luò )裝置的調試和應用程序的開(kāi)發(fā)占用了許多精力。如今ARCNET開(kāi)發(fā)商對這些環(huán)節做了很大改進(jìn)，有很多的開(kāi)發(fā)工具可供選擇。
根據應用層面和使用人員的層次，開(kāi)發(fā)商們提供了靈活的部件。如各種類(lèi)型的ARCNET網(wǎng)卡和豐富的ARCNET集線(xiàn)器可供用戶(hù)選擇，并提供相應的驅動(dòng)程序。其中的空協(xié)議棧驅動(dòng)是嵌入式網(wǎng)絡(luò )普遍采用的方式，在這種方式中，數據鏈路層可以直接和應用層對話(huà)，用戶(hù)在應用程序中根據自己的需要定義協(xié)議。當傳輸速度非常重要，而與其他系統的連通性要求不高時(shí)，這種方式是最好的選擇。
如果用戶(hù)自行設計網(wǎng)卡，則提供基于PC機的調試軟件和驅動(dòng)程序的源代碼供用戶(hù)參考。更為便捷的是某些供應商還提供開(kāi)發(fā)裝置的仿真板和網(wǎng)絡(luò )分析儀，以方便設計人員分析網(wǎng)絡(luò )的性能，進(jìn)一步縮短開(kāi)發(fā)周期。
5  結語(yǔ)
由于A(yíng)RCNET網(wǎng)絡(luò )具有傳輸時(shí)間的確定性，網(wǎng)絡(luò )組建的靈活性和數據傳輸的可靠性，在實(shí)時(shí)控制系統中有著(zhù)廣泛的應用，甚至有觀(guān)點(diǎn)提出ARCNET已成為現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)應用的三個(gè)層次中不可或缺的部分。國內的設計人員也開(kāi)始關(guān)注ARCNET網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，并在設備改造和國外配件的升級換代方面做了成功的嘗試。筆者希望通過(guò)本文的介紹，起到拋磚引玉的作用，促進(jìn)ARCNET在國內的進(jìn)一步應用，以豐富現場(chǎng)總線(xiàn)控制技術(shù)在我國的發(fā)展。