控制网

王文海,刘  庆

1  引言
HS2000 VSI三取二计算机联锁系统是一种适用于大、中、小型车站的高性能车站联锁设备，其核心是采用北京和利时系统工程股份有限公司生产的三取二系统，由3套结构完全相同的嵌入式微机组成，输入输出模板均带有智能型CPU，可带电插拔，互为主备。并且采用了双断回读技术，进一步提高了系统的可靠性和安全性。
HS2000 VSI使用双冗余ARCNET网络技术，构成网桥的热备，不但可靠性高、造价低，还能实现远距离通信，是一种值得推广应用的计算机控制系统的通信方式。下面对这一技术作一简介。
2  网络构成
HS2000 VSI的系统网络应用ARCNET网，为典型的令牌总线网。联锁计算机、操作员站和历史站之间通过该网络进行数据通讯。
HS2F20令牌总线网络接口板采用工业标准的PC/104XT BUS与CPU板相连接，其功能是为HS2000 VSI系统现场控制站的主控模块提供ARCNET网络支持。
HS2F20板中具有两个ARCNET网络控制器和收发器，能够支持并行或冗余的双网结构。HS2F20板的技术参数见表1。

表1 

HS2F20令牌总线网络接口板逻辑组成，如图1所示。HS2F20接口板还包括中断选择跳线器阵、引导ROM插座、指示灯电路以及直流电源电压变换电路。

 
图1  HS2F20令牌总线网络接口板逻辑框图

图1中PROM为8K字节的存储器，用以装入网络引导固件。其地址范围排放在2K RAM的地址范围之后的8K空间内。
网络控制器COM90C66内部的2K RAM是双口存储器，主机CPU把发送的信息装入存储器的发送缓冲区。当本节点持有令牌时，向目标节点先发送空闲缓冲区查询帧，得到肯定回答后，立即发送信息帧。若得到否定回答，令牌向逻辑环的下一个节点传递，等待下一轮令牌的到达，再进行“空闲缓冲区查询帧”发送操作。
COM90C66如果接收到帧信息后，将信息存放在双口存储器中接收缓冲区内，设置标志位并向CPU发中断。主机CPU接收到中断后，即可以对接收到的信息进行处理。
COM90C66采用20MHz的晶振频率提供时序操作。如果网络数据传输速率希望降低到1MHz，可以改用8MHz的晶振。晶振的频率精度应优于0.2‰。
网卡中有四个指示灯，分为两组。每组分别有一红色和绿色指示灯，用于指示一路CAN通讯通道的运行状态。当宿主CPU通过PC/104/XT BUS 访问COM90C66的双口存储器和寄存器时，绿色发光LED点亮726µs，发送信息时，红色发光LED点亮400ms。
3  工作原理
ARCNET局域网，其数据链路取送控制层采用 TOKEN PASSING（令牌传递）技术，属于TOKEN PASSING类型实时网络。
ARCNET局域网基本上是总线拓扑结构，同时也支持星型网络结构。在实际应用中具有较好的灵活性，获得了广泛应用。
ARCNET局域网可以采用多种传输介质，如同轴电缆、双绞线电缆以及光导纤维。HS2F20板采用同轴电缆作为传输介质。
ARCNET局域网接口板可以直接通过BNC T型接头挂在总线上，也可以通过有源HUB（集线器）或无源HUB连接到总线上。通过有源HUB时，每一段ARCNET网络线长度可达600m。ARCNET网络允许10台HUB级连，因此整个系统的网络线最长可达6 700m，接入的接点数最多达255个。
ARCNET局域网在传输信息前，首先访问目标节点是否有空闲缓冲区用来接收信息，这样可以有效地避免信息的丢失以及重传操作，从而提高了信息的传输效率。
在令牌传递方式的数据链路取送控制协议中，令牌按一定的顺序从一个节点传递到另一个节点。持有令牌的节点可以向网络传输介质发送信息，保证了网络传输介质的分时复用特性。
ARCNET局域网信息传输的编码方式为双脉冲方式。对于传号，发出两个连续的宽度为100ns的脉冲，经缓冲和低通滤波后，变成双极性的谐波脉冲。对应逻辑1；对于空号，则无双极性的谐波脉冲表示，对应逻辑0。这种双极性的谐波脉冲传输的优点是：① 比基带传输所占用的带宽要窄，可以获得较好的信噪比；② 防止同轴电缆两导体之间电荷积累，减少传输过程中码间干扰。
(1)  ARCNET局域网的帧结构
传输的信息包括两种形式：长包为512个字节；短包为256个字节。
每个传输的字节占用11个位(8+3)，因此传输1个字节要用4.4µs的时间。
帧的结构有以下几种：
①  邀请发送（令牌传递）
ALERT BURST EOT DID DID
ALERT BURST为01111110BIN形式的帧开端前导码；EOT为04HEX形式发送的结束控制码；DID为ARCNET目标节点地址。
这种形式的帧只是为了让TOEKN通过本节点。
②  空闲缓冲区查询 
ALERT BURST ENQ DID DID
ENQ为85 HEX空闲缓冲区查询控制码。
这种形式的帧表示查询目标节点接收信息的缓冲区是否空闲。该帧需要目标节点的网络控制器给予回答。
③  接收应答帧
ALERT BURST ACK
ACK为86 HEX肯定回答控制码；ANK为15 HEX否定回答控制码。
当目标节点的网络控制器接收到空闲缓冲区查询帧后，若接收缓冲器不忙碌，即回答ACK帧，发查询帧的节点立即将信息发出；若接收缓冲器忙碌，表示暂时不接收，发查询帧的节点将令牌下传。
④  信息帧
 
SOH为01 HEX形式的信息起始传送控制码；SID为发送信息的源节点地址；DID为接收信息的目标节点地址。DID=0为广播方式；COUNT：设DATA字段的长度为N，对长包COUNT=512-N，对短包COUNT=256-N；DATA为传输的信息序列；CRC为循环冗余校验码，采用多项式X16+X15+X2+1的形式。
(2)  令牌传送及网络逻辑环重构
ARCNET的令牌传递是从低ID节点向高ID节点依次传递，然后再从最高ID节点传递到最低ID节点，构成一个逻辑环。节点发送令牌后，开始计时74µs，（按ET0=1、ET1=1配置）在74µs内如果没有收到回答信息，持有令牌的节点将它的NID值加1，然后重发令牌，直到有一个节点响应为止。持有令牌的节点将响应的节点作为它的逻辑环中的下一个节点。

 
图2  网络控制器COM90C66的内部框图

当一个节点检测到总线空闲78µs时，该节点必须重构逻辑环。原因是某节点掉电或出现故障，令牌无法沿逻辑环传递下去。
当一个节点检测到总线空闲840ms没有收到令牌或节点加电初始化，网络控制器COM90C66将连续发出765个脉冲串（含8个传号和1个空号），破坏总线上令牌的传递，引起逻辑环的重构。该功能使节点退出或加入网络非常方便。
(3)  网络控制器COM90C66
HS2F20接口板上的ARCNET网络控制器COM90C66由微序列控制器、内部寄存器、总线接口电路、重构定时器、时钟、节点ID电路、收发逻辑电路以及2K RAM构成。
图2出示了网络控制器COM90C66的内部框图。
(4)  收发器逻辑电路
COM90C66发送信息时，产生两个不同相位的脉冲PULSE1/PULSE2驱动网络收发器HYC9058（HYC9068、HYC9088）。有关网络收发器工作的波形如图3所示。HYC9058产生双脉冲信号，经射频（RF）变压器耦合到传输介质上。HYC9058把传输介质上的双脉冲信号，经射频变压器耦合进来，经低通滤波整形转换成COM90C66的RXIN引脚所需要的非归零（NRZ）编码脉冲信号。

 
图3  双脉冲产生及接收的波形图

4  结语
由于Arcnet网络技术数据传输可靠，又是双冗余结构，可确保其可靠工作。因此，得到现场用户的欢迎，值得推广应用。