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王文海,劉  慶

1  引言
HS2000 VSI三取二計算機聯鎖系統是一種適用于大、中、小型車站的高性能車站聯鎖設備，其核心是采用北京和利時系統工程股份有限公司生產的三取二系統，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，進一步提高了系統的可靠性和安全性。
HS2000 VSI使用雙冗余ARCNET網絡技術，構成網橋的熱備，不但可靠性高、造價低，還能實現遠距離通信，是一種值得推廣應用的計算機控制系統的通信方式。下面對這一技術作一簡介。
2  網絡構成
HS2000 VSI的系統網絡應用ARCNET網，為典型的令牌總線網。聯鎖計算機、操作員站和歷史站之間通過該網絡進行數據通訊。
HS2F20令牌總線網絡接口板采用工業標準的PC/104XT BUS與CPU板相連接，其功能是為HS2000 VSI系統現場控制站的主控模塊提供ARCNET網絡支持。
HS2F20板中具有兩個ARCNET網絡控制器和收發器，能夠支持并行或冗余的雙網結構。HS2F20板的技術參數見表1。

表1 

HS2F20令牌總線網絡接口板邏輯組成，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令牌總線網絡接口板邏輯框圖

圖1中PROM為8K字節的存儲器，用以裝入網絡引導固件。其地址范圍排放在2K RAM的地址范圍之后的8K空間內。
網絡控制器COM90C66內部的2K RAM是雙口存儲器，主機CPU把發送的信息裝入存儲器的發送緩沖區。當本節點持有令牌時，向目標節點先發送空閑緩沖區查詢幀，得到肯定回答后，立即發送信息幀。若得到否定回答，令牌向邏輯環的下一個節點傳遞，等待下一輪令牌的到達，再進行“空閑緩沖區查詢幀”發送操作。
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發中斷。主機CPU接收到中斷后，即可以對接收到的信息進行處理。
COM90C66采用20MHz的晶振頻率提供時序操作。如果網絡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于0.2‰。
網卡中有四個指示燈，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。當宿主CPU通過PC/104/XT BUS 訪問COM90C66的雙口存儲器和寄存器時，綠色發光LED點亮726µs，發送信息時，紅色發光LED點亮400ms。
3  工作原理
ARCNET局域網，其數據鏈路取送控制層采用 TOKEN PASSING（令牌傳遞）技術，屬于TOKEN PASSING類型實時網絡。
ARCNET局域網基本上是總線拓撲結構，同時也支持星型網絡結構。在實際應用中具有較好的靈活性，獲得了廣泛應用。
ARCNET局域網可以采用多種傳輸介質，如同軸電纜、雙絞線電纜以及光導纖維。HS2F20板采用同軸電纜作為傳輸介質。
ARCNET局域網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，每一段ARCNET網絡線長度可達600m。ARCNET網絡允許10臺HUB級連，因此整個系統的網絡線最長可達6 700m，接入的接點數最多達255個。
ARCNET局域網在傳輸信息前，首先訪問目標節點是否有空閑緩沖區用來接收信息，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據鏈路取送控制協議中，令牌按一定的順序從一個節點傳遞到另一個節點。持有令牌的節點可以向網絡傳輸介質發送信息，保證了網絡傳輸介質的分時復用特性。
ARCNET局域網信息傳輸的編碼方式為雙脈沖方式。對于傳號，發出兩個連續的寬度為100ns的脈沖，經緩沖和低通濾波后，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點是：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，減少傳輸過程中碼間干擾。
(1)  ARCNET局域網的幀結構
傳輸的信息包括兩種形式：長包為512個字節；短包為256個字節。
每個傳輸的字節占用11個位(8+3)，因此傳輸1個字節要用4.4µs的時間。
幀的結構有以下幾種：
①  邀請發送（令牌傳遞）
ALERT BURST EOT DID DID
ALERT BURST為01111110BIN形式的幀開端前導碼；EOT為04HEX形式發送的結束控制碼；DID為ARCNET目標節點地址。
這種形式的幀只是為了讓TOEKN通過本節點。
②  空閑緩沖區查詢 
ALERT BURST ENQ DID DID
ENQ為85 HEX空閑緩沖區查詢控制碼。
這種形式的幀表示查詢目標節點接收信息的緩沖區是否空閑。該幀需要目標節點的網絡控制器給予回答。
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。
當目標節點的網絡控制器接收到空閑緩沖區查詢幀后，若接收緩沖器不忙碌，即回答ACK幀，發查詢幀的節點立即將信息發出；若接收緩沖器忙碌，表示暫時不接收，發查詢幀的節點將令牌下傳。
④  信息幀
 
SOH為01 HEX形式的信息起始傳送控制碼；SID為發送信息的源節點地址；DID為接收信息的目標節點地址。DID=0為廣播方式；COUNT：設DATA字段的長度為N，對長包COUNT=512-N，對短包COUNT=256-N；DATA為傳輸的信息序列；CRC為循環冗余校驗碼，采用多項式X16+X15+X2+1的形式。
(2)  令牌傳送及網絡邏輯環重構
ARCNET的令牌傳遞是從低ID節點向高ID節點依次傳遞，然后再從最高ID節點傳遞到最低ID節點，構成一個邏輯環。節點發送令牌后，開始計時74µs，（按ET0=1、ET1=1配置）在74µs內如果沒有收到回答信息，持有令牌的節點將它的NID值加1，然后重發令牌，直到有一個節點響應為止。持有令牌的節點將響應的節點作為它的邏輯環中的下一個節點。

 
圖2  網絡控制器COM90C66的內部框圖

當一個節點檢測到總線空閑78µs時，該節點必須重構邏輯環。原因是某節點掉電或出現故障，令牌無法沿邏輯環傳遞下去。
當一個節點檢測到總線空閑840ms沒有收到令牌或節點加電初始化，網絡控制器COM90C66將連續發出765個脈沖串（含8個傳號和1個空號），破壞總線上令牌的傳遞，引起邏輯環的重構。該功能使節點退出或加入網絡非常方便。
(3)  網絡控制器COM90C66
HS2F20接口板上的ARCNET網絡控制器COM90C66由微序列控制器、內部寄存器、總線接口電路、重構定時器、時鐘、節點ID電路、收發邏輯電路以及2K RAM構成。
圖2出示了網絡控制器COM90C66的內部框圖。
(4)  收發器邏輯電路
COM90C66發送信息時，產生兩個不同相位的脈沖PULSE1/PULSE2驅動網絡收發器HYC9058（HYC9068、HYC9088）。有關網絡收發器工作的波形如圖3所示。HYC9058產生雙脈沖信號，經射頻（RF）變壓器耦合到傳輸介質上。HYC9058把傳輸介質上的雙脈沖信號，經射頻變壓器耦合進來，經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  雙脈沖產生及接收的波形圖

4  結語
由于Arcnet網絡技術數據傳輸可靠，又是雙冗余結構，可確保其可靠工作。因此，得到現場用戶的歡迎，值得推廣應用。