1 EPA主控卡功能介紹

　　根據圖1所示的EPA系統網絡拓撲結圖可知，EPA主控卡是一個符合EPA協議的現場設備，它將和其他的EPA現場設備一樣，參與整個EPA網絡組態、互操作、確定性調度等。EPA主控卡是連接各種協議的底層設備、I／O模塊與上層軟件的平臺。模塊和主控卡之間通過自定義的接口進行數據交換。因此，主控卡需要實現以下基本功能：

　　①信息轉發功能。通過組態工作站完成信息的上載、顯示、處理、發布以及下載。

　　②過程測量與控制。主控卡向I／O、總線模塊傳遞數據采集命令／控制信息、這些模塊作為應答向主控卡傳送的過程變量測量數據以及其狀態(好／壞)、設備狀態信息等，并報告給監控層網絡。

　　③管理功能。實現對現場總線模塊、I／O模塊的控制、管理。在系統運行過程中，對控制區域的模塊進行自動識別、管理，并為其分配地址、空間，同時將新模塊設備描述信息向上層組態軟件報告。

　　④總線供電。主控卡總線供電功能，保證主控卡穩定工作。接入主控卡的線纜不僅能傳送數據信號，還能給主控卡提供工作電源。

　　2 EPA主控卡硬件總體方案

　　根據主控卡功能需求分析，硬件部分主要有5大模塊：CPU控制模塊、以太網通信模塊、USB主機模塊、總線供電模塊以及存儲模塊。圖2為EPA主控卡硬件設計原理框圖。其中CPU控制模塊主要實現特定網絡接口功能及執行相關控制信息；以太網PHY收發器KSZ8041NL和CPU內部集成的以太網控制器一起組成以太網通信模塊，實現EPA主控卡的以太網接入和網絡信息數據傳輸；

　　USB模塊由CPU內部集成的USB主機控制器和外圍電路構成，實現USB設備的熱插拔、即插即用以及信息交換；總線供電模塊RJ45接口在提供數據通信的同時還為現場設備提供總線供電；存儲模塊主要作為程序存儲空間和內存。結合CPU特性，以太網PHY收發器采用RMII連接，存儲模塊通過總線連接。

　　2．1 ARM微處理器

　　CPU選用基于ARM7TDMI—S核的微處理器LPC2478，其運行頻率高達72 MHz，具有高性能的32位RISC結構、16位的指令集，具有低功耗等特點。它的內部資源豐富，包括1個10／100M以太網媒體訪問控制器(MAC)、1個帶4 KB終端RAM的USB全速設備／主機／OTG控制器、4個U1AR-T、1個SPI接口、512KB片上Flash程序存儲器。同時還帶有1個4 MHz的片內振蕩器、98 KB RAM(包括64 KB局部SRAM、16 KB以太網SRAM)以及1個外部存儲器控制器(EMC)來支持上述的各種串行通信接口。這些特性使得它非常適用于通信網關和協議轉換器，為多種類型的通信應用提供了理想的解決方案。

　　2．2 以太網PHY收發器

　　KSZ8041NL是Micrel公司推出的第6代PHY(局域網接口)解決方案。它具有功耗低、體積小、波形穩定、價格便宜等特點。該芯片擁有150 mW的低電耗，以及6kV的針對快速以太網收發器的高靜電放電(Electro Static Discharge，ESD)保護功能。

　　2．3 存儲模塊

　　外部存儲器采用美國SST公司的SST39VF1601。這是一個1M×16位的CMOS多功能Flash(MPF)器件，尤其適用于要求程序、配置或數據存儲器方便和低成本的應用。對于所有的系統，SST39VF1601可以顯著增強系統的性能和可靠性，降低功耗。

　　內存芯片(RAM)HY57V561620CLT—HI是一個32MB、16位的CMOS同步DRAM，它用于高帶寬大容量的主存儲器。HY57V561620CLT—HI的運行與時鐘的高電平同步，所有數據的輸入和輸出都與輸入時鐘的上升沿相同步。數據通過內部的管道來達到非常高的數據帶寬。所有的輸入和輸出電壓電平都和LVTTL電平相匹配。

　　2．4 USB主機模塊

　　LPC2478內部具有一個嵌入式USB主機控制器，遵循OHCI(Open Host Controller Interface，開放式主機控制器接口)規范。LPC2478的USB主機控制器結構如圖3所示。

　　如圖3所示，整個USB主機控制器都掛接在AHB總線上，內核與USB主機控制器的數據交換通過DMA接口完成，與USB寄存器的通信則通過寄存器接口來實現。該主機控制器具有兩路端口，分別對應著兩路LPC2478內置的模擬收發器(ATX)。這兩路端口是完全一樣的，可以根據實際情況自由選擇。

　　2．5 電源模塊

　　EPA控制器的電源通過以太網供電，即以太網在數據傳輸的同時輸送電源，避免系統因電源不穩出現掉電的情況。采用RJ45接口的4／5、7／8作為電源和地傳輸線，數據收發1／2、3／6一起構成兩個雙絞線對，存在同一網線內，減少了擾動，增強了系統穩定性。供電輸入電壓DC-24 V，由于CPU內核和以太網PHY收發器、存儲器的工作電壓為3．3 V，所以需要對輸入電壓進行DC—DC轉換，以滿足系統需求。

　　2．6 調試模塊

　　通過JTAG調試接口，可以很方便對程序進行跟蹤調試。通過通用的串口，可以將調試信息打印到屏幕上，給調試帶來了極大的方便。

　　3 EPA主控卡驅動軟件設計

　　作為工業應用產品，需具有可靠性、準確性、實時性要求。在EPA主控卡軟件開發過程中，采用模塊化設計思想，以減少程序間耦合，增強代碼的可移植性、可讀性和可靠性，同時也方便測試、維護和升級。主控卡中軟件功能模塊的劃分如圖4所示。圖中淺灰色模塊為待移植或待開發的模塊，深灰色模塊為已經存在的模塊，白色部分是本文將要實現的模塊。

　　3．1 以太網驅動模塊

　　此模塊包含3個部分：

　　①以太網模塊初始化。此模塊主要完成PHY讀寫、以太網SRAM分配、接收和發送緩沖區初始化，以太網MAC的硬件設置、寄存器設置、工作模式配置以及中斷配置等。

　　②以太網接收數據。此模塊主要將緩沖區中數據讀取并保存到接收緩沖區，并通知上層協議軟件進行處理。數據包的接收由硬件自動完成，在接收數據完成后產生中斷觸發接收任務。

　　③以太網發送數據。此模塊將上層協議(EPA協議、UDP／IP協議)數據包封裝并拷貝到發送緩沖區中，然后由以太網PHY收發器自動完成數據發送。

　　3．2 USB HOST驅動模塊

　　USB HOST驅動設計是基于LPC2478內部集成的嵌入式USB主機控制器的基礎上的，該主機遵循OHCI規范。USB HOST設計包含以下兩部分：

　　①OHCI規范的介紹。此模塊介紹了OHCI工作范圍——HCD(主機控制器驅動)和HC(主機控制器)、數據傳輸類型、HCD和HC各自的任務以及HCD和HC之間接口HCCA。

　　②USB HOST驅動設計模塊。此模塊實現硬件配置、中斷配置和USB HOST協議設計。分為PDD(Plat-form-Dependent Driver，與硬件平臺相關)層和MDD(Model Device Driver，與硬件平臺無關)層。MDD主要包括HCD實現對HC的管理、根集線器的管理、OHCI規范的數據結構(ED／ TD／HCCA)、USB SRAM管理分配，USBD(USB核心驅動)實現USB協議的標準請求以及檢測到設備插入后完成設備的枚舉。

　　3．3 時鐘模塊

　　實時時鐘是實時操作系統的時間基準，沒有實時時鐘，也就不可能有實時系統的一切活動。此模塊包含兩個部分：

　　①系統時鐘模塊。對定時器0的寄存器進行配置以及中斷配置，使定時器0作為系統時鐘。

　　②USB時鐘模塊。對LPC2478內部PLL(鎖相環)寄存器和USB時鐘寄存器配置，設置USB時鐘頻率，使LPC2478的USB主機控制器可以正常運行。

　　3．4 操作系統

　　嵌入式實時操作系統將復雜的軟件工程分解成多任務，簡化了軟件設計，有助于提高系統穩定性和可靠性，也使系統實時性得到了保證。考慮EPA主控卡中較多模塊實現，簡化主控卡軟件的設計，所以在EPA主控卡的軟件開發中使用μC／OS-II系統。μC／OS-II操作系統有著優秀的穩定性和可靠性，它基于優先級調度的多任務，絕大多數的函數調用和系統服務具有可確定性、獨立的任務棧等特點。

　　4 主控卡以太網通信與USB驗證

　　4．1 以太網通信驗證

　　為測試和驗證主控卡硬件電路和以太網驅動的功能正確性，搭建了測試平臺，如圖5所示。上位機起到監控作用，EPA集線器一端通過網絡和PC機相連，一端連接若干EPA標準設備和EPA主控卡。

　　以太網通信驗證設備主要有：一臺PC機、一根9針的串口線、一個帶總線供電的EPA集線器、一個JTAG調試器、EPA主控卡。EPA主控卡與PC機通過EPA集線器連接在同一局域網內，EPA主控卡的IP地址為192．168．1．2，PC機的IP地址為192．168．1．161。

　　ICMP是Internet控制報文協議，它是TCP／IP協議簇的一個子協議，用于在IP主機、路由器之間傳遞控制消息。控制消息是指網絡通不通、主機是否可達、路由是否可用等網絡本身的消息。ICMP是一個“錯誤偵測與回報機制”，其目的就是檢測網路的連線狀況，也能確保連線的準確性。通過ICMP的回顯請求和回顯應答報文組合可以確定PC機和EPA主控卡能否彼此通信。

　　4．2 USB Host驅動驗證

　　USB Host驅動驗證設備主要有：1臺PC機、1根9針的串口線、1個JTAG調試器、EPA主控卡、USB設備(U盤)。

　　為驗證硬件USB接口和軟件USB Host的正確性，需要選定USB設備，并為這個設備編寫USB主機驅動程序。本文中選用了常用移動存儲設備——U盤。在編寫好U盤驅動后，通過JTAG調試器將USB Host下載到主控卡中，并將主控卡串口0與PC機串口相連，開啟超級終端，然后將U盤插入主控卡主機端口。在U盤插入主控卡以后，開始對U盤枚舉。枚舉成功以后，往U盤內寫入數據，然后從U盤讀出數據并對讀寫數據進行比較，所有的枚舉信息、讀寫信息都通過超級終端打印出來。在U盤讀寫完成以后，將U盤插入電腦，在電腦上讀出U盤數據，再次驗證主控卡USB主機的功能正確性。

　　結語

　　EPA標準成功進入國際標準，為我國工業自動化發展帶來新的際遇，產生了巨大的社會效益。本文提出針對EPA主控卡的系統結構，并對主控卡進行功能需求分析，然后對主控卡硬件和軟件進行了總體設計以及軟件功能模塊劃分，為EPA的推廣與應用打下堅實基礎。