基于PC/104的2.4G射频ARCNET通用网卡板的设计与实现

江守亮 苗欣

摘 要：为满足工业控制和列车网络控制的需要，设计开发了一款基于PC/104的ARCNET通用网卡板，并对基于PC/104的2.4G射频ARCNET通用网卡板的软、硬件设计进行了详细介绍。该网卡板具有动态应用配置、串口调试、无线2.4G射频调试和事件故障统计功能，可满足不同终端设备或不同工业网络接入ARCNET网络或ARCNET网络接入其它工业网络的要求，具有很高的通用性和可靠性，可缩短网络产品的开发周期。

关键词：工业控制；列车控制网络；通用网卡板；2.4G射频；FPGA；PC/104；ARM；ARCNET

中图分类号：TN710 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）02-0036-03

Abstract：In order to meet the needs of industrial control and train network control，an ARCNET universal network card board based on PC/104 is designed and developed. The software and hardware design of 2.4 GHz radio frequency ARCNET universal network card board based on PC/104 are introduced in detail. The network card board has the functions of dynamic application configuration，serial debugging，wireless 2.4G radio frequency debugging and event fault statistics. It can meet the requirements of different terminal devices or different industrial networks to access ARCNET network or ARCNET network to access other industrial networks. It has high versatility and reliability，and can shorten the development cycle of network products.

Keywords：industrial control；train control network；general network card board；2.4GRF；FPGA；PC/104；ARM；ARCNET

0 引 言

当前工业控制系统和铁路应用中的控制网络多种多样，主要包括工业以太网、TCN、CAN、Modbus、RS-485、PROFIBUS、ARCNET等。作为其中之一的ARCNET最早用于办公网络，但由于其速度快、确定性、可扩展性和支持长距离传输等特点，非常适合过程实时控制[1]，目前已在医疗病检装置、工业包装机及高速动车组等相关工业控制和列车控制网络领域中得到广泛应用[2，3]。

为此设计一款通用网卡板，能减少网络部件的重复开发，便于终端设备接入ARCNET网络或作为网关设备同其它工业网络进行数据交互并传递到相关终端设备，有利于网络一致性和可靠性的提升，還可以降低开发成本和研发周期。同时该通用网卡板带有2.4G射频接口，可实现无线数据下载和软件调试功能，提高工作环境的便携性。基于PC/104接口，由于标准的一致性，方便统一机械和电气接口，更利于同其它部件或系统的对接。

1 ARCNET通用网卡板方案

鉴于板卡的通用性采用标准的PC/104接口，便于其它设备的接入，使用FPGA仲裁机制判断双SPI Flash数据以通用板卡为主的数据写入和数据读取。采用TMS570LS0714双核单片机[4]确保系统的安全可靠。ARCNET通用网卡板的主要功能为：

（1）实现ARCNET总线数据和终端设备之间的数据在双SPI Flash之间的交换，确保终端设备可靠接入ARCNET网络；

（2）实现应用人员对网络节点收发数据内容的动态配置及配置文件的下载功能；

（3）提供完善的串口调试和2.4G射频无线调试功能；

（4）实现ARCNET网络数据的侦听功能；事件记录功能。

2 ARCNET通用网卡板系统硬件设计

通用网卡板硬件设计包括两个部分，分别是TMS 570 LS0714双核单片机最小系统电路、FPGA控制的双SPI Flash电路、事件记录模块、ARCNET协议电路、ARCNET接口电路、串口调试电路、2.4G射频调试数据收发模块、板级供电等。

2.1 系统硬件框图

ARCNET通用网卡板系统硬件框图如图1所示。

2.2 系统硬件设计

根据总体方案需求开发的系统硬件电路作为软件的执行部件，主要由九部分组成，各部分在TMS570LS0714双核单片机的总体调度下，完成通用网卡板对外的配置、调试和通信功能。

（1）最小系统电路：处理器采用TI公司的基于ARM[5]内核的32位TMS570LS0714双核单片机，内核采用1.2V供电，I/O采用3.3V供电，最大主频160MHz；电路包括上电复位电路、外部时钟电路、JTAG程序调试电路、串口调试电路，其主要作用是通过对外设及片上外围电路的访问实现ARCNET网络和终端设备之间的数据收发和存储，同时兼有串口调试、无线2.4G射频数据调试和文件下载功能。

（2）ARCNET主电路：主要是ARCNET协议芯片COM20020。COM20020主要完成ARCNET网络数据链路层数据收发，支持令牌环传递，完成了高可靠的网络传输方案，通信速率高达5Mbps，通过其与单片机的配合即可完成一个ARCNET网络节点。

（3）两个SPI Flash电路：主要功能单片机同PC/104总线端的终端设备交互数据，Flash1用于单片机写入数据和保存端口信息，终端设备通过PC/104总线读出数据；Flsah2用于终端设备通过PC/104总线写入数据，单片机读出数据。

（4）事件记录Flsah电路：主要用于单片机将受到的诊断数据或关键控制数据记录到Flash中，便于后续上位机对某一时间段的数据进行统计分析，用于故障诊断和状态分析。

（5）FPGA电路：实现COM20020访问时序控制、两个SPI Flash数据读写仲裁判断、并行总线转SPI总线、事件记录Flash同单片机的数据转换、看门狗等功能。

（6）ARCNET接口电路：作为ARCNET网络的物理层电路，主要包括光耦隔离电路、485收发器或光收发器模块，通过软件设置COM20020芯片使其工作在Backplane模式，板卡预留双绞线和光收发模块接口，可根据需要上件安装。

（7）调试接口电路：调试电路分串口调试和2.4G射频调试。串口调试主要用于板卡开发过程中的软件调试和配置文件的下载，通过RS-232接口进行数据通信；2.4G射频调试同串口功能相同，但可实现无线软件调试和数据调试，通过2.4G射频接口电路和PC机端2.4G射频收发电路实现数据交互。

（8）Buffer电路：实现5V到3.3V的电平转换功能，实现通用网卡板与PC/104接口处的终端设备的电平转换，避免数据的逻辑错误和器件损坏。

（9）板级供电电路：板级由外部5V供电输入，板内将5V电源转换为3.3V和1.2V，分别为3.3V需求的逻辑芯片和1.2V单片机内核供电。

3 系统软件设计

通过系统硬件设计，为系统软件设计提供了安全可靠的平台环境。以硬件为载体，通用网卡板主要实现ARCNET端口通信，通过双SPI Flash完成终端设备间的数据交换。不同的应用环境，通信的数据量和数据内容不同，为了规范板卡的通用，预先定义了双SPI Flash的访问方式，并专门开发了PC端配置工具，节省了配置开发编辑时间，同时配置工具还具有网络诊断功能。

3.1 TMS570LS0714双核单片机软件设计

单片机软件采用双核进行数据处理，软件采用标准C语言进行编写，开发环境为TI的CCS（Code Composer Studio）。按照模块化、层次化编程，便于后期软件的移植。

软件设计流程框图如图2所示。

单片机上电复位后，程序首先初始化外围设备，包括CPU内部资源初始化、COM20020协议芯片初始化、双SPI Flash初始化、2.4G射频模块初始化、事件记录Flash初始化。CPU内部资源初始化主要完成锁相环、串口、外部总线、内部的ROM存储器、RAM内存、双核CPU、定时器、外部中断请求等相关寄存器的配置工作。另外，程序还读取存储在EEPROM中的配置文件，便于后续的应用程序的使用。

初始化完成后，进入500ms等待模式，用于判断是否有外部输入要求进入特殊的配置文件下载模式。如果没有则跳出等待，进入大循环应用程序，应用程序进入后，通过判断板卡的使用模式是否是事件记录模式，如果是的进入事件记录功能，否则进入ARCNET正常的数据收发模式。

3.2 双SPI Flash空间分配

为了保证ARCNET通用网卡板的通用性，定义了双SPI Flash的使用规范，使用该板卡的终端设备均需要遵循以下的访问方式来访问双SPI Flash。

SPI Flash主要由单片机写入数据和配置文件信息，终端设备读取配置信息，根据配置信息读取相应的数据，FPGA对双SPI Flash的使用状态进行判断，假设SPI Flash1被单片机占用，FPGA将空闲的SPI Flash2提供给终端设备使用，反之是一样的。SPI Flash被划分为三个区域，分别为板卡状态区、端口配置信息区、端口数据区。如图3所示为双SPI Flash的空间分配图。板卡状态区主要存放软硬件版本、设备名称、设备地址、配置文件创建时间等信息；端口配置信息區主要存放端口号、端口大小、端口类型等信息；端口数据区主要根据端口配置信息区划分端口数据存放位置。

3.3 PC端应用软件

为了减少实际应用的开发周期，采用Lab Window/CVI开发了PC端配置工具应用软件，专门给应用开发人员使用。应用开发人员仅需要通过PC端应用软件即可对ARCNET通用网卡板进行ARCNET通信的灵活配置。配置完成后使用串口或2.4G射频模块连接通用网卡板，通过命令的方式采用X-MODEM协议下载配置文件。

PC端应用软件以配置表单的方式，主要包括板卡配置、配置文件生成、网络诊断功能。图4所示为ARCNET通用网卡板配置图。

板卡配置用于终端设备工作模式的配置和相关通信数据格式的配置，完成宿主设置交换数据的物理空间和逻辑地址分配等相关信息，并可通过串口或2.4G视频收发模块读取板卡上的原配置文件并检查配置文件正确性或下载配置文件。

配置文件生成可实现板卡相关硬件接口通信方式的选择和定义设备的名称、设备地址和查看端口相关信息，最终生成配置文件，并将配置文件保存到PC端应用软件设置的默认文件夹下。

网络诊断功能主要对ARCNET通信网络中的终端设备工作状态进行诊断，通过配置板卡为诊断模式，板卡会进入侦听模式，可将终端设备的相关信息存储到事件记录Flash，也同时通过串口或2.4G射频收发模块上传数据到PC机，通过网络诊断功能完成列车相关数据的过程分析。

4 结 论

用TMS570LS0714双核单片机设计的ARCNET通用网卡板，已通过试验测试。双核单片机增强了系统的稳定性和可靠性，动态的SPI Flash空间分配和灵活的PC端应用软件设计，提高了现场应用开发人员的工作效率，2.4G射频收发模块的使用增强了调试的可移动性、便捷性。

参考文献：

[1] 倪文波，王雪梅.高速列车网络与控制技术 [M].成都：西南交通大学出版社，2008.

[2] 龚娟，陶艳.基于ARCNET的病房大楼尿检装置自动送信系统分析 [J].电脑编程技巧与维护，2010（14）：37+47.

[3] 巴全龙.基于OPNET的ARCNET列车通信控制网络的建模与仿真 [D].成都：西南交通大学，2012.

[4] 龚娟，陶艳.基于ARCNET的病房大楼尿检装置自动送信系统分析 [J].电脑编程技巧与维护，2010（14）：37.

[5] TMS 570LS0714 Data Sheet [Z].Texas Instruments Incor-porated，2016.

[6] 杜春雷.ARM体系结构与编程 [M].北京：清华大学出版社，2015.

作者简介：江守亮（1982-），男，汉族，山东即墨人，磁浮技术分管研发师，工程师，硕士研究生，硕士，研究方向：列车网络与磁浮控制；苗欣（1973-），女，汉族，北京人，磁浮技术主审研发师，高级工程师，本科，学士，研究方向：列车网络与磁浮控制。