EPA主控卡的硬件设计与驱动开发

摘要：EPA标准进入国际标准，为我国工业自动化产业带来了新的机遇。EPA主控卡的开发，对于开发基于EPA的控制系统具有较大意义。EPA主控卡是连接各种协议的现场总线模块、I／O模块和上层软件的平台。在整个EPA系统中，它是符合EPA协议的现场设备，与上层工程师站和操作站进行通信，又与现场总线模块、I／O模块进行数据传输，负责信号的采集、处理和控制。
关键词：EPA；LPC2478；硬件设计；软件设计；测试

引言
    EPA(Ethernet for Plant Automation)系统包括工作站、控制站、网络设备、现场设备以及通信介质等部分，而控制站是整个系统的核心。最主要的硬件平台，由EPA主控卡、I／O子系统、电源以及附属设备等构成。EPA主控卡是控制站中的主要设备，它连接在整个以太网，与上层组态软件、网络设备进行信息交互，实现控制系统的开放性和可互操作性；与下层各种协议模块连接、通信，并实现对模块的控制策略。EPA主控卡是依据EPA标准设计的，对EPA的应用推广具有重要作用。

1 EPA主控卡功能介绍
    根据图1所示的EPA系统网络拓扑结图可知，EPA主控卡是一个符合EPA协议的现场设备，它将和其他的EPA现场设备一样，参与整个EPA网络组态、互操作、确定性调度等。EPA主控卡是连接各种协议的底层设备、I／O模块与上层软件的平台。模块和主控卡之间通过自定义的接口进行数据交换。因此，主控卡需要实现以下基本功能：

    ①信息转发功能。通过组态工作站完成信息的上载、显示、处理、发布以及下载。
    ②过程测量与控制。主控卡向I／O、总线模块传递数据采集命令／控制信息、这些模块作为应答向主控卡传送的过程变量测量数据以及其状态(好／坏)、设备状态信息等，并报告给监控层网络。
    ③管理功能。实现对现场总线模块、I／O模块的控制、管理。在系统运行过程中，对控制区域的模块进行自动识别、管理，并为其分配地址、空间，同时将新模块设备描述信息向上层组态软件报告。
    ④总线供电。主控卡总线供电功能，保证主控卡稳定工作。接入主控卡的线缆不仅能传送数据信号，还能给主控卡提供工作电源。

2 EPA主控卡硬件总体方案
    根据主控卡功能需求分析，硬件部分主要有5大模块：CPU控制模块、以太网通信模块、USB主机模块、总线供电模块以及存储模块。图2为EPA主控卡硬件设计原理框图。其中CPU控制模块主要实现特定网络接口功能及执行相关控制信息；以太网PHY收发器KSZ8041NL和CPU内部集成的以太网控制器一起组成以太网通信模块，实现EPA主控卡的以太网接入和网络信息数据传输；

    USB模块由CPU内部集成的USB主机控制器和外围电路构成，实现USB设备的热插拔、即插即用以及信息交换；总线供电模块RJ45接口在提供数据通信的同时还为现场设备提供总线供电；存储模块主要作为程序存储空间和内存。结合CPU特性，以太网PHY收发器采用RMII连接，存储模块通过总线连接。
2．1 ARM微处理器
    CPU选用基于ARM7TDMI—S核的微处理器LPC2478，其运行频率高达72 MHz，具有高性能的32位RISC结构、16位的指令集，具有低功耗等特点。它的内部资源丰富，包括1个10／100M以太网媒体访问控制器(MAC)、1个带4 KB终端RAM的USB全速设备／主机／OTG控制器、4个U1AR-T、1个SPI接口、512KB片上Flash程序存储器。同时还带有1个4 MHz的片内振荡器、98 KB RAM(包括64 KB局部SRAM、16 KB以太网SRAM)以及1个外部存储器控制器(EMC)来支持上述的各种串行通信接口。这些特性使得它非常适用于通信网关和协议转换器，为多种类型的通信应用提供了理想的解决方案。
2．2 以太网PHY收发器
    KSZ8041NL是Micrel公司推出的第6代PHY(局域网接口)解决方案。它具有功耗低、体积小、波形稳定、价格便宜等特点。该芯片拥有150 mW的低电耗，以及6kV的针对快速以太网收发器的高静电放电(Electro Static Discharge，ESD)保护功能。
2．3 存储模块
    外部存储器采用美国SST公司的SST39VF1601。这是一个1M×16位的CMOS多功能Flash(MPF)器件，尤其适用于要求程序、配置或数据存储器方便和低成本的应用。对于所有的系统，SST39VF1601可以显著增强系统的性能和可靠性，降低功耗。
    内存芯片(RAM)HY57V561620CLT—HI是一个32MB、16位的CMOS同步DRAM，它用于高带宽大容量的主存储器。HY57V561620CLT—HI的运行与时钟的高电平同步，所有数据的输入和输出都与输入时钟的上升沿相同步。数据通过内部的管道来达到非常高的数据带宽。所有的输入和输出电压电平都和LVTTL电平相匹配。
2．4 USB主机模块
    LPC2478内部具有一个嵌入式USB主机控制器，遵循OHCI(Open Host Controller Interface，开放式主机控制器接口)规范。LPC2478的USB主机控制器结构如图3所示。

    如图3所示，整个USB主机控制器都挂接在AHB总线上，内核与USB主机控制器的数据交换通过DMA接口完成，与USB寄存器的通信则通过寄存器接口来实现。该主机控制器具有两路端口，分别对应着两路LPC2478内置的模拟收发器(ATX)。这两路端口是完全一样的，可以根据实际情况自由选择。
2．5 电源模块
    EPA控制器的电源通过以太网供电，即以太网在数据传输的同时输送电源，避免系统因电源不稳出现掉电的情况。采用RJ45接口的4／5、7／8作为电源和地传输线，数据收发1／2、3／6一起构成两个双绞线对，存在同一网线内，减少了扰动，增强了系统稳定性。供电输入电压DC-24 V，由于CPU内核和以太网PHY收发器、存储器的工作电压为3．3 V，所以需要对输入电压进行DC—DC转换，以满足系统需求。
2．6 调试模块
    通过JTAG调试接口，可以很方便对程序进行跟踪调试。通过通用的串口，可以将调试信息打印到屏幕上，给调试带来了极大的方便。

3 EPA主控卡驱动软件设计
    作为工业应用产品，需具有可靠性、准确性、实时性要求。在EPA主控卡软件开发过程中，采用模块化设计思想，以减少程序间耦合，增强代码的可移植性、可读性和可靠性，同时也方便测试、维护和升级。主控卡中软件功能模块的划分如图4所示。图中浅灰色模块为待移植或待开发的模块，深灰色模块为已经存在的模块，白色部分是本文将要实现的模块。

3．1 以太网驱动模块
    此模块包含3个部分：
    ①以太网模块初始化。此模块主要完成PHY读写、以太网SRAM分配、接收和发送缓冲区初始化，以太网MAC的硬件设置、寄存器设置、工作模式配置以及中断配置等。
    ②以太网接收数据。此模块主要将缓冲区中数据读取并保存到接收缓冲区，并通知上层协议软件进行处理。数据包的接收由硬件自动完成，在接收数据完成后产生中断触发接收任务。
    ③以太网发送数据。此模块将上层协议(EPA协议、UDP／IP协议)数据包封装并拷贝到发送缓冲区中，然后由以太网PHY收发器自动完成数据发送。
3．2 USB HOST驱动模块
    USB HOST驱动设计是基于LPC2478内部集成的嵌入式USB主机控制器的基础上的，该主机遵循OHCI规范。USB HOST设计包含以下两部分：
    ①OHCI规范的介绍。此模块介绍了OHCI工作范围——HCD(主机控制器驱动)和HC(主机控制器)、数据传输类型、HCD和HC各自的任务以及HCD和HC之间接口HCCA。
    ②USB HOST驱动设计模块。此模块实现硬件配置、中断配置和USB HOST协议设计。分为PDD(Plat-form-Dependent Driver，与硬件平台相关)层和MDD(Model Device Driver，与硬件平台无关)层。MDD主要包括HCD实现对HC的管理、根集线器的管理、OHCI规范的数据结构(ED／  TD／HCCA)、USB SRAM管理分配，USBD(USB核心驱动)实现USB协议的标准请求以及检测到设备插入后完成设备的枚举。
3．3 时钟模块
    实时时钟是实时操作系统的时间基准，没有实时时钟，也就不可能有实时系统的一切活动。此模块包含两个部分：
    ①系统时钟模块。对定时器0的寄存器进行配置以及中断配置，使定时器0作为系统时钟。
    ②USB时钟模块。对LPC2478内部PLL(锁相环)寄存器和USB时钟寄存器配置，设置USB时钟频率，使LPC2478的USB主机控制器可以正常运行。
3．4 操作系统
    嵌入式实时操作系统将复杂的软件工程分解成多任务，简化了软件设计，有助于提高系统稳定性和可靠性，也使系统实时性得到了保证。考虑EPA主控卡中较多模块实现，简化主控卡软件的设计，所以在EPA主控卡的软件开发中使用μC／OS-II系统。μC／OS-II操作系统有着优秀的稳定性和可靠性，它基于优先级调度的多任务，绝大多数的函数调用和系统服务具有可确定性、独立的任务栈等特点。

4 主控卡以太网通信与USB验证
4．1 以太网通信验证
    为测试和验证主控卡硬件电路和以太网驱动的功能正确性，搭建了测试平台，如图5所示。上位机起到监控作用，EPA集线器一端通过网络和PC机相连，一端连接若干EPA标准设备和EPA主控卡。

    以太网通信验证设备主要有：一台PC机、一根9针的串口线、一个带总线供电的EPA集线器、一个JTAG调试器、EPA主控卡。EPA主控卡与PC机通过EPA集线器连接在同一局域网内，EPA主控卡的IP地址为192．168．1．2，PC机的IP地址为192．168．1．161。
    ICMP是Internet控制报文协议，它是TCP／IP协议簇的一个子协议，用于在IP主机、路由器之间传递控制消息。控制消息是指网络通不通、主机是否可达、路由是否可用等网络本身的消息。ICMP是一个“错误侦测与回报机制”，其目的就是检测网路的连线状况，也能确保连线的准确性。通过ICMP的回显请求和回显应答报文组合可以确定PC机和EPA主控卡能否彼此通信。
4．2 USB Host驱动验证
    USB Host驱动验证设备主要有：1台PC机、1根9针的串口线、1个JTAG调试器、EPA主控卡、USB设备(U盘)。
    为验证硬件USB接口和软件USB Host的正确性，需要选定USB设备，并为这个设备编写USB主机驱动程序。本文中选用了常用移动存储设备——U盘。在编写好U盘驱动后，通过JTAG调试器将USB Host下载到主控卡中，并将主控卡串口0与PC机串口相连，开启超级终端，然后将U盘插入主控卡主机端口。在U盘插入主控卡以后，开始对U盘枚举。枚举成功以后，往U盘内写入数据，然后从U盘读出数据并对读写数据进行比较，所有的枚举信息、读写信息都通过超级终端打印出来。在U盘读写完成以后，将U盘插入电脑，在电脑上读出U盘数据，再次验证主控卡USB主机的功能正确性。

结语
    EPA标准成功进入国际标准，为我国工业自动化发展带来新的际遇，产生了巨大的社会效益。本文提出针对EPA主控卡的系统结构，并对主控卡进行功能需求分析，然后对主控卡硬件和软件进行了总体设计以及软件功能模块划分，为EPA的推广与应用打下坚实基础。