CN101753393B - 基于iec61158标准现场总线的通信芯片架构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于IEC61158标准现场总线的通信芯片架构，具有：内部数据总线控制单元，在组态单元的控制下通过内部RAM存储区的缓存完成CPU数据总线到DMA现场总线数据传输单元的数据传输；DMA现场总线数据传输单元，在组态单元的控制下完成内部数据总线控制单元内部RAM存储区的发送数据到现场总线的数据传输；在组态单元的控制下完成现场总线的接收数据及识别信息到内部总线控制单元内部RAM存储区的数据传输；组态单元，在外部CPU的控制下，完成现场总线数据传输的配置信息到内部数据总线控制单元和DMA现场总线数据传输单元的数据传输。本发明符合IEC61158规范，便于开发调试，提高了微控器工作效率。
Description
技术领域
本发明涉及IEEE61158标准的现场总线技术物理层通信芯片的设计，具体地说是一种满足现场总线通讯卡应用需求的基于IEC61158标准现场总线的通信芯片架构。
背景技术
现场总线是用于连接生产现场的智能化测量、控制、显示设备的开放、数字化通信系统，具有全数字化、双向传输、节省布线及控制室空间、开放性和智能化与自治性的特点。目前，国外几乎所有的大型自动化仪表和控制系统厂商都在致力于现场总线技术的研究和开发工作，不断推出各自的现场总线产品。现场总线控制系统是新一代分布式网络化控制系统，适用于中、大规模工业控制环境，提供过程控制、逻辑控制和批处理控制等复杂控制功能，可以广泛应用于冶金、石油、化工、电力、水泥、焦化、污水处理、农业控制等行业。构成现场总线控制系统的现场总线仪表、控制器、现场总线线路监控和组态计算机都需要现场总线通信卡、通信协议软件。因此，现场总线通讯卡、通信协议软件是现场总线控制系统的基础和神经中枢。而构成现场总线通讯卡的通信控制器芯片设计成为现场总线的核心技术之一。
目前正在使用的基于IEC61158标准现场总线的通信芯片系统结构复杂，数据传输效率低，静态功耗高，可靠性差，制造成本高，产品开发难度大，不能很好地满足现场总线的应用需求。
发明内容
针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种满足现场总线需求的传输效率高、高可靠性和低成本的基于IEC61158标准现场总线的通信芯片架构。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：1.一种基于IEC61158标准现场总线的通信芯片架构，其特征在于具有：
内部数据总线控制单元，在组态单元的控制下通过内部RAM存储区的缓存完成CPU数据总线到DMA现场总线数据传输单元的数据传输；
DMA现场总线数据传输单元，在组态单元的控制下完成内部数据总线控制单元内部RAM存储区的发送数据到现场总线的数据传输；在组态单元的控制下完成现场总线的接收数据及识别信息到内部总线控制单元内部RAM存储区的数据传输；
组态单元，在外部CPU的控制下，完成现场总线数据传输的配置信息到内部数据总线控制单元和DMA现场总线数据传输单元的数据传输。
所述内部数据总线控制单元包括：
CPU接口模块，将外部CPU数据总线的写入数据传输到RAM总线仲裁控制模块，并将RAM总线仲裁控制模块的外部CPU读回数据传输到外部CPU数据总线；
RAM总线仲裁控制模块，完成CPU接口模块的外部CPU请求写入数据到内部RAM存储区的数据传输，完成外部CPU请求读回数据从内部RAM存储区到CPU接口模块的数据传输；完成现场总线发送数据从内部RAM存储区到DMA数据传输控制模块的传输，完成现场总线接收数据及识别信息从DMA数据传输控制模块到内部RAM存储区的传输；
DMA数据传输控制模块，完成现场总线发送数据从RAM总线仲裁控制模块到DMA现场总线数据传输单元的传输，完成现场总线接收数据及识别信息从DMA现场总线数据传输单元到RAM总线仲裁控制模块的传输；
内部RAM存储区，完成RAM总线仲裁控制模块的数据存储。
所述DMA现场总线数据传输单元包括：
DMA现场总线数据传输模块，完成现场总线发送数据从内部数据总线控制单元到发送模块的传输，完成现场总线接收数据从接收模块到内部数据总线控制单元的传输，完成现场总线接收数据的地址识别信息从地址识别模块到内部数据总线控制单元的传输；
发送模块，将来自DMA现场总线数据传输模块的现场总线发送数据编码后传输到外部现场总线；
接收模块，将外部现场总线信号解码后的接收数据传输到DMA现场总线数据传输模块及地址识别模块；
地址识别模块，将来自接收模块的现场总线接收数据进行地址识别处理生成识别信息并传输到DMA现场总线数据传输模块。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.本发明通信芯片架构符合IEC61158规范；支持内/外环回，用于自诊断，便于开发调试；
2.本发明内置3通道的DMA控制单元，对线路数据收、发进行控制，降低了微控器负荷，提高了微控器工作效率；
3.本发明内嵌4Kbytes数据SRAM，封装小，降低生产制造成本；
4.本发明支持Intel、ARM微控制器接口，数据总线为8bits；支持500kHz～32MHz宽时钟输入；
5.低功耗：静态功耗60uA，符合本质安全要求；
附图说明
图1为本发明架构框图；
图2为本发明架构的结构图；
图3为本发明的组态单元模块连接图；
图4为本发明的内部数据总线控制单元模块连接图；
图5为本发明的DMA现场总线数据传输单元模块连接图；
图6为本发明的现场总线数据发送流程图；
图7为本发明的现场总线数据接收流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明包括内部数据总线控制单元、DMA现场总线数据传输单元以及组态单元，其中内部数据总线控制单元在组态单元的控制下通过内部RAM存储区的缓存完成外部CPU数据总线到DMA现场总线数据传输单元的数据传输；DMA现场总线数据传输单元在组态单元的控制下完成内部数据总线控制单元内部RAM存储区的发送数据到现场总线的数据传输；在组态单元的控制下完成现场总线的接收数据及识别信息到内部总线控制单元内部RAM存储区的数据传输；组态单元在外部CPU的控制下完成现场总线数据传输的配置信息到内部数据总线控制单元和DMA现场总线数据传输单元的数据传输。
如图2所示，本发明的架构的系统结构包括CPU接口模块、RAM总线仲裁控制模块、内部RAM存储区、DMA数据传输控制模块、DMA现场总线数据传输模块、发送模块、接收模块、地址识别模块、寄存器处理模块、中断处理模块、定时器模块和时钟模块，其中系统时钟信号SCLK、地址片选信号ADDRESS/CSN、数据信号DATA、读写信号W/R和状态信号PO_RDY连接到CPU接口模块，CPU接口模块通过寄存器总线信号连接到寄存器处理模块，寄存器处理模块通过内部信号连接到中断处理模块，中断处理模块获取输入信号PI_INT，输出信号PO_INT，寄存器处理模块通过内部信号连接到定时器模块，时钟模块连接到定时器模块，为定时器模块提供振荡信号，定时器模块状态信号连接到中断处理模块；CPU接口模块通过CPU接口存储总线信号连接到RAM总线仲裁控制模块，RAM总线仲裁控制模块通过RAM存储总线信号连接到内部RAM存储区，RAM总线仲裁控制模块通过DMA存储总线信号连接到DMA数据传输控制模块，DMA数据传输控制模块通过内部总线连接到DMA现场总线数据传输模块，DMA现场总线数据传输模块通过地址识别数据总线信号连接到地址识别模块，通过发送数据总线信号连接到发送模块，通过信号TX_EN和TX_FFD输出现场总线信号，接收模块通过接收数据总线信号连接到DMA现场总线数据传输模块，通过地址识别输入数据总线信号连接地址识别模块，通过RX_FFD输入现场总线信号。
如图3所示，上述组态单元包括CPU接口模块、寄存器处理模块、中断处理模块、定时器模块和时钟模块，其中CPU接口模块通过寄存器总线将外部CPU数据总线的配置数据写入寄存器处理模块，并读回系统的状态参数；寄存器处理模块处理外部CPU的配置信息，通过内部信号连接到内部数据总线控制单元、DMA现场总线数据传输单元和定时器模块，发出控制信号和获取状态信号，并输出状态信号到中断处理模块，时钟模块连接到定时器模块，为定时器提供定时基准时钟。
如图4所示，上述内部数据总线控制单元包括CPU接口模块、RAM总线仲裁控制模块、DMA数据传输控制模块以及内部RAM存储区，其中CPU接口模块将外部CPU数据总线的写入数据传输到RAM总线仲裁控制模块，并将RAM总线仲裁控制模块的外部CPU读回数据传输到外部CPU数据总线；RAM总线仲裁控制模块完成CPU接口模块的外部CPU请求写入数据到内部RAM存储区的数据传输，完成外部CPU请求读回数据从内部RAM存储区到CPU接口模块的数据传输；完成现场总线发送数据从内部RAM存储区到DMA数据传输控制模块的传输，完成现场总线接收数据及识别信息从DMA数据传输控制模块到内部RAM存储区的传输；DMA数据传输控制模块完成现场总线发送数据从RAM总线仲裁控制模块到DMA现场总线数据传输单元的传输，完成现场总线接收数据及识别信息从DMA现场总线数据传输单元到RAM总线仲裁控制模块的传输；内部RAM存储区，完成RAM总线仲裁控制模块的数据存储。
如图5所示，上述DMA现场总线数据传输单元包括DMA现场总线数据传输模块、发送模块、接收模块以及地址识别模块，其中DMA现场总线数据传输模块，完成现场总线发送数据从内部数据总线控制单元到发送模块的传输，完成现场总线接收数据从接收模块到内部数据总线控制单元的传输，完成现场总线接收数据的地址识别信息从地址识别模块到内部数据总线控制单元的传输；发送模块，将来自DMA现场总线数据传输模块的现场总线发送数据编码后传输到外部现场总线；接收模块，将外部现场总线信号解码后的接收数据传输到DMA现场总线数据传输模块及地址识别模块；地址识别模块，将来自接收模块的现场总线接收数据进行地址识别处理生成识别信息并传输到DMA现场总线数据传输模块。
如图6所示，本发明的现场总线数据发送的工作过程如下：
外部CPU通过CPU接口模块访问寄存器模块，初始化整个芯片通信参数、时钟设置、工作方式和现场总线通信的参数，寄存器模块发出控制信号到内部数据总线控制单元、DMA现场总线数据传输单元和中断处理模块，并获取芯片工作状态，维护芯片正常工作，使芯片进入接收现场总线数据等待状态。当使能发送数据后，外部CPU通过CPU接口模块向RAM总线仲裁控制模块写入发送数据，RAM总线仲裁控制模块在获得内部总线控制权后，将发送数据写入内部RAM存储区，外部CPU通过CPU接口模块访问寄存器模块启动数据发送，发送模块向DMA现场总线数据传输模块发出数据传输请求，由DMA数据传输控制模块控制将发送数据从内部RAM存储区经由RAM总线仲裁控制模块读出并经DMA现场总线数据传输模块传输到发送模块，编码发送数据到外部现场总线，往复直至完成全部发送数据传输，并给出状态信息到寄存器模块，输出状态信息到中断处理模块。
如图7所示，本发明的现场总线数据接收的工作过程如下：
外部CPU通过CPU接口模块访问寄存器模块，初始化整个芯片通信参数、时钟设置、工作方式和现场总线通信的参数，寄存器模块发出控制信号到内部数据总线控制单元、DMA现场总线数据传输单元和中断处理模块，并获取芯片工作状态，维护芯片正常工作，使芯片进入接收现场总线数据等待状态。接收模块通过RX_FFD接收到现场总线上数据信号，解码转换后通过接收数据总线传输到DMA现场总线数据传输模块，DMA现场总线数据传输模块经DMA数据传输控制模块传输到RAM总线仲裁控制模块，经RAM总线仲裁控制模块仲裁处理后，将接收数据写入内部RAM存储区，往复直至全部数据接收完成，并给出状态信息到寄存器模块，输出状态信息到中断处理模块，如果寄存器模块使能地址识别和帧控，接收模块传输现场总线接收数据到DMA现场总线数据传输模块的同时，还要经地址识别输入数据总线传输接收数据到地址识别模块，进行地址识别和帧控检测，地址识别模块通过地址识别数据总线向DMA现场总线数据传输模块请求读地址识别和帧控信息，DMA现场总线数据传输模块通过DMA数据传输控制模块访问RAM总线仲裁控制模块，经仲裁处理后，从内部RAM存储区读出地址识别和帧控信息到地址识别模块，地址识别模块进行地址识别和帧控匹配，往复直至整个识别匹配工作完成，并给出状态信息到寄存器模块，输出状态信息到中断处理模块，外部CPU收到中断信号，通过CPU接口模块访问寄存器模块获取接收状态信息，然后，通过CPU接口模块访问RAM总线仲裁控制模块，经仲裁获得总线控制权，从内部RAM区读回全部接收数据和地址帧控识别信息。
目前，基于IEEE61158标准芯片特性比较：
| 类别/芯片 | FRONTIER-1+ | YTZ420 | FB3050 | 本发明芯片 |
| DMA | 无 | 外部DMA需处理器支持 | 内部2通道 | 内部3通道 |
| 静态功耗 | 1mA | 200μA | 100μA | 60μA |
| 管脚 | 64 | 44 | 100 | 44 |
| 可靠性 | 低 | 中 | 中 | 高 |
| 存储器 | 无 | 无 | 外置 | 内置 |
| CPU负荷 | 高 | 中 | 中 | 低 |
| 制造成本 | 中 | 高 | 高 | 低 |
| 开发难度 | 难 | 中 | 中 | 易 |
通过以上比较，本发明架构可以更好的满足现场总线通讯卡的应用需求。
Claims (3)
1.一种基于IEC61158标准现场总线的通信芯片架构，其特征在于具有：
内部数据总线控制单元，在组态单元的控制下通过内部RAM存储区的缓存完成外部CPU数据总线到DMA现场总线数据传输单元的数据传输；
DMA现场总线数据传输单元，在组态单元的控制下完成内部数据总线控制单元内部RAM存储区的发送数据到现场总线的数据传输；在组态单元的控制下完成现场总线的接收数据及识别信息到内部总线控制单元内部RAM存储区的数据传输；
组态单元，在外部CPU的控制下，完成现场总线数据传输的配置信息到内部数据总线控制单元和DMA现场总线数据传输单元的数据传输。
2.按权利要求1所述的基于IEC61158标准现场总线的通信芯片架构，其特征在于：所述内部数据总线控制单元包括：
CPU接口模块，将外部CPU数据总线的写入数据传输到RAM总线仲裁控制模块，并将RAM总线仲裁控制模块的外部CPU读回数据传输到外部CPU数据总线；
RAM总线仲裁控制模块，完成CPU接口模块的外部CPU请求写入数据到内部RAM存储区的数据传输，完成外部CPU请求读回数据从内部RAM存储区到CPU接口模块的数据传输；完成现场总线发送数据从内部RAM存储区到DMA数据传输控制模块的传输，完成现场总线接收数据及识别信息从DMA数据传输控制模块到内部RAM存储区的传输；
DMA数据传输控制模块，完成现场总线发送数据从RAM总线仲裁控制模块到DMA现场总线数据传输单元的传输，完成现场总线接收数据及识别信息从DMA现场总线数据传输单元到RAM总线仲裁控制模块的传输；
内部RAM存储区，完成RAM总线仲裁控制模块的数据存储。
3.按权利要求1所述的基于IEC61158标准现场总线的通信芯片架构，其特征在于：所述DMA现场总线数据传输单元包括：
DMA现场总线数据传输模块，完成现场总线发送数据从内部数据总线控制单元到发送模块的传输，完成现场总线接收数据从接收模块到内部数据总线控制单元的传输，完成现场总线接收数据的地址识别信息从地址识别模块到内部数据总线控制单元的传输；
发送模块，将来自DMA现场总线数据传输模块的现场总线发送数据编码后传输到现场总线；
接收模块，将现场总线信号解码后的接收数据传输到DMA现场总线数据传输模块及地址识别模块；
地址识别模块，将来自接收模块的现场总线接收数据进行地址识别处理生成识别信息并传输到DMA现场总线数据传输模块。
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