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 曾祝林,劉鳳芳

1  引言
ARCNET最初由美國Datapoint公司于1977年成功開發(fā)并用于辦公局域網(wǎng)中，后來以太網(wǎng)以其更快的傳輸速率和大量的數(shù)據(jù)傳輸量使辦公室網(wǎng)絡(luò)的需求由ARCNET轉(zhuǎn)向以太網(wǎng)。而ARCNET時間的確定性，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院徒M網(wǎng)的靈活性，使其在工業(yè)實時控制系統(tǒng)中找到了新的應(yīng)用途徑―嵌入式控制系統(tǒng)的應(yīng)用。
ARCNET廣泛應(yīng)用于實時控制的各個領(lǐng)域，諸如印刷、電力、船舶、鐵路運輸、樓宇自動化等領(lǐng)域都可以見到它的身影。
ARCNET常常嵌入到具體系統(tǒng)中，國外很多儀器設(shè)備都設(shè)有ARCNET網(wǎng)絡(luò)接口標準。目前全球已有大約1000萬個ARCNET節(jié)點應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域中[2]。國內(nèi)的應(yīng)用也有一定發(fā)展，一些技術(shù)人員開始嘗試用ARCNET網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造實時控制系統(tǒng)，完成國外進口產(chǎn)品的升級換代。但其發(fā)展還遠遠不夠，為了更好地推廣ARCNET技術(shù)，促進工業(yè)自動化的發(fā)展，本文從ARCNET的技術(shù)及應(yīng)用等角度，加以介紹。
2  ARCNET工作機制
ARCNET局域網(wǎng)采用了優(yōu)化的令牌總線協(xié)議（IEEE802.4），除了具有令牌總線網(wǎng)的一般特點外，還具有如下特點：
①  網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點保存有下一個節(jié)點的邏輯地址，可以生成一個網(wǎng)絡(luò)活動節(jié)點地址表。
②  為了避免目的節(jié)點沒有空閑緩沖區(qū)而引起信息的丟失，設(shè)置了空閑緩沖區(qū)查詢幀，通過查詢可以減少不必要的數(shù)據(jù)重傳，提高了網(wǎng)絡(luò)運行效率。
ARCNET是一個真正開放標準協(xié)議，1999年成為美國國家標準ANSI/ATA878.1。從OSI參考模型來看，它提供了網(wǎng)絡(luò)的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層服務(wù)，說明ARCNET能方便地在兩個節(jié)點之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收。
2.1  邏輯環(huán)的建立
在ARCNET網(wǎng)絡(luò)中，每個節(jié)點均有一個唯一的MAC（Medium Access Control）地址，其取值范圍為0～255，其中0是網(wǎng)絡(luò)廣播地址。每個節(jié)點在系統(tǒng)初始化或重構(gòu)時確定它在邏輯環(huán)中的下一個節(jié)點，并將下一個節(jié)點的ID值保存在各自專用的寄存器NID（Next ID）中，并按MAC地址從小到大的順序構(gòu)成一個邏輯環(huán)路。圖1是一個典型的4個節(jié)點的邏輯環(huán)。

       
    a 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)                 b 邏輯環(huán)
圖1  邏輯環(huán)的建立

令牌作為一組獨特的信號序列，沿著邏輯環(huán)從一個節(jié)點傳向邏輯鄰居（而非物理鄰居），因而與節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)上的物理位置以及網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)無關(guān)。
2.2  節(jié)點的進網(wǎng)或退網(wǎng)
當一個節(jié)點加電或840ms（2.5Mbps速率下）沒有收到令牌時，它即發(fā)出一個重構(gòu)脈沖，使總線終止一切活動，造成令牌丟失，從而引發(fā)系統(tǒng)重構(gòu)。經(jīng)過重構(gòu)形成新的邏輯環(huán)，新節(jié)點也就加入網(wǎng)絡(luò)中。重構(gòu)時間的多少取決于網(wǎng)上節(jié)點的多少和數(shù)據(jù)傳輸速率的大小，通常為20～30ms。
當一個節(jié)點由于故障或斷電而退出網(wǎng)絡(luò)時不需要進行整個邏輯環(huán)的重構(gòu)，因為當邏輯環(huán)的上一個節(jié)點（存有退網(wǎng)節(jié)點的ID值）向它發(fā)送令牌時，不可能收到它的響應(yīng)，因而令牌發(fā)送者將它的NID值加1，重發(fā)令牌，直到收到響應(yīng)，即找到邏輯環(huán)中新的下一個節(jié)點為止（實際上新的下一個節(jié)點就是故障節(jié)點在原邏輯環(huán)的下一個節(jié)點），節(jié)點的退網(wǎng)也就完成。
根據(jù)現(xiàn)場實際情況，多數(shù)網(wǎng)絡(luò)故障是節(jié)點故障，對于ARCNET網(wǎng)絡(luò)，只需該節(jié)點退網(wǎng)，即可保證網(wǎng)絡(luò)中其它節(jié)點正常工作。由于節(jié)點退網(wǎng)無需網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)，因而網(wǎng)絡(luò)故障恢復(fù)時間很短。
網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的增加或退出都是由網(wǎng)絡(luò)自動完成，不需外界的介入。
2.3  數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送
ARCNET局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸速率為156.25K～10Mbps，其用戶數(shù)據(jù)的長度為0～507字節(jié)，有兩種ARCNET數(shù)據(jù)幀模式，其中短幀模式用戶數(shù)據(jù)的最大長度為253字節(jié)，長幀模式用戶數(shù)據(jù)的最大長度為507字節(jié)，只要按一定的格式將用戶數(shù)據(jù)寫入?yún)f(xié)議控制器內(nèi)置的2K RAM中，在數(shù)據(jù)發(fā)送時，協(xié)議控制器會自動將其組織到ARCNET的數(shù)據(jù)幀中。傳輸數(shù)據(jù)在協(xié)議控制器內(nèi)置的2K RAM中的存放格式如圖2所示。

                        地址      短幀模式            長幀模式 

N為用戶數(shù)據(jù)的長度；SID為源節(jié)點地址；DID為目的節(jié)點地址；DID為0表示廣播地址
圖2  傳輸數(shù)據(jù)在2K RAM中的存放格式

在數(shù)據(jù)傳送的過程中，一旦源節(jié)點CPU將待發(fā)的用戶數(shù)據(jù)寫入?yún)f(xié)議控制器的內(nèi)部RAM，在該節(jié)點持有令牌時，相當于接收到令牌傳送幀（ITT，Invitation to Transmit，簡稱令牌），首先向目的節(jié)點發(fā)送一個空閑緩存查詢幀（FBE，F(xiàn)ree Buffer Enquiry），查詢目的節(jié)點是否有足夠的接收緩存，目的節(jié)點如有，則回答一個確認幀（ACK, Acknowle-dgement），否則回答一個否認幀（NAK, Negative Acknowledgement）。源節(jié)點只有收到來自目的節(jié)點的ACK幀后才向其發(fā)送一個含有用戶數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)幀（PAC, Packet）。如果目的節(jié)點收到了數(shù)據(jù)，且通過了CRC校驗，則回送一個ACK幀，告訴源節(jié)點數(shù)據(jù)接收成功，否則目的節(jié)點不回發(fā)任何信息，導(dǎo)致源節(jié)點超時，源節(jié)點認為數(shù)據(jù)發(fā)送失敗，等下一次收到令牌時重發(fā)該數(shù)據(jù)幀，至此節(jié)點傳輸過程結(jié)束，令牌被傳遞給下一個節(jié)點。圖3是節(jié)點156向節(jié)點255發(fā)送數(shù)據(jù)包的具體過程。

                
a 等待令牌信號             b 檢查是否可發(fā)送

                    
     c 可發(fā)送回答確認               d 送出數(shù)據(jù)

                 
              e 發(fā)送完成                    f 令牌傳向下一個節(jié)點
圖3  數(shù)據(jù)的傳送過程

ARCNET支持廣播消息。廣播消息發(fā)出后無需回送確認幀，通過消息廣播一次可以將消息傳送給網(wǎng)絡(luò)上的所有節(jié)點，可見廣播速度很快。
3  ARCNET局域網(wǎng)的性能分析
3.1  安全機制
ARCNET局域網(wǎng)通過下列幾種途徑確保數(shù)據(jù)的安全傳輸。
① 數(shù)據(jù)發(fā)送前通過發(fā)送FBE幀對目的節(jié)點的接收準備進行確認。
② 每個數(shù)據(jù)幀中都含有一個CRC-16的幀校驗序列。
③ 一旦令牌丟失，將引發(fā)重構(gòu)，自動重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。
④ 協(xié)議控制器提供強大的網(wǎng)絡(luò)故障診斷功能。
此外，由于協(xié)議控制器內(nèi)置2K RAM，可儲存8頁短幀模式的用戶數(shù)據(jù)和4頁長幀模式的用戶數(shù)據(jù)。即使節(jié)點CPU不讀取RAM中的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)充滿RAM也無關(guān)緊要，當RAM要溢出時，節(jié)點CPU在收到FBE幀時可回送NAK幀，使RAM不再接收數(shù)據(jù)，此時源節(jié)點將不再發(fā)送數(shù)據(jù)，將令牌傳送給下一節(jié)點，因此，即使某一節(jié)點無法通信，整個網(wǎng)絡(luò)也不會鎖閉。
3.2  數(shù)據(jù)吞吐量和總開銷
由于ARCNET使用令牌傳送機制來仲裁節(jié)點對網(wǎng)絡(luò)的訪問權(quán)，因而網(wǎng)絡(luò)性能在時間上是可預(yù)測的或可確定的。正是由于ARCNET的時間可確定性，使其在工業(yè)實時控制領(lǐng)域中的應(yīng)用經(jīng)久不衰。
反映局域網(wǎng)性能的一個重要參數(shù)就是“一個節(jié)點在能夠發(fā)送信息之前必須等待的時間”，這個參數(shù)表示了各個節(jié)點每秒鐘能發(fā)送的信息數(shù)，也就是網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。
在2.5Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率下，ARCNET協(xié)議控制器執(zhí)行簡單的令牌傳送約需28.2µs（協(xié)議控制器響應(yīng)時間12.6µs+令牌碼傳送時間15.6µs），因而令牌繞邏輯環(huán)一周的傳遞時間為28.2×Nnodes(µs)，Nnodes為網(wǎng)絡(luò)中活動節(jié)點數(shù)，一個節(jié)點從接收到令牌到發(fā)送數(shù)據(jù)為止，共需117.2µs的處理時間，傳輸每個字節(jié)需11個時鐘周期，一個字節(jié)的傳輸時間為11×400ns=4.4µs(速率為2.5Mbps時，每個時鐘周期為100ns)。因此令牌繞邏輯環(huán)一周最壞情況下的傳輸時間是網(wǎng)上每個節(jié)點均有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，其大小可表示為(28.2+117.2+4.4×Nbytes)×Nnodes(µs) (Nbytes為每個數(shù)據(jù)包發(fā)送的字節(jié)數(shù))，因而等待時間Tw的范圍為：
28.2×Nnodes µs＜Tw＜(145.4+4.4×Nbytes)×Nnodes µs
若一網(wǎng)絡(luò)中活動節(jié)點數(shù)為100個，令牌環(huán)繞一周約有2%的節(jié)點需要發(fā)送信息，其信息包的總長度為100字節(jié)，則一個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的等待時間為：
Tw=(145.4+4.4×100) ×100×2%+28.2×100×98%=3934µs
即一個節(jié)點在一秒鐘內(nèi)可發(fā)送約256個信息包。事實上Datapoint公司的實驗表明即使在一個具有175個節(jié)點的重載網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點有信息發(fā)送的次數(shù)與總的具有令牌的次數(shù)之比也很少超過2%[3]。由此可見ARCNET局域網(wǎng)的性能是很高的。
此外從數(shù)據(jù)傳輸?shù)男蕘砜矗粢粋€節(jié)點信息包的長度253字節(jié)，其傳輸總時間為145.4+4.4×253=1258.6µs，傳輸數(shù)據(jù)所花時間為4.4×253=1113.2µs，數(shù)據(jù)傳輸效率約為88%（1113.2/1258.6×100%=88%），也是相當高的。
3.3  幾種流行的現(xiàn)場總線協(xié)議比較

表1  幾種流行的現(xiàn)場總線協(xié)議的性能比較

從表中看出，這幾種網(wǎng)絡(luò)的性能各有特點，PROFIBUS在PLC組網(wǎng)中應(yīng)用較多，CAN在底層設(shè)備上的應(yīng)用有著鮮明的特點，LONWORKS則具有支持較多的通信介質(zhì)和全面的上層軟件的特點。而ARCNET傳輸速度快，數(shù)據(jù)量大，支持多種網(wǎng)絡(luò)拓撲。此外，與工業(yè)以太網(wǎng)相比，ARCNET采用令牌傳遞方式數(shù)據(jù)傳遞更可靠。因此，從控制網(wǎng)絡(luò)層次上看，若將子系統(tǒng)分成三個層次：設(shè)備級、控制級和信息級，則ARCNET協(xié)議是控制級上的最佳選擇。
4  ARCNET局域網(wǎng)的組網(wǎng)技術(shù)
ARCNET局域網(wǎng)的組網(wǎng)相當靈活，用戶可以有多種組合。由于ARCNET協(xié)議支持多種拓撲結(jié)構(gòu)，諸如總線型、星型、樹型、環(huán)型網(wǎng)（ARCNET協(xié)議本身不支持環(huán)型，但經(jīng)過開發(fā)商提供的特殊的集線器可以組成環(huán)網(wǎng)）。至于傳輸介質(zhì)，一般有三類通信介質(zhì)可供選擇：同軸電纜、雙絞線和光纖，這些介質(zhì)各有利弊，如果網(wǎng)絡(luò)中使用有源HUB，則三種介質(zhì)可以混合使用，由此可見ARCNET組網(wǎng)的靈活性。
4.1  最大網(wǎng)段長度的確定
對于局域網(wǎng)工程應(yīng)用而言，網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)段的長度是一個需要關(guān)注的問題。網(wǎng)段是指一個完整的網(wǎng)絡(luò)中去掉HUB之后若干部分中的任何一個，在無集線器網(wǎng)絡(luò)或總線網(wǎng)絡(luò)中，整個ARCNET網(wǎng)絡(luò)就是一個網(wǎng)段，所有節(jié)點都連接到這個網(wǎng)段上。而有集線器的網(wǎng)絡(luò)就有多個網(wǎng)段組成。一個網(wǎng)段允許的最大電纜長度取決于所使用的收發(fā)器與電纜類型，表2給出了幾種典型的電纜和網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)下網(wǎng)段上最大電纜的長度和最大節(jié)點數(shù)的參考指標[5]。

表2  幾種典型的通信介質(zhì)和網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)下的網(wǎng)段長度
 

注意：(1) 最大網(wǎng)段的長度是以標準電纜的衰減和最壞情況下收發(fā)器的功率預(yù)算為基礎(chǔ)算出的；(2) 最大節(jié)點數(shù)不包括HUB端口（因為其內(nèi)部無協(xié)議控制器），但是網(wǎng)段最大電纜長度包括連接到HUB端口的電纜長度。
4.2  協(xié)議控制器和收發(fā)器的選用
ARCNET的協(xié)議全部由硬件完成，稱為ARCNET協(xié)議控制器，因而減輕了節(jié)點CPU的開銷和軟件設(shè)計周期，提高了效率。
早期的協(xié)議控制器的收發(fā)緩存必須另外擴展2K RAM，因而其芯片的引腳較多，體積較大，而且對網(wǎng)絡(luò)的診斷功能不強。筆者曾使用COM90C65設(shè)計ARCNET局域網(wǎng)，由于其診斷功能不足，只有通過增加軟件開銷來加強網(wǎng)絡(luò)管理功能，但是效果不佳，在產(chǎn)生活動節(jié)點地址表方面也頗費周折，而對令牌的監(jiān)視則束手無策。盡管后來的COM90C66將2K RAM內(nèi)置到協(xié)議控制內(nèi)部，但是使用上還存在許多不便。近幾年推出的COM 200系列芯片，無論在結(jié)構(gòu)上和功能上都作了很大改進，使開發(fā)人員應(yīng)用更為便捷，而且在組網(wǎng)上提供了更多的靈活性，如通過對內(nèi)部寄存器的設(shè)置可靈活改變數(shù)據(jù)傳輸速率，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點數(shù)目的多少設(shè)置重構(gòu)時間，以得到更短的重構(gòu)時間，進一步提升了系統(tǒng)的可靠性和快速性。通過某些寄存器的配合使用，較少的軟件開銷，便可得到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點活動地址表以及網(wǎng)絡(luò)的故障信息，大大方便了網(wǎng)絡(luò)管理。
在收發(fā)器方面與早期的為2.5Mbps優(yōu)化的雙脈沖收發(fā)器相比，收發(fā)器的尺寸減少了很多，而且可以工作在10Mbps的傳輸速率下，當傳輸距離相對較短時，設(shè)計者可以選擇成本較低的RS-485收發(fā)器。市場上可以購買到日本Standard Microsystem公司生產(chǎn)的ARCNET收發(fā)器，它能很好地工作在10Mbps下，而且輸出電壓較早期有很大的減少。
4.3  軟件開發(fā)
早期的ARCNET網(wǎng)絡(luò)部件的開發(fā)環(huán)境不是很好，這在一定程度限制了它的應(yīng)用。筆者當初設(shè)計ARCNET應(yīng)用系統(tǒng)時，網(wǎng)絡(luò)裝置的調(diào)試和應(yīng)用程序的開發(fā)占用了許多精力。如今ARCNET開發(fā)商對這些環(huán)節(jié)做了很大改進，有很多的開發(fā)工具可供選擇。
根據(jù)應(yīng)用層面和使用人員的層次，開發(fā)商們提供了靈活的部件。如各種類型的ARCNET網(wǎng)卡和豐富的ARCNET集線器可供用戶選擇，并提供相應(yīng)的驅(qū)動程序。其中的空協(xié)議棧驅(qū)動是嵌入式網(wǎng)絡(luò)普遍采用的方式，在這種方式中，數(shù)據(jù)鏈路層可以直接和應(yīng)用層對話，用戶在應(yīng)用程序中根據(jù)自己的需要定義協(xié)議。當傳輸速度非常重要，而與其他系統(tǒng)的連通性要求不高時，這種方式是最好的選擇。
如果用戶自行設(shè)計網(wǎng)卡，則提供基于PC機的調(diào)試軟件和驅(qū)動程序的源代碼供用戶參考。更為便捷的是某些供應(yīng)商還提供開發(fā)裝置的仿真板和網(wǎng)絡(luò)分析儀，以方便設(shè)計人員分析網(wǎng)絡(luò)的性能，進一步縮短開發(fā)周期。
5  結(jié)語
由于ARCNET網(wǎng)絡(luò)具有傳輸時間的確定性，網(wǎng)絡(luò)組建的靈活性和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕趯崟r控制系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用，甚至有觀點提出ARCNET已成為現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用的三個層次中不可或缺的部分。國內(nèi)的設(shè)計人員也開始關(guān)注ARCNET網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，并在設(shè)備改造和國外配件的升級換代方面做了成功的嘗試。筆者希望通過本文的介紹，起到拋磚引玉的作用，促進ARCNET在國內(nèi)的進一步應(yīng)用，以豐富現(xiàn)場總線控制技術(shù)在我國的發(fā)展。