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 曾祝林,劉鳳芳

1  引言
ARCNET最初由美國Datapoint公司于1977年成功開發并用于辦公局域網中，后來以太網以其更快的傳輸速率和大量的數據傳輸量使辦公室網絡的需求由ARCNET轉向以太網。而ARCNET時間的確定性，數據傳輸的可靠性和組網的靈活性，使其在工業實時控制系統中找到了新的應用途徑―嵌入式控制系統的應用。
ARCNET廣泛應用于實時控制的各個領域，諸如印刷、電力、船舶、鐵路運輸、樓宇自動化等領域都可以見到它的身影。
ARCNET常常嵌入到具體系統中，國外很多儀器設備都設有ARCNET網絡接口標準。目前全球已有大約1000萬個ARCNET節點應用于工業控制領域中[2]。國內的應用也有一定發展，一些技術人員開始嘗試用ARCNET網絡構造實時控制系統，完成國外進口產品的升級換代。但其發展還遠遠不夠，為了更好地推廣ARCNET技術，促進工業自動化的發展，本文從ARCNET的技術及應用等角度，加以介紹。
2  ARCNET工作機制
ARCNET局域網采用了優化的令牌總線協議（IEEE802.4），除了具有令牌總線網的一般特點外，還具有如下特點：
①  網絡中每個節點保存有下一個節點的邏輯地址，可以生成一個網絡活動節點地址表。
②  為了避免目的節點沒有空閑緩沖區而引起信息的丟失，設置了空閑緩沖區查詢幀，通過查詢可以減少不必要的數據重傳，提高了網絡運行效率。
ARCNET是一個真正開放標準協議，1999年成為美國國家標準ANSI/ATA878.1。從OSI參考模型來看，它提供了網絡的物理層和數據鏈路層服務，說明ARCNET能方便地在兩個節點之間實現數據包的發送和接收。
2.1  邏輯環的建立
在ARCNET網絡中，每個節點均有一個唯一的MAC（Medium Access Control）地址，其取值范圍為0～255，其中0是網絡廣播地址。每個節點在系統初始化或重構時確定它在邏輯環中的下一個節點，并將下一個節點的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成一個邏輯環路。圖1是一個典型的4個節點的邏輯環。

       
    a 網絡拓撲結構                 b 邏輯環
圖1  邏輯環的建立

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

                        地址      短幀模式            長幀模式 

N為用戶數據的長度；SID為源節點地址；DID為目的節點地址；DID為0表示廣播地址
圖2  傳輸數據在2K RAM中的存放格式

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

                
a 等待令牌信號             b 檢查是否可發送

                    
     c 可發送回答確認               d 送出數據

                 
              e 發送完成                    f 令牌傳向下一個節點
圖3  數據的傳送過程

ARCNET支持廣播消息。廣播消息發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絡上的所有節點，可見廣播速度很快。
3  ARCNET局域網的性能分析
3.1  安全機制
ARCNET局域網通過下列幾種途徑確保數據的安全傳輸。
① 數據發送前通過發送FBE幀對目的節點的接收準備進行確認。
② 每個數據幀中都含有一個CRC-16的幀校驗序列。
③ 一旦令牌丟失，將引發重構，自動重構網絡。
④ 協議控制器提供強大的網絡故障診斷功能。
此外，由于協議控制器內置2K RAM，可儲存8頁短幀模式的用戶數據和4頁長幀模式的用戶數據。即使節點CPU不讀取RAM中的數據，數據充滿RAM也無關緊要，當RAM要溢出時，節點CPU在收到FBE幀時可回送NAK幀，使RAM不再接收數據，此時源節點將不再發送數據，將令牌傳送給下一節點，因此，即使某一節點無法通信，整個網絡也不會鎖閉。
3.2  數據吞吐量和總開銷
由于ARCNET使用令牌傳送機制來仲裁節點對網絡的訪問權，因而網絡性能在時間上是可預測的或可確定的。正是由于ARCNET的時間可確定性，使其在工業實時控制領域中的應用經久不衰。
反映局域網性能的一個重要參數就是“一個節點在能夠發送信息之前必須等待的時間”，這個參數表示了各個節點每秒鐘能發送的信息數，也就是網絡的吞吐量。
在2.5Mbps的數據傳輸速率下，ARCNET協議控制器執行簡單的令牌傳送約需28.2µs（協議控制器響應時間12.6µs+令牌碼傳送時間15.6µs），因而令牌繞邏輯環一周的傳遞時間為28.2×Nnodes(µs)，Nnodes為網絡中活動節點數，一個節點從接收到令牌到發送數據為止，共需117.2µs的處理時間，傳輸每個字節需11個時鐘周期，一個字節的傳輸時間為11×400ns=4.4µs(速率為2.5Mbps時，每個時鐘周期為100ns)。因此令牌繞邏輯環一周最壞情況下的傳輸時間是網上每個節點均有數據需要發送，其大小可表示為(28.2+117.2+4.4×Nbytes)×Nnodes(µs) (Nbytes為每個數據包發送的字節數)，因而等待時間Tw的范圍為：
28.2×Nnodes µs＜Tw＜(145.4+4.4×Nbytes)×Nnodes µs
若一網絡中活動節點數為100個，令牌環繞一周約有2%的節點需要發送信息，其信息包的總長度為100字節，則一個節點發送數據的等待時間為：
Tw=(145.4+4.4×100) ×100×2%+28.2×100×98%=3934µs
即一個節點在一秒鐘內可發送約256個信息包。事實上Datapoint公司的實驗表明即使在一個具有175個節點的重載網絡中，節點有信息發送的次數與總的具有令牌的次數之比也很少超過2%[3]。由此可見ARCNET局域網的性能是很高的。
此外從數據傳輸的效率來看，若一個節點信息包的長度253字節，其傳輸總時間為145.4+4.4×253=1258.6µs，傳輸數據所花時間為4.4×253=1113.2µs，數據傳輸效率約為88%（1113.2/1258.6×100%=88%），也是相當高的。
3.3  幾種流行的現場總線協議比較

表1  幾種流行的現場總線協議的性能比較

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

表2  幾種典型的通信介質和網絡拓撲結構下的網段長度
 

注意：(1) 最大網段的長度是以標準電纜的衰減和最壞情況下收發器的功率預算為基礎算出的；(2) 最大節點數不包括HUB端口（因為其內部無協議控制器），但是網段最大電纜長度包括連接到HUB端口的電纜長度。
4.2  協議控制器和收發器的選用
ARCNET的協議全部由硬件完成，稱為ARCNET協議控制器，因而減輕了節點CPU的開銷和軟件設計周期，提高了效率。
早期的協議控制器的收發緩存必須另外擴展2K RAM，因而其芯片的引腳較多，體積較大，而且對網絡的診斷功能不強。筆者曾使用COM90C65設計ARCNET局域網，由于其診斷功能不足，只有通過增加軟件開銷來加強網絡管理功能，但是效果不佳，在產生活動節點地址表方面也頗費周折，而對令牌的監視則束手無策。盡管后來的COM90C66將2K RAM內置到協議控制內部，但是使用上還存在許多不便。近幾年推出的COM 200系列芯片，無論在結構上和功能上都作了很大改進，使開發人員應用更為便捷，而且在組網上提供了更多的靈活性，如通過對內部寄存器的設置可靈活改變數據傳輸速率，根據網絡中節點數目的多少設置重構時間，以得到更短的重構時間，進一步提升了系統的可靠性和快速性。通過某些寄存器的配合使用，較少的軟件開銷，便可得到網絡節點活動地址表以及網絡的故障信息，大大方便了網絡管理。
在收發器方面與早期的為2.5Mbps優化的雙脈沖收發器相比，收發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，設計者可以選擇成本較低的RS-485收發器。市場上可以購買到日本Standard Microsystem公司生產的ARCNET收發器，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
早期的ARCNET網絡部件的開發環境不是很好，這在一定程度限制了它的應用。筆者當初設計ARCNET應用系統時，網絡裝置的調試和應用程序的開發占用了許多精力。如今ARCNET開發商對這些環節做了很大改進，有很多的開發工具可供選擇。
根據應用層面和使用人員的層次，開發商們提供了靈活的部件。如各種類型的ARCNET網卡和豐富的ARCNET集線器可供用戶選擇，并提供相應的驅動程序。其中的空協議棧驅動是嵌入式網絡普遍采用的方式，在這種方式中，數據鏈路層可以直接和應用層對話，用戶在應用程序中根據自己的需要定義協議。當傳輸速度非常重要，而與其他系統的連通性要求不高時，這種方式是最好的選擇。
如果用戶自行設計網卡，則提供基于PC機的調試軟件和驅動程序的源代碼供用戶參考。更為便捷的是某些供應商還提供開發裝置的仿真板和網絡分析儀，以方便設計人員分析網絡的性能，進一步縮短開發周期。
5  結語
由于ARCNET網絡具有傳輸時間的確定性，網絡組建的靈活性和數據傳輸的可靠性，在實時控制系統中有著廣泛的應用，甚至有觀點提出ARCNET已成為現場總線技術應用的三個層次中不可或缺的部分。國內的設計人員也開始關注ARCNET網絡技術，并在設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在國內的進一步應用，以豐富現場總線控制技術在我國的發展。