1   20020的特征

    在分析各实例之前，先解释一下实例中使用的ARCNET控制器COM20020的特征。

图1   COM20020的内部模块图


图2  插脚位置图


图3  与Z80系列CPU连接的实例

    ? 20020 简介

    COM20020使用了ARCNET协议设计（改良型令牌(token)信号诱导方式），以工业用机器人及汽车用机器的微控制器与高性能外围设备相连接为目的，由一个通信用芯片所集成的LAN 控制器。

    COM20020 在24pin（插脚）DIP（或者28pin的PLCC）中，由适应性很高的处理界面和媒体传送界面以及8页信息量的缓存器组成，在工业环境中的工作温度范围为-40℃～+85℃。

    它同时还支持2K×8 bit 的双接口RAM，传送速度为150Kbps～10 Mbps，并具有自我诊断功能。

图4  ARCNET的通信模式


图5  信息包缓存器的动作

    ARCNET进行数据接收和传送的过程如图4所示：

    (1)  发送信息的CPU，把送信包（送信目的地的站号、送信数据）的内容写入COM20020内部RAM中；

    (2)  发出送信命令；

    (3)  COM20020等待令牌信号的返回；

    (4)  收到令牌信号后，送信目的站为了确认信息包是否处于待收状态，向空着的缓存器发出询问信号(FBE)；

    (5)  信息包如果处于待收状态，送信目的站就回应确认信号(ACK)；

    (6)  送信源收到确认信号后，送出信息包；

    (7)  送信目的站如正常收到信息包，便向送信源发出确认信号；

    (8)  送信源收到确认信号后，将令牌信号传给下一个站。

    ?  复数页量的信息缓存器

    COM20020控制器内装缓存器，可储存8页的短信息包（short packet，253 字节），4页的长信息包（long packet，508 字节）。

    ARCNET以信息包为单位收信和送信，CPU不必每收到1个字节的信息就加以处理，而是收到整个信息包后才一起读入，这便减轻了CPU的负担（如图5a所示）。送信处理也是如此，1字节的信息写入后，并不立刻写入下一个数据，而是等到需要写入送信缓存器的所有数据都到齐后，送信命令才发出。送信中允许有优先度较高的处理请求。

    此外，收信站通常可以按照用户决定的数据模式读出送信源发出的数据，从而减轻信息包的处理负担。

    ?  缓存器溢出

    即使CPU不读取缓存器中的数据，多个信息包缓存器中数据充满时也没有关系。当缓存器要溢出时，为使缓存器不再受信， CPU在收到FBE时回送拒收信号 (NAK)（如图5 b所示）。即使CPU无法处理接收到的数据时，数据也不会丢失。

    送信源收到有关FBE的NAK回答时，就不再送信，而将令牌信号传给下一个站。因此，即使某一个站无法通信，整个网络也不会锁闭。

    ?  用令牌信号确保实时性

   由于可以计算ARCNET协议中的网络最长等待时间（向下一个站送出令牌信号或令牌信号回到原站的时间），FA网络具有所需的实时性。另外，控制器会对节点的加入或脱离进行管理，因此不会增加CPU的负担。

    即使CPU的处理速度不够快，也可以满足某些节点之间数据的频繁传输（优先级高的命令优先处理）。这个系统可以说是一个柔性网络。

2  通讯系统实例

    在此，从ARCNET所具有的许多特点中，将几个应用网络所具有的实时性、网络的高自由度、高可靠性、对终端节点CPU的低依赖性、网络自身的廉价性等特征的应用实例做一简要介绍。

2.1   FA用机器人的控制

    ?  机器人控制模式

    FA用机器人的协调控制模式如图6、图7所示。为了控制这个机器人的各个机械手，以机械手为单位，设立了独立的控制器。为了使机械手达到目标位置，各控制器对机械手的各个关节发出速度指令。

    机械手的控制方法有多种，而本例中速度指令的发出方法采用雅可比的逆行列解法。另外，为了准确、更快地使机械手达到目标位置，必须加快控制周期的计算，同时对PID(Proportional Integral Differential)进行控制。

    为了加快控制周期的计算，常常利用DSP(Digital Signal Processor)方式提高计算速度。

    ?  协调控制

    对冗余机器人来说，可用雅可比的模拟逆行列解法来决定关节速度。在这种情况下，机械手的姿势不一定采用人们所期待的姿势。即虽然能够确保机械手的目标位置，但是对机械手的姿势并无特定期望。因此，通常为了保持所希望的姿势，用提供评价参数（约束条件）来求解。

    以此模型为例，机械手#1将货物从A运到B，机械手#2将货物从B运到C是效率最高的方法。由机械手#1从A运到B的货物，马上被机械手#2从B运到C。

    这时，如果两个控制器对相互的姿势及状况无法把握的话，就无法进行有效的控制。最严重的情况是，机械手#1与#2互相干扰，导致机械手的损坏。对此类问题的有效控制，称之为协调控制。

图6   FA用机器人的模式


图7  机器人控制器的结构

    ?  情报通信(LAN)的条件

    为了协调控制，各控制器之间的情报通信是必要的，为此采用了LAN方法。LAN所要求的条件列举如下：

    (1)  一般来说， FA要求的系统都是ROM化的，本系统也不例外。因此，要求软件简单，操作量小（以减轻CPU的负担）；

    (2)  发生障碍时容易维修。使用者可以把握驱动器周围的状况，即可以容易地制作与驱动器关联的软件。这一点也关系到可靠性和可维修性（软件开发简单）；

    (3)  就控制性质而言，在电波干扰等环境中，这是一个强有力的LAN系统；

    (4)  信息包的接收过程是可预测、可确定的（实时性）；

    (5)  可容易地增减控制器（网络的扩展性和柔软性）。

    ?  LAN的选定

    作为满足上述条件的LAN，本系统采用了ARCNET。系统的计算控制周期为5ms～8ms。在这么长的时间段内控制器的情报通信是完全可行的。各控制器以LAN形式连接。它和以总线(Bus)形式连接相比较，后者是由多个CPU构成，会产生CPU间的数据干扰，而前者则容易避免这个问题，从而减轻编程人员的工作量。

    总的来说，ARCNET的驱动器周边程序码为2KB，很容易ROM化。对协调控制来说，虽然还存在机器人本身的控制体系问题，但是作为通信手段，ARCNET已经达到目的。

2.2  病房大楼内LAN系统

    ?  病房大楼内LAN的必要性

    近年来，医院面临着护士人才不足以及工作时间长等许多问题，希望减轻护士的负担。

    实际上，医院（病房）有大小不同的房间，为收集病人的情况（血压、脉搏、体温、尿量以及根据症状而定的诊断情况等)，护士们要不断地巡回检察。病房大楼设有护士集中的护士室，所有情况都在这里统一管理，必要时向医生提供，这是医院的一般做法。另外，病房内的患者紧急求助时，通过按床边呼叫器通知护士。病房内的呼叫器系统使得很多电线分布于各处。

    在此考虑将这些电线利用起来，通过LAN将各个医疗感应器收集来的情报自动送出。如果每个医疗器各自布线，病房就成了布满电线的怪物了。但如果让每个机器连到LAN系统，并在病房内多设LAN接口，这就很容易集中管理了。

    ?  病房大楼LAN的条件

    此处介绍的系统是病房大楼内LAN的一个尝试。为了防止由污物引起的室内感染和对臭气的及时处理，以及减轻护士的负担等，美国科动控制系统公司开发了如图8所示的LAN所对应的检尿装置及测定值自动送信系统。

图8  检尿装置及测定值自动送信系统

    在设计此系统时，首要的考虑是针对医院内电子仪器所产生的各种电波干扰采取对策，如CT或X光机发出的电波干扰。别说其他电子仪器，就是对LAN本身网线电波干扰的对策也很重要。因此，在采用LAN时，请注意以下几点：

    (1)  利用插入接口，容易与LAN结合；

    (2)  接口部设计紧凑、轻巧，易于制作；

    (3)  对电波干扰的抵抗力强；

    (4)  在软件方面设计简单；

    (5)  增加接口时简单容易。

    ?  病房LAN的选定

    根据以上各种理由，在此采用了ARCNET(2.5Mbps)。现在，同一条线上连接了64台设备，这对数据的收集时间来说，没有任何问题。

    如果其他的医疗机器与LAN连接，虽然依赖于数据信息的长度以及数据发送的频度，但如果假定平均信息长度为128字节，即使是同时送信，推算大约1.5s左右数据便可以存入数据库（如果不考虑数据库机器回答的等待时间，50ms内全部通信可以完成）。

    今后的课题是，在这个系统上，如果各种各样的医疗机器需要同时使用时，软件的标准化将成为一大问题。