詳解COM20020i Rev. D：高性能ARCNET控制器的卓越之選

作為一名電子工程師，在工業(yè)、汽車和嵌入式控制等領(lǐng)域的設(shè)計(jì)工作中，網(wǎng)絡(luò)通信控制器的選擇至關(guān)重要。今天就來詳細(xì)介紹一款優(yōu)秀的產(chǎn)品——Microchip的COM20020i Rev. D，一款5Mbps ARCNET（ANSI 878.1）控制器，它具備諸多出色特性，能為相關(guān)應(yīng)用提供可靠的通信解決方案。

文件下載：COM20020I-DZD-TR.pdf

一、產(chǎn)品亮點(diǎn)概述

COM20020i Rev. D具有眾多令人矚目的特性。它的數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)5 Mbps，能滿足高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?。其?a href="http://www.brongaenegriffin.com/v/tag/1315/" target="_blank">編程的重新配置時(shí)間，讓網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)變化的能力更強(qiáng)；具備28 - 引腳PLCC和48 - 引腳TQFP兩種RoHS合規(guī)封裝，可根據(jù)不同設(shè)計(jì)需求靈活選擇；適用于工業(yè)、工廠、建筑自動化以及交通運(yùn)輸?shù)葢?yīng)用場景。采用確定性的（ANSI 878.1）令牌傳遞ARCNET協(xié)議，能確保在實(shí)時(shí)應(yīng)用中提供可預(yù)測的響應(yīng)時(shí)間。此外，它對微控制器和媒體接口邏輯的需求極低，擁有靈活的接口，可與各種微控制器或微處理器配合使用，還能自動檢測微控制器接口類型。內(nèi)部集成2Kx8的雙端口RAM，支持命令鏈進(jìn)行數(shù)據(jù)包排隊(duì)，可順序訪問內(nèi)部RAM，軟件可編程節(jié)點(diǎn)ID，有八個(gè)256字節(jié)頁面，支持四種頁面的收發(fā)以及暫存存儲器，可讀取下一個(gè)節(jié)點(diǎn)ID，具備內(nèi)部時(shí)鐘縮放器和時(shí)鐘倍增器用于調(diào)整網(wǎng)絡(luò)速度，工作溫度范圍為 - 40°C至 + 85°C，支持自重新配置協(xié)議，最多可支持255個(gè)節(jié)點(diǎn)，支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用CMOS工藝，單 + 5V電源供電，具備重復(fù)節(jié)點(diǎn)ID檢測和強(qiáng)大的診斷功能，還有接收所有數(shù)據(jù)包模式以及靈活的媒體接口，包括傳統(tǒng)混合接口和RS485差分驅(qū)動接口。

二、協(xié)議解析

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

通信基于令牌傳遞協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)配置的建立和管理由COM20020iD的內(nèi)部微代碼序列器完成。處理器或智能外設(shè)只需將數(shù)據(jù)包及其目標(biāo)ID加載到內(nèi)部RAM緩沖區(qū)，并發(fā)出啟用發(fā)送器的命令即可傳輸數(shù)據(jù)。當(dāng)接收到令牌時(shí)，會先發(fā)送FREE BUFFER ENQUIRY消息驗(yàn)證接收節(jié)點(diǎn)是否準(zhǔn)備好，若接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送ACKnowledge消息，則發(fā)送數(shù)據(jù)包和16位CRC；若接收節(jié)點(diǎn)無法接受數(shù)據(jù)包，則發(fā)送Negative AcKnowledge消息，發(fā)送器傳遞令牌。接收節(jié)點(diǎn)成功接收數(shù)據(jù)包后會發(fā)送ACKnowledge消息，發(fā)送器設(shè)置相應(yīng)狀態(tài)位。中斷掩碼允許在選定狀態(tài)位為真時(shí)生成中斷。

數(shù)據(jù)速率

COM20020iD支持156.25 Kbps至5 Mbps的數(shù)據(jù)速率。要實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率，可通過內(nèi)部時(shí)鐘倍增器將時(shí)鐘頻率加倍；對于較慢的數(shù)據(jù)速率，內(nèi)部時(shí)鐘分頻器會降低時(shí)鐘頻率，所有超時(shí)值也會相應(yīng)縮放。若要實(shí)現(xiàn)5 Mbps的網(wǎng)絡(luò)，需輸入40 MHz的外部時(shí)鐘，但由于40 MHz接近FM無線電頻段，存在噪聲問題，因此可通過Setup2寄存器中的CKUP[1,0]位從20 MHz晶體生成更高頻率的時(shí)鐘。改變CKUP1和CKUP0位后，需等待一段時(shí)間并向命令寄存器寫入命令數(shù)據(jù) '18H' 以重新啟動ARCNET核心操作。當(dāng)數(shù)據(jù)速率超過5 Mbps時(shí)，SETUP2寄存器中的EF位必須設(shè)置。

網(wǎng)絡(luò)重新配置

COM20020iD能適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)變化，當(dāng)新節(jié)點(diǎn)激活或停用、新設(shè)備開啟、未收到傳輸邀請420ms或發(fā)生軟件復(fù)位時(shí)，會發(fā)送RECONFIGURE BURST進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)重新配置，該突發(fā)信號會終止網(wǎng)絡(luò)上的所有活動。當(dāng)檢測到空閑線路超過41μS（令牌丟失時(shí)），每個(gè)設(shè)備會啟動內(nèi)部超時(shí)，超時(shí)后開始發(fā)送傳輸邀請，最終每個(gè)設(shè)備會保存一個(gè)NID值，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的直接控制傳遞。網(wǎng)絡(luò)重新配置時(shí)間通常在12至30.5ms范圍內(nèi)。

廣播消息

廣播功能允許特定節(jié)點(diǎn)同時(shí)向網(wǎng)絡(luò)上的所有節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)包，ID零用于此功能，網(wǎng)絡(luò)上的任何節(jié)點(diǎn)都不能分配ID零。發(fā)送廣播消息時(shí)，只需將數(shù)據(jù)包加載到RAM緩沖區(qū)并將DID設(shè)置為零。每個(gè)節(jié)點(diǎn)可通過設(shè)置“Enable Receive to Page fnn”命令的最高有效位為邏輯“0”來忽略廣播消息。

擴(kuò)展超時(shí)功能

該設(shè)備有三個(gè)與操作相關(guān)的超時(shí)，其值由配置寄存器的第3和4位以及Setup 1寄存器的第5位控制。響應(yīng)時(shí)間決定了任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間允許的最大傳播延遲，應(yīng)大于網(wǎng)絡(luò)上最遠(yuǎn)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的往返傳播延遲加上最大周轉(zhuǎn)時(shí)間；空閑時(shí)間與網(wǎng)絡(luò)重新配置相關(guān)；重新配置時(shí)間內(nèi)若節(jié)點(diǎn)未收到令牌，將啟動網(wǎng)絡(luò)重新配置。所有連接到同一網(wǎng)絡(luò)的COM20020iD必須具有相同的響應(yīng)時(shí)間、空閑時(shí)間和重新配置時(shí)間。

線路協(xié)議

ARCNET線路協(xié)議是等時(shí)的，每個(gè)字節(jié)前有起始間隔，后有停止間隔，數(shù)據(jù)字節(jié)之間的時(shí)間間隔恒定。在5 Mbps的網(wǎng)絡(luò)上，每個(gè)字節(jié)需要11個(gè)200ns的時(shí)鐘間隔，即每2.2μS傳輸一個(gè)字節(jié)，可精確確定消息傳輸時(shí)間。線路空閑時(shí)為邏輯“0”，邏輯“0”表示無線路活動，邏輯“1”表示持續(xù)100ns的負(fù)脈沖。傳輸開始時(shí)會有一個(gè)由6個(gè)單位間隔的標(biāo)記（邏輯“1”）組成的ALERT BURST，然后發(fā)送8位數(shù)據(jù)字符，每個(gè)字符前有2個(gè)單位間隔的標(biāo)記和1個(gè)單位間隔的空格。支持五種類型的傳輸，包括傳輸邀請、空閑緩沖區(qū)查詢、數(shù)據(jù)包、確認(rèn)消息和否定確認(rèn)消息。

三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

微控制器接口

COM20020iD的微控制器接口由8位數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線組成。它能自動檢測并適應(yīng)所使用的微控制器類型，默認(rèn)采用80XX - 類似的信號和復(fù)用操作。在硬件復(fù)位后，通過軟件執(zhí)行特定操作來確定控制信號類型和總線類型，一旦確定，將保持該接口模式直到下一次硬件復(fù)位。對內(nèi)部RAM和寄存器的訪問由COM20020iD控制，內(nèi)部RAM通過基于指針的方案訪問，內(nèi)部寄存器通過直接尋址訪問。該設(shè)備提供無等待狀態(tài)仲裁，指針可用于自動遞增模式進(jìn)行順序緩沖區(qū)操作，也可用于隨機(jī)訪問。數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)寄存器進(jìn)行讀寫，讀取時(shí)數(shù)據(jù)會從內(nèi)存預(yù)取到數(shù)據(jù)寄存器，寫入時(shí)數(shù)據(jù)先存儲在數(shù)據(jù)寄存器再寫入內(nèi)存。此外，為支持高速CPU總線時(shí)序，對地址解碼和主機(jī)接口模式塊進(jìn)行了修改，添加了RBUSTMG位來禁用/啟用高速CPU讀取功能。

傳輸媒體接口

COM20020iD提供三種與傳輸媒體接口的方式。傳統(tǒng)混合接口適用于與其他混合接口節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)，僅適用于2.5 Mbps的節(jié)點(diǎn)，通過變壓器耦合提供隔離和高共模抑制，使用特定電路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和接收；背板配置適用于對成本敏感的短距離應(yīng)用，如背板和儀器，該模式節(jié)省組件、成本和功率，但不隔離節(jié)點(diǎn)與媒體，也不保護(hù)其免受共模噪聲影響，COM20020iD提供可編程輸出驅(qū)動器，默認(rèn)采用開漏輸出；差分驅(qū)動配置是背板模式的特殊情況，適用于汽車區(qū)域網(wǎng)絡(luò)等對成本敏感且不需要與現(xiàn)有ARCNET節(jié)點(diǎn)直接兼容和隔離的應(yīng)用，通過RS485驅(qū)動器/接收器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和接收。此外，COM20020iD的TXEN輸出極性可編程，以適應(yīng)具有高電平有效ENABLE引腳的收發(fā)器。

四、功能剖析

微序列器

COM20020iD內(nèi)部的微序列器執(zhí)行ARCNET協(xié)議所需的所有控制操作，由時(shí)鐘發(fā)生器、544 x 8 ROM、程序計(jì)數(shù)器、兩個(gè)指令寄存器、指令解碼器、無操作發(fā)生器、跳轉(zhuǎn)邏輯和重新配置邏輯組成。從時(shí)鐘倍增器的輸出時(shí)鐘派生10 MHz和5 MHz的時(shí)鐘，分別用于程序計(jì)數(shù)器操作和指令執(zhí)行。微程序存儲在ROM中，指令被提取并放入指令寄存器，解碼后執(zhí)行。遇到無操作指令時(shí)，微序列器進(jìn)入定時(shí)循環(huán)；遇到跳轉(zhuǎn)指令時(shí)，程序計(jì)數(shù)器加載跳轉(zhuǎn)地址。內(nèi)部重新配置定時(shí)器超時(shí)會中斷微序列器，清除程序計(jì)數(shù)器并設(shè)置診斷狀態(tài)寄存器的MYRECON位。

內(nèi)部寄存器

COM20020iD包含14個(gè)內(nèi)部寄存器，包括中斷掩碼寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、臨時(shí)ID寄存器、節(jié)點(diǎn)ID寄存器、下一個(gè)ID寄存器、狀態(tài)寄存器、診斷狀態(tài)寄存器、命令寄存器、地址指針寄存器、配置寄存器、子地址寄存器、Setup 1寄存器和Setup 2寄存器。這些寄存器在設(shè)備的操作中發(fā)揮著不同的作用，如中斷掩碼寄存器指定哪些狀態(tài)位可生成中斷，數(shù)據(jù)寄存器用于數(shù)據(jù)的讀寫，節(jié)點(diǎn)ID寄存器存儲節(jié)點(diǎn)的唯一標(biāo)識等。

內(nèi)部RAM

內(nèi)部集成的2K x 8 RAM節(jié)省了大量空間和成本，減少了外部RAM、外部鎖存器以及復(fù)用地址/數(shù)據(jù)總線和控制功能的需求，降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度和成本，提高了可靠性。內(nèi)部RAM通過基于指針的方案進(jìn)行訪問，數(shù)據(jù)通過8位數(shù)據(jù)寄存器與微控制器進(jìn)行通信。訪問速度快，可通過設(shè)置Setup1寄存器的第0位來減慢仲裁時(shí)鐘。

軟件接口

微控制器通過軟件訪問各種寄存器與COM20020iD進(jìn)行交互。訪問數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的軟件流程基于順序訪問方案，包括禁用中斷、寫入指針寄存器、啟用中斷、讀寫數(shù)據(jù)寄存器等步驟?？刂婆渲?、節(jié)點(diǎn)ID、臨時(shí)ID和下一個(gè)ID寄存器的軟件流程主要用于初始化序列和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)地圖。在選擇RAM頁面大小時(shí)，可根據(jù)需要將2K x 8的RAM分為四個(gè)512字節(jié)的頁面，通過“Enable Transmit (Receive) from (to) Page fnn”命令指定使用的頁面，還可通過設(shè)置偏移位“f”來實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的緩沖區(qū)分配。在發(fā)送和接收序列中，需按照特定的格式將數(shù)據(jù)包寫入或讀取RAM緩沖區(qū)，并根據(jù)狀態(tài)位的變化進(jìn)行相應(yīng)的操作。

命令鏈

命令鏈操作允許連續(xù)的傳輸和接收操作在無需主機(jī)微控制器干預(yù)的情況下進(jìn)行，通過雙二級FIFO對命令和狀態(tài)位進(jìn)行流水線處理。默認(rèn)情況下，設(shè)備處于非鏈模式，要使用命令鏈操作，需將配置寄存器的第6位置為邏輯“1”。在命令鏈模式下，狀態(tài)寄存器的表現(xiàn)有所不同，支持最多兩個(gè)未完成的傳輸和接收操作，中斷服務(wù)程序的延遲不影響性能，中斷掩碼位作用于TTA（發(fā)送器可用的上升沿）和TRI（接收器禁止的上升沿）。發(fā)送命令鏈和接收命令鏈的操作流程類似，在完成一次傳輸或接收后，會更新狀態(tài)寄存器并生成中斷，通過特定命令清除中斷和狀態(tài)位。

復(fù)位細(xì)節(jié)

COM20020iD包含特殊的復(fù)位電路，支持軟件和硬件復(fù)位。軟件復(fù)位通過將配置寄存器的第7位置為邏輯“1”實(shí)現(xiàn)，不影響微控制器接口模式和部分寄存器的內(nèi)容；硬件復(fù)位通過在nRESET輸入上施加低信號實(shí)現(xiàn)，最小復(fù)位脈沖寬度為5TXTL。復(fù)位后，發(fā)送器部分禁用，內(nèi)部寄存器進(jìn)入特定狀態(tài)。在寫入非零值到節(jié)點(diǎn)ID寄存器之前，應(yīng)先寫入Setup1寄存器，寫入節(jié)點(diǎn)ID寄存器后，設(shè)備會向RAM緩沖區(qū)執(zhí)行兩次寫操作。

初始化序列

在初始化過程中，通過對COM20020iD的地址空間中的奇數(shù)地址進(jìn)行讀寫操作來確定合適的總線接口。在寫入非零值到節(jié)點(diǎn)ID寄存器之前，應(yīng)先寫入Setup1寄存器，直到設(shè)置節(jié)點(diǎn)ID寄存器后，核心才會喚醒，但節(jié)點(diǎn)要加入網(wǎng)絡(luò)還需設(shè)置配置寄存器的TX Enable位。在設(shè)置TX Enable位之前，可通過觀察診斷狀態(tài)寄存器的接收活動和令牌可見位來驗(yàn)證接收器和網(wǎng)絡(luò)的健康狀況，同時(shí)確定節(jié)點(diǎn)ID的唯一性。可使用臨時(shí)ID寄存器構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)地圖，使用下一個(gè)ID寄存器確定下一個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)。

改進(jìn)的診斷功能

COM20020iD通過內(nèi)部診斷狀態(tài)寄存器提供了更好的網(wǎng)絡(luò)管理功能。My Reconfiguration（MYRECON）位為高時(shí)表示該節(jié)點(diǎn)的令牌接收定時(shí)器超時(shí)，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)重新配置，可通過檢查該位來判斷節(jié)點(diǎn)是否存在問題；Duplicate ID（DUPID）位用于在節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)之前確保節(jié)點(diǎn)ID的唯一性；Receive Activity（RCVACT）位和Token Seen（TOKEN）位可幫助用戶排查網(wǎng)絡(luò)或節(jié)點(diǎn)問題，不同組合的這些位和配置寄存器的TXEN位表示不同的情況；Excessive NAK（EXCNAK）位用于限制發(fā)送器向無可用緩沖區(qū)的節(jié)點(diǎn)發(fā)送空閑緩沖區(qū)查詢的次數(shù)，可通過設(shè)置Setup1寄存器的FOUR - NAKS位來確定超時(shí)值；New Next ID位允許軟件檢測節(jié)點(diǎn)的添加或移除；Tentative ID位可用于構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)地圖。

振蕩器

COM20020iD的振蕩器電路與外部并聯(lián)諧振晶體或TTL時(shí)鐘配合使用。使用外部晶體時(shí)，需要兩個(gè)電容器，晶體精度要求為0.020%或更高，振蕩頻率范圍為10 MHz至20 MHz。當(dāng)內(nèi)部時(shí)鐘倍增器開啟時(shí)，晶體精度要求為0.010%或更高，振蕩頻率必須為20 MHz。也可使用外部TTL時(shí)鐘，此時(shí)需在XTAL1信號上添加390Ω上拉電阻，XTAL2保持未連接。

五、操作與應(yīng)用注意事項(xiàng)

最大額定值

COM20020iD的最大額定值包括工作溫度范圍、存儲溫度范圍、引腳溫度、引腳電壓等，超過這些額定值可能會導(dǎo)致設(shè)備永久性損壞。在使用實(shí)驗(yàn)室或系統(tǒng)電源供電時(shí)，要注意避免超過絕對最大額定值，可使用鉗位電路來防止電壓尖峰或瞬變。

DC電氣特性

詳細(xì)說明了不同輸入輸出引腳的電壓范圍、輸出電壓、電源電流、輸入上拉電流和輸入泄漏電流等DC電氣特性，這些參數(shù)對于正確設(shè)計(jì)和使用COM20020iD至關(guān)重要。

時(shí)序圖

提供了多種不同總線模式和控制信號下的讀寫周期時(shí)序圖，包括地址設(shè)置時(shí)間、地址保持時(shí)間、片選設(shè)置時(shí)間、片選保持時(shí)間、時(shí)鐘信號寬度等參數(shù)，這些參數(shù)對于確保微控制器與COM20020iD之間的正確通信至關(guān)重要。在設(shè)計(jì)過程中，要根據(jù)具體的應(yīng)用場景和微控制器的特性，合理設(shè)置這些時(shí)序參數(shù)，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。同時(shí)，要注意不同數(shù)據(jù)速率和時(shí)鐘設(shè)置對時(shí)序參數(shù)的影響，以及一些特殊操作（如地址指針寄存器的讀寫）的時(shí)序要求。

封裝信息

介紹了COM20020iD的兩種封裝形式，即48 - 引腳TQFP和28 - 引腳PLCC，并提供了相應(yīng)的封裝外形圖和尺寸信息。在進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)時(shí)，要根據(jù)封裝尺寸合理安排元件布局，確保引腳連接正確，同時(shí)要考慮散熱和機(jī)械穩(wěn)定性等因素。

六、總結(jié)

COM20020i Rev. D是一款功能強(qiáng)大、性能卓越的ARCNET控制器，它在協(xié)議支持、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、功能特性等方面都表現(xiàn)出色。其豐富的功能和靈活的配置選項(xiàng)使其適用于各種工業(yè)、汽車和嵌入式控制等領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)通信應(yīng)用。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們需要深入理解其工作原理和各項(xiàng)參數(shù)，根據(jù)具體的應(yīng)用需求進(jìn)行合理的配置和優(yōu)化，以充分發(fā)揮其優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)通信。同時(shí)，要注意遵循其操作要求和注意事項(xiàng)，確保設(shè)備的正常運(yùn)行和系統(tǒng)的可靠性。大家在實(shí)際應(yīng)用中遇到過哪些關(guān)于網(wǎng)絡(luò)通信控制器的問題呢？歡迎一起討論交流。