| 摘要：敘述智能節(jié)點(diǎn)在現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中的重要性,提出擴(kuò)展智能節(jié)點(diǎn)I/O點(diǎn)數(shù)的方法和電路原理圖,并給出采用該智能節(jié)點(diǎn)組建的基于LonWorks技術(shù)的現(xiàn)場總線控制設(shè)備的應(yīng)用實(shí)例。 關(guān)鍵詞：LonWorks 智能節(jié)點(diǎn) I/O擴(kuò)展 隨著控制、計(jì)算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)場總線已成為當(dāng)今工業(yè)控制領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一。LonWorks現(xiàn)場總線由美國Echelon公司于1993年推出后,由于其開放的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、豐富的介質(zhì)接口模板、支持多種介質(zhì)之間相互通信等特點(diǎn),在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。目前,已有多種支持LonWorks技術(shù)的芯片。Echelon公司的神經(jīng)元芯片NeuronC3150（簡稱3150）是一種集3個(gè)8位CPU及網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議（LonTalk協(xié)議）為一體的芯片。采用該芯片構(gòu)成的智能節(jié)點(diǎn)在LonWorks現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)中起著舉足輕重的作用,能使現(xiàn)場設(shè)備之間相互通信,快速地交換信息,以滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控的要求。但是,由于3150神經(jīng)元芯片只提供了11個(gè)通用I/O口,這對于采集量和控制量要求較多的現(xiàn)場設(shè)備并不能滿足要求,因此研究和開發(fā)基于神經(jīng)元芯片的多點(diǎn)I/O智能節(jié)點(diǎn),是一項(xiàng)有意義的工作。本文提出了擴(kuò)展智能節(jié)點(diǎn)I/O數(shù)量的設(shè)計(jì)方法,并給出采用該智能節(jié)點(diǎn)組建基于LonWorks現(xiàn)場總線控制設(shè)備的應(yīng)用實(shí)例。
1 Neur onC3150神經(jīng)元芯片的特點(diǎn) NeuronC芯片既是LonWorks技術(shù)的核心也是智能節(jié)點(diǎn)的核心,目前由Toshiba和Motorola兩家公司生產(chǎn),主要包括NeuronC3150和NeuronC3120兩種系列。3150芯片中包括E2PROM、RAM存儲(chǔ)器,同3120芯片的區(qū)別在于它無內(nèi)部ROM,但具有訪問外部存儲(chǔ)器的接口,尋址空間可達(dá)64 KB。從這一點(diǎn)來說,3150比3120在節(jié)點(diǎn)開發(fā)上具有更好的靈活性。3150芯片內(nèi)部帶有3個(gè)8位微處理器：1個(gè)用于鏈路層的控制,1個(gè)用于網(wǎng)絡(luò)層的控制,1個(gè)用于執(zhí)行用戶的應(yīng)用程序。該芯片還包含11個(gè)I/O口和完整的LonTalk通信協(xié)議,同時(shí)具有通信和控制功能。 2 基于神經(jīng)元芯片智能節(jié)點(diǎn)的開發(fā)方法 基于補(bǔ)經(jīng)元芯片開發(fā)的智能節(jié)點(diǎn)具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低等優(yōu)勢,其開發(fā)方法可分為兩種。①基于控制模塊的硬件設(shè)計(jì)方法。采用這一方法的優(yōu)勢是可縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期,因?yàn)榭刂颇K通常都集成了補(bǔ)經(jīng)元芯片、;Flash程序存儲(chǔ)器、收發(fā)器以及RAM等,用戶只需設(shè)計(jì)自己的應(yīng)用電路即可完成節(jié)點(diǎn)開發(fā)。②其于收發(fā)器的硬件電路設(shè)計(jì)方法。采用這一方法可以降低節(jié)點(diǎn)成本,提高節(jié)點(diǎn)的市場競爭力,但是這需要在考慮應(yīng)用電路設(shè)計(jì)的同時(shí)考慮神經(jīng)元芯片與Flash存儲(chǔ)器及RAM的接口電路。這對于電路板的設(shè)計(jì)加工及生產(chǎn)工藝的要求都較高。
3 智能節(jié)點(diǎn)的電路設(shè)計(jì) 節(jié)點(diǎn)采用主、背板結(jié)構(gòu)。主板上集成有控制電路、通信電路和其它附加電路。智能節(jié)點(diǎn)主板結(jié)構(gòu)如圖1所示;背板設(shè)計(jì)為兩種多點(diǎn)I/O模塊（包括多點(diǎn)數(shù)字I/O模塊和多點(diǎn)模擬I/O模塊）;主、背板之間采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的20針接口。采用主、背板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)法,使得此智能節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用領(lǐng)域更為廣泛,適用性、通用性和功能都大大增強(qiáng),對于節(jié)點(diǎn)應(yīng)用程序的開發(fā)也更為靈活。 3.1 主板電路設(shè)計(jì) 3.1.1 控制電路 控制電路主要由神經(jīng)元芯片、片外存儲(chǔ)器和主背板接口電路等組成。各元器件功能如下。 ①神經(jīng)元芯片。采用Toshiba公司生產(chǎn)的3150芯片,主要用于提供對節(jié)點(diǎn)的控制,實(shí)施與Lon網(wǎng)的通信,支持對現(xiàn)場信息的輸入輸出等應(yīng)用服務(wù)。 ②片外存儲(chǔ)器。采用Atmel公司生產(chǎn)的AT29C256（Flash存儲(chǔ)器）。AT29C256共有32KB的地址空間,其中低16KB空間用來存放神經(jīng)元芯片的固件（包括LonTalk協(xié)議等）。高16KB空間作為節(jié)點(diǎn)應(yīng)用程序的存儲(chǔ)區(qū)。采用ISSI公司生產(chǎn)的IS61C256作為神經(jīng)元芯片的外部RAM。 ③主、背板接口電路。用于主板與多點(diǎn)I/O模塊的電氣連接。 3.1.2 通信電路 通信電路的核心——收發(fā)器是智能節(jié)點(diǎn)與Lon網(wǎng)之間的接口。目前,Echelon公司和其他開發(fā)商均提供了用于多種通信介質(zhì)的收發(fā)器模塊。本智能節(jié)點(diǎn)采用Echelon公司生產(chǎn)的適用于雙絞線傳輸介質(zhì)的FTT-10A收發(fā)器模塊。 3.1.3 附加電路 附加電路主要包括晶振電路、復(fù)位電路和Service電路等。 ①晶振電路。為3150神經(jīng)元芯片提供工作時(shí)鐘。 ②復(fù)位電路。用于在智能節(jié)點(diǎn)上電時(shí)產(chǎn)生復(fù)位操作。另外,節(jié)點(diǎn)還將一個(gè)低壓中斷設(shè)備與3150的Reset引腳相連,構(gòu)成對神經(jīng)元芯片的低壓保護(hù)設(shè)計(jì),提高節(jié)點(diǎn)的可靠性穩(wěn)定性。 ③Service電路。專為下載應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。Service指示燈對診斷神經(jīng)元芯片固件狀態(tài)有指示作用。 3.2 I/O擴(kuò)展電路設(shè)計(jì) 3150神經(jīng)元芯片包含11個(gè)通用口,用戶可根據(jù)不同的需求進(jìn)行靈活配置,以便于同外部設(shè)備進(jìn)行接口。但是對于輸入和輸出（I/O）數(shù)量需求較大的外圍設(shè)備,11個(gè)I/O口顯然不能滿足。雖然可以依靠增加節(jié)點(diǎn)數(shù)量來滿足外圍需求,但是這樣做不僅成本價(jià)格高而且增加了安裝的工作量,維護(hù)也不方便。因此,通過增加外圍電路實(shí)現(xiàn)I/O擴(kuò)展,成為多點(diǎn)I/O智能節(jié)點(diǎn)開發(fā)的重要部分。I/O擴(kuò)展設(shè)計(jì)包括多點(diǎn)模擬模塊設(shè)計(jì)和多點(diǎn)數(shù)字模塊設(shè)計(jì)。具體擴(kuò)展方案實(shí)現(xiàn)如下。
3.2.1 多點(diǎn)模擬模塊設(shè)計(jì) 多點(diǎn)模擬模塊主電路如圖2所示。TLC2543CN是支持SPI串行總線的11路模擬通道12位逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器。CS（pin 15）片選信號(hào)端接IO0;DATA INPUT（pin 17）為串行數(shù)據(jù)輸入,其中4位串行地址用于選擇下一個(gè)被轉(zhuǎn)換的模擬通道或測試電壓寄存器;DATA OUTPUT（pin 16）輸出模數(shù)轉(zhuǎn)換的結(jié)果;CLK是維持A/D轉(zhuǎn)換正常工作的輸入輸出時(shí)鐘。值得注意的是,時(shí)鐘信號(hào)頻率較高,任何一點(diǎn)干擾都可能影響模塊的正常工作。在CFLK上串聯(lián)或并聯(lián)一支電阻可以起到很明顯的抗干擾效果,保證A/D模塊的穩(wěn)定（本模塊中,CLK接IO8,DATA INPUT接IO9;DATA OUTPUT接IO10）。TLC2543還有一個(gè)特點(diǎn);IO9輸入數(shù)據(jù)的同時(shí),IO10輸出的是上一次A/D轉(zhuǎn)換的值,因此,在編寫NeuronC源程序時(shí)要注意A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)序。選用2只旁路電路：一只47μF電解電容,對低頻起濾波作用;另一只為0.1μF,對高頻起濾波作用。此A/D模塊沒有選用電壓基準(zhǔn),故在A/D芯片的參考電壓邊上接了1只0.1μF電容,用以去除高頻干擾。 3.2.2 多點(diǎn)數(shù)字模塊設(shè)計(jì) 多點(diǎn)數(shù)字模塊主要包括：輸入、輸出、雙向I/O三部分。通過擴(kuò)展,模塊具有16路數(shù)字輸入通道、15路數(shù)字輸出通道的3路雙向I/O通道。 （1）輸入部分 2片8選1數(shù)據(jù)選擇器——74LS151級(jí)聯(lián),并將3150的IO0～I(xiàn)O3定義為Nibble Output方式,即半字節(jié)輸出方式;IO4定義為Bit Input方式,即位輸入方式。IO0～I(xiàn)O3作為16路輸入通道的地址選通信號(hào),與74LS151的地址輸入端（STB、A、B、C引腳）相連。IO4作為數(shù)字信號(hào)入口,與74LS151的選通輸入端連接,具體電路如圖3所示。下面的NeuronC源程序可完成對16路數(shù)字通道的定時(shí)掃描,定時(shí)時(shí)間為1s; IO_0 output nibble io_mselect; //定義半字節(jié)輸出I/O IO_4 input bit io_tmp; //定義位輸入I/O Stimer repeating t_circle=1; //定義并初始化定時(shí)器 When(timer_expires(t_circle)) {int i,bit I_num,temp[15]; //定義循環(huán)變量、通道狀態(tài) //數(shù)組、初始化通道號(hào) for(i=0;i<16;i++) {io_out(io_mselect,I_num) //寫通道號(hào) temp[i]=(io_in(io_tmp)= =ON)?1:0)}}//讀通道狀態(tài)并存入狀態(tài)數(shù)組 （2）輸出部分 如圖4所示,輸出部分由2片8位移位寄存器74LS164和2片74LS373鎖存器組成。74LS164的功能是將NeuronC I/O口的15位串行幀輸出轉(zhuǎn)化為16路并行信號(hào)輸出。 74LS373鎖存器的作用是使74LS164的15路輸出在電平轉(zhuǎn)換后加以保持,直至下一次電平轉(zhuǎn)換。為了滿足15路并行輸出的要求,在時(shí)序上需要使2片74LS373嚴(yán)格同步。因此,硬件上增加了非門和RC電路,對2片74LS373的使能信號(hào)加以協(xié)調(diào)。通過實(shí)驗(yàn),證明此電路能夠完全滿足設(shè)計(jì)要求。在NeuronC源程序中將IO8、IO9定義為Serial Output方式,即串行輸出方式。其中IO8輸出時(shí)鐘信號(hào),IO9輸出串行數(shù)據(jù)。IO7定義為Bit Input方式,即位輸入方式,作為74LS164的清零端。 （3）雙向I/O部分 為了使用戶對此智能節(jié)點(diǎn)的二次開發(fā)更為靈活、方便,我們在多點(diǎn)數(shù)字模塊上設(shè)計(jì)了3個(gè)雙向I/O口（IO5、IO6、IO10）。用戶可根據(jù)自己的需要,利用模塊上的撥動(dòng)開關(guān)進(jìn)行輸入、輸出切換。 需要注意的是,為了提高智能節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力,在輸入、輸出電路中均采用了光電耦合器進(jìn)行電氣隔離。特別在輸出端加入了三極管功率放大電路以便于驅(qū)動(dòng)外部繼電路。 4 應(yīng)用實(shí)例 水電廠中的水利機(jī)組控制系統(tǒng)是一個(gè)極為復(fù)雜的系統(tǒng)。機(jī)組中有眾多參量需要測量和控制（包括模擬量和數(shù)字量）,如調(diào)速器開關(guān)、滅磁信號(hào)、主閥開關(guān)、冷卻水泵、勵(lì)磁投放信號(hào)、鎖錠控制等等。因此,系統(tǒng)對I/O口的需求量較大,傳統(tǒng)的智能節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求。而我們通過對多點(diǎn)I/O智能節(jié)點(diǎn)的開發(fā),成功地研制出WSTA2000小型水利機(jī)組綜合自動(dòng)化裝置。此裝置已在水電廠中投入使用,運(yùn)行情況良好。 | 
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