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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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)節(jié)點(diǎn)的控制，實(shí)施與Lon網(wǎng)的通信，支持對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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。
