基于LonWorks現(xiàn)場總線技術的智能節(jié)點設計

現(xiàn)場總線系統(tǒng)是自動控制系統(tǒng)發(fā)展的一種趨勢。然而，當前還存在著大量基于各種非現(xiàn)場總線標準的設備，將這些設備全部更新成基于現(xiàn)場總線的設備幾乎是不可能或不現(xiàn)實的。因此，開發(fā)現(xiàn)有設備到現(xiàn)場總線的接口轉換設備，使現(xiàn)場總線技術與傳統(tǒng)的設備有機地結合起來，將非現(xiàn)場總線設備集成到LonWorks現(xiàn)場總線系統(tǒng)中，實現(xiàn)基于現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)，是一項非常有意義的工作。

本文的目的是將現(xiàn)場總線技術、非現(xiàn)場總線技術、智能控制技術和單片機技術各自的優(yōu)勢有機地結合起來，設計一種既具有強大現(xiàn)場處理功能，又具有通信功能的智能控制節(jié)點。通過該智能控制節(jié)點，能夠將傳統(tǒng)儀器、設備掛接到LonWorks現(xiàn)場總線上，經(jīng)LonWorks總線進行信息的傳輸與交換。

如GPIB接口是目前許多儀器的專用接口，通過GPIB總線控制儀器端，實現(xiàn)遠程控制。然而GPIB系統(tǒng)卻受到一些工作限制，如：①兩個設備之間最大距離4m，整個電纜的長度不得超過20m;②GPIB母線上最多可掛15個設備，這主要是受TTL接口收發(fā)器驅動能力限制。當測試系統(tǒng)有必要使用多于15個器件時，需在控制器上再添置一個GPIB接口，即可多拉一條母線，多掛14個設備。

本文以具有GPIB總線接口的設備為例，通過設計基于LON總線的智能節(jié)點，將基于GPIB總線接口的設備轉換成LonWorks現(xiàn)場總線設備，進而將空間位置上分散較遠的基于GPIB總線的儀器儀表資源通過LonWorks網(wǎng)絡有效聯(lián)系起來，實現(xiàn)儀器的較遠程控制和數(shù)據(jù)的分析、處理與資源共享。

智能節(jié)點的總體設計方案

LonWorks節(jié)點是同物理上與之相連的I/O設備交互作用并在網(wǎng)上使用LonTalk協(xié)議與其他節(jié)點相通信的對象。LonWorks現(xiàn)場控制節(jié)點包含：應用CPU、I/O處理單元、通信處理器、收發(fā)器和電源等。

LonWorks節(jié)點有兩種類型：

①以Neuron芯片為核心的控制節(jié)點，Neuron芯片直接作為通信處理器和測控處理器，這類節(jié)點適合于I/O設備較簡單，處理任務不復雜的系統(tǒng)。

②采用主處理器結構的控制節(jié)點，即Host Base節(jié)點，Neuron芯片只作為通信處理器，充當著LonWorks網(wǎng)的網(wǎng)絡接口，節(jié)點應用程序由主處理器(一般用微控制器)執(zhí)行，這類節(jié)點適合于對處理能力、輸入/輸出能力要求較高的系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 LonWorks智能控制節(jié)點

本智能節(jié)點采用Host Base節(jié)點結構。通信協(xié)議處理器采用Neuron 3150芯片，該固件中帶有LonWorks網(wǎng)絡通信協(xié)議，該通信協(xié)議集成了ISO全部7層協(xié)議。節(jié)點采用網(wǎng)絡變量的形式發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，通信速率可達78.125kbps，對于總線或環(huán)型拓撲網(wǎng)絡結構，最大通信距離可達2700m;對于星型或自由拓撲網(wǎng)絡結構，最大通信距離可達500m，滿足了遠程測控的需求。

本節(jié)點的最主要部分是主處理器，選用STC89C516RD+，它既要接收現(xiàn)場總線控制模塊并行發(fā)出的信息并且將它轉化成非現(xiàn)場總線設備能接收的信息格式，又要將非現(xiàn)場總線設備上的信息轉化傳送到現(xiàn)場總線控制模塊。它是實現(xiàn)LonWorks現(xiàn)場總線系統(tǒng)和非現(xiàn)場總線設備間通信的橋梁。

智能控制節(jié)點的總體結構如圖2所示，主要分為LonWorks控制模塊與主控制模塊及其外圍設備接口。

圖2 智能控制節(jié)點總體結構框圖

LonWorks控制模塊電路設計

本節(jié)點將神經(jīng)元芯片、FLASH ROM、RAM和收發(fā)器等集成為一個通用模塊，稱之為LonControl控制模塊。以神經(jīng)元芯片為核心的LonWorks控制模塊主要負責對LON通信網(wǎng)絡的管理以及與單片機的并行數(shù)據(jù)通信。

Neuron芯片3150選型

Neuron芯片是LonWorks技術的核心，每一個神經(jīng)元芯片被賦予一個唯一的48位碼的標識，稱為標識碼。它既進行通信的管理，也同時具有輸入、輸出和控制的能力。介質訪問控制CPU處理LonTalk 7層協(xié)議的第1到第2層，包括驅動通信子系統(tǒng)硬件和執(zhí)行MAC算法;網(wǎng)絡CPU處理LonTalk協(xié)議的第3到第6層，包括處理網(wǎng)絡變量尋址事務、權限證實、背景診斷、軟件計時器、網(wǎng)絡管理和路由等，同時還控制網(wǎng)絡通信端口、物理的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包;應用CPU執(zhí)行用戶用Neuron C語言編寫的代碼以及用戶代碼調(diào)用的操作系統(tǒng)命令。芯片內(nèi)有3個8位流水線作業(yè)的CPU，3個CPU分別通過片內(nèi)的網(wǎng)絡緩存器和應用緩存器進行通信。

神經(jīng)元芯片選用日本東芝公司生產(chǎn)的TMPN3150B1AF，通常為64腳QFP封裝。芯片內(nèi)存儲器的地址范圍是E800H~FFFFH，包括2kByte的SRAM和512kByte的EEPROM。

神經(jīng)元芯片外部存儲器擴展電路設計

TMPN3150有16根地址線，可尋址64k空間，可以外接存儲器，如RAM、ROM、EEPROM或FLASH。根據(jù)應用性能和成本要求，該智能節(jié)點的外部存儲器采用FLASH和RAM。FLASH ROM不僅能夠在斷電的情況下保證數(shù)據(jù)不丟失，而且在上電情況下可進行理論上高達10萬次的數(shù)據(jù)寫操作。

根據(jù)Echelon公司的推薦，這里選用Winbond的W29EE512P作為FLASH ROM擴展。W29EE512P是64k×8bit CMOS FLASH Memory，5V的電壓即可對其進行片上編程和擦除。W29EE512P含有4k個扇區(qū)，每個扇區(qū)為128字節(jié)，存儲空間總共為512kB。其中低字節(jié)空間用于存放神經(jīng)元芯片的固件(包括LonTalk協(xié)議等)，高字節(jié)空間作為節(jié)點應用程序的存儲區(qū)。

外部數(shù)據(jù)存儲器擴展用于存儲附加的應用程序讀/寫數(shù)據(jù)和作為附加的網(wǎng)絡緩沖區(qū)及應用程序緩沖存儲空間，SRAM采用HITACH公司生產(chǎn)的HM62256。HM62256含有512個扇區(qū)，每個扇區(qū)為64字節(jié)，總共存儲空間為32kB，設計時只使用了24kB。圖3為神經(jīng)元芯片外部存儲器擴展電路。

圖3 神經(jīng)元芯片外部存儲器擴展電路圖

收發(fā)器電路設計

收發(fā)器是智能節(jié)點與Lon網(wǎng)之間的接口。本設計選用ECHELON公司的FTT-10A自由拓撲雙絞線收發(fā)器，該收發(fā)器可以連接到任何基于Neuron芯片的控制系統(tǒng)，支持無極性自由拓撲總線安裝形式，它可支持星型、總線型和環(huán)型。自由拓撲結構能夠減少系統(tǒng)安裝時間、降低系統(tǒng)安裝成本。

FTT-10A收發(fā)器由一個隔離變壓器和一個集成的78kbps微分曼切斯特編碼收發(fā)器組成，收發(fā)器管腳與Neuron芯片的通信端口(CP)和時鐘線、+5V電源及雙絞線網(wǎng)絡線相連。FTT-10A收發(fā)器自動檢測輸入時鐘頻率是在5MHz、10MHz還是20MHz。當無電源供給時收發(fā)器輸出呈高阻狀態(tài)，當收發(fā)器電源下降時不會影響網(wǎng)絡通信。

FTT-10A收發(fā)器與神經(jīng)元芯片的接口電路如圖4所示。C1是供電電源的解耦電容，選用“0.1uF，+5VDC”解耦電容;C2是靜態(tài)放電電容，電容值較小，要盡可能地耐高壓，選用1000pF、2kV電容，電路設計時，C2和PCB火花隙連在一起，可有效地防止收發(fā)器接入網(wǎng)絡瞬間發(fā)生的電壓“浪涌”現(xiàn)象;C3，C4為DC模塊電容，選用22uF、+50V的極性電容;D1~D4為瞬態(tài)箱位二極管，保證收發(fā)器放電安全可靠，通常選用BAV99或IN4148。

圖4 FTT-10A收發(fā)器與神經(jīng)元芯片接口電路圖

時鐘電路設計

3150 Neuron芯片時鐘電路如圖5所示。在神經(jīng)元芯片內(nèi)有振蕩器，利用外接晶振可產(chǎn)生輸入時鐘。神經(jīng)元芯片時鐘頻率范圍在625KHz~10MHz之間，有效的輸入時鐘頻率為：10MHz、5MHz、2.5MHz、1.25MHz和625KHz，時鐘頻率的精度必須為±1.5%或更高。本設計采用外接晶體振蕩器的方法來產(chǎn)生10MHz輸入時鐘。

圖5 時鐘信號產(chǎn)生電路圖

主控制模塊及其外圍設備接口電路設計

以單片機為核心的主控制模塊及其外圍設備接口電路主要負責與LonWorks控制模塊的并行數(shù)據(jù)交換、對外圍設備輸入輸出量的控制以及實現(xiàn)人機交互的鍵盤輸入和LCD顯示等。

電源與復位電路設計

考慮到設備的集中供電，本設計采用交流13.8V對每個節(jié)點或者設備供電。由于系統(tǒng)需要+5V電源，13.8V交流電通過整流橋3KBP06整流得到直流電，對其濾波后送往穩(wěn)壓器件7805進行轉換，便可得到相應的穩(wěn)定工作電壓。7805芯片雖然具有輸出穩(wěn)定、溫度系數(shù)小、內(nèi)含過流及短路保護等優(yōu)點，但長時間工作時，往往會散發(fā)比較多的熱量，因此有必要在芯片的底槽上加固一散熱片以保護芯片長期穩(wěn)定工作，圖6為電源電路原理圖。

圖6 電源電路原理圖

復位電路采用復位芯片STC708，它具有較寬范圍的用戶自定義門限電壓，具有上電復位、掉電復位和外部手動復位等功能，能進行電源穩(wěn)壓塊前端掉電檢測，可實現(xiàn)高/低電平兩路復位信號輸出，圖7為復位電路圖。

圖7 復位電路圖

STC89C516RD+及存儲器擴展電路設計

主控制模塊單片機選用STC89C516RD+。STC89C516RD+是完全兼容8051內(nèi)核的單片機，和8051單片機在指令級上兼容，12時鐘/機器周期和6時鐘/機器周期可反復設置。高達64k的用戶應用程序空間和1280字節(jié)的片上集成RAM，以及256Byte的內(nèi)存，最高工作頻率可達40MHz，共有32根輸入輸出線、3個16位計時/計數(shù)器、8個中斷源和一個串行口。本節(jié)點采用外部振蕩器，其頻率為11.0592MHz。

由于系統(tǒng)在終端顯示、與外圍設備和Neuron芯片通信等都涉及大量的數(shù)據(jù)交換和操作，需要占用較大的RAM空間，同時也為了讓數(shù)據(jù)處理的速度更快，設計擴展了一片8k×8數(shù)據(jù)存儲器HM6264。STC89C516RD+的存儲器擴展電路如圖8所示。

圖8 STC89C516RD+存儲器擴展電路圖

人機交互接口電路設計

人機接口電路主要包括鍵盤和終端顯示等。

為了減少對單片機I/O口的占用，設計采用非編碼式2×4矩陣鍵盤。鍵盤電路原理如圖9所示，DIG0~3與SEGA、B接擴展芯片74LS373上。

圖9 鍵盤電路原理圖

本智能節(jié)點采用廈門OCULAR公司生產(chǎn)的GDM12864，該LCD模塊自帶漢字庫和常用字符，功能強大，操作簡單。它主要由行驅動器/列驅動器及128×64全點陣液晶顯示器組成，與CPU接口采用8位數(shù)據(jù)總線并行輸入輸出。

單片機與液晶控制模塊之間通過擴展一個鎖存器74LS373的訪問方式，使STC89C516RD+利用數(shù)據(jù)總線與控制信號控制GDM12864液晶顯示模塊。其中，數(shù)據(jù)口P0與液晶顯示模塊的數(shù)據(jù)口通過鎖存器相連，單片機的R/W作為液晶顯示模塊的讀、寫控制信號，液晶模塊的/RST與外部復位電路的復位端相連，液晶模塊的/CE信號端由P2.6進行片選控制，RS信號由單片機I/O口控制，高電平時為指令口地址，低電平時為數(shù)據(jù)口地址。電位器RW1用來調(diào)節(jié)顯示屏的亮度。液晶模塊與STC89C516RD+的電路連接如圖10所示。

單片機與神經(jīng)元芯片通信電路設計

圖10 液晶模塊與STC89C516RD+電路連接圖

主副控制器之間采用并行I/O方式，STC89C516RD+利用數(shù)據(jù)總線和控制信號與LonWorks控制模塊進行通信，并根據(jù)控制模塊接口J2的引腳定義來設計相互之間的連接。單字節(jié)并行通信接口模塊由兩塊74HC574和一塊74HC74芯片組成，74HC574是帶三態(tài)輸出控制的8D觸發(fā)器，數(shù)據(jù)的輸入由CLK腳上升沿控制，數(shù)據(jù)的輸出由OC腳低電平選通。74HC74是帶預置端和清除端的雙D觸發(fā)器，接口電路中由于它的數(shù)據(jù)輸入端D接地、輸出清除端CD接正電源，所以其數(shù)據(jù)輸出端Q由CLK腳上升沿置低、由SD腳低電平置高。并行通信接口通過其對稱的兩個接口分別與要進行數(shù)據(jù)交換的A機(主控制模塊)和B機(LonWorks控制模塊)相連。主副控制器通信接口電路如圖11所示。

(a)主控制器J2接口電路

(b)LonWorks控制模塊J2接口電路

圖11 主副控制器通信接口電路圖

A機向B機發(fā)送單個數(shù)據(jù)的工作原理為：

①A機把數(shù)據(jù)輸出到數(shù)據(jù)總線D0~D7上;

②控制寫信號(WR)，即上升沿，把D0~D7上數(shù)據(jù)選通到U5中鎖存，同時使INTS變低，請求B機接收數(shù)據(jù);

③B機收到INTS低電平請求信號后，控制IORS產(chǎn)生低電平，把U5中鎖存的數(shù)據(jù)選通輸出到數(shù)據(jù)總線BD0~BD7上，同時使INTS置高，釋放數(shù)據(jù)總線BD0~BD7;

④B機控制IOWS產(chǎn)生上升沿，使INTM變低，通知A機可以繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù);

⑤A機收到INTM低電平后，把RD置低，使INTM變高，消除請求信號;

⑥A機把RD置高，釋放數(shù)據(jù)總線D0~D7。

重復上述步驟，就能實現(xiàn)A機到B機的多個數(shù)據(jù)傳送。B機到A機的數(shù)據(jù)傳送的工作原理同上。

外圍設備接口電路設計

本節(jié)點設備端使用GPIB專用芯片TNT4882實現(xiàn)GPIB接口功能，TNT4882是美國NI公司的一款單芯片、高速、聽/講功能兼?zhèn)涞腉PIB接口專用芯片。TNT4882芯片使用簡單靈活，可方便地連接各種8位和16位處理器，除了40MHz的時鐘外不需要其他任何外圍芯片即能直接與GPIB總線相連。TNT4882有三種不同的硬件接口模式：單片模式、Turbor+7210模式以及Turbor+9914模式，本設計采用單片模式。GPIB實現(xiàn)的硬件連接如圖12所示。

圖12 GPIB實現(xiàn)的硬件連接圖

智能節(jié)點的軟件設計

軟件的主要功能是通過單片機從GPIB總線獲取數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)送到LON網(wǎng)絡上相應節(jié)點，或將LON網(wǎng)絡傳送過來的數(shù)據(jù)發(fā)給單片機，經(jīng)轉換后發(fā)送至GPIB總線。本節(jié)點中Neuron芯片需要完成與單片機之間的通信，同時作為與LonWorks網(wǎng)絡的通信處理器還需實現(xiàn)與底層各節(jié)點的數(shù)據(jù)交換。而主控制器單片機則主要完成與LonWorks控制模塊的并行通信、控制TNT4882芯片獲取GPIB總線上儀器儀表設備的數(shù)據(jù)以及外圍電路的驅動。在此主要介紹單片機與GPIB接口的軟件設計。

GPIB系統(tǒng)中各設備的工作速度可能相差懸殊，為了保證多線消息能雙向、異步、準確可靠地傳遞，GPIB母線中設置了三條握手線(DAV、NRFD和NDAC)。源方和受方之間利用三線握手技術以異步方式來進行數(shù)據(jù)傳送。由于本節(jié)點采用TNT4882實現(xiàn)GPIB數(shù)據(jù)的收發(fā)，因此對GPIB總線的控制只要對TNT4882進行控制即可，數(shù)據(jù)傳送過程可通過TNT4882芯片自行完成。單片機控制TNT4882對GPIB數(shù)據(jù)的收發(fā)有中斷方式、查詢方式和DMA方式。本文采用查詢方式來控制TNT4882實現(xiàn)對GPIB總線的控制，其工作流程如圖13所示。當初始化完成后，程序不斷地讀取TNT4882的狀態(tài)位判斷當前TNT4882所處的狀態(tài)，如果為聽者狀態(tài)，單片機接收數(shù)據(jù)，如果為講者狀態(tài)，單片機發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖13 單片機控制TNT4882工作流程圖

結束語

本文以含GPIB接口總線的儀器儀表設備為例，設計了將GPIB總線上的儀器儀表設備接入LonWorks現(xiàn)場總線網(wǎng)絡的智能節(jié)點，給出了智能節(jié)點的總體設計方案;并對智能控制節(jié)點進行了詳細的硬軟件設計，給出了設計電路。