基于LonWorks現(xiàn)場總線技術(shù)的智能節(jié)點設(shè)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(dāng)前還存在著大量基于各種非現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備，將這些設(shè)備全部更新成基于現(xiàn)場總線的設(shè)備幾乎是不可能或不現(xiàn)實的。因此，開發(fā)現(xiàn)有設(shè)備到現(xiàn)場總線的接口轉(zhuǎn)換設(shè)備，使現(xiàn)場總線技術(shù)與傳統(tǒng)的設(shè)備有機(jī)地結(jié)合起來，將非現(xiàn)場總線設(shè)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(shù)、非現(xiàn)場總線技術(shù)、智能控制技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)各自的優(yōu)勢有機(jī)地結(jié)合起來，設(shè)計一種既具有強(qiáng)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?qū)鹘y(tǒng)儀器、設(shè)備掛接到LonWorks現(xiàn)場總線上，經(jīng)LonWorks總線進(jìn)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(yuǎn)程控制。然而GPIB系統(tǒng)卻受到一些工作限制，如：①兩個設(shè)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(shè)備，這主要是受TTL接口收發(fā)器驅(qū)動能力限制。當(dāng)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(shè)備。

本文以具有GPIB總線接口的設(shè)備為例，通過設(shè)計基于LON總線的智能節(jié)點，將基于GPIB總線接口的設(shè)備轉(zhuǎn)換成LonWorks現(xiàn)場總線設(shè)備，進(jìn)而將空間位置上分散較遠(yuǎn)的基于GPIB總線的儀器儀表資源通過LonWorks網(wǎng)絡(luò)有效聯(lián)系起來，實現(xiàn)儀器的較遠(yuǎn)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(shè)計方案

LonWorks節(jié)點是同物理上與之相連的I/O設(shè)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(yīng)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(shè)備較簡單，處理任務(wù)不復(fù)雜的系統(tǒng)。

②采用主處理器結(jié)構(gòu)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(dāng)著LonWorks網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)接口，節(jié)點應(yīng)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(jié)構(gòu)。通信協(xié)議處理器采用Neuron 3150芯片，該固件中帶有LonWorks網(wǎng)絡(luò)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(luò)變量的形式發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，通信速率可達(dá)78.125kbps，對于總線或環(huán)型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，最大通信距離可達(dá)2700m;對于星型或自由拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，最大通信距離可達(dá)500m，滿足了遠(yuǎn)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(zhuǎn)化成非現(xiàn)場總線設(shè)備能接收的信息格式，又要將非現(xiàn)場總線設(shè)備上的信息轉(zhuǎn)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(shè)備間通信的橋梁。

智能控制節(jié)點的總體結(jié)構(gòu)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(shè)備接口。

圖2 智能控制節(jié)點總體結(jié)構(gòu)框圖

LonWorks控制模塊電路設(shè)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(fù)責(zé)對LON通信網(wǎng)絡(luò)的管理以及與單片機(jī)的并行數(shù)據(jù)通信。

Neuron芯片3150選型

Neuron芯片是LonWorks技術(shù)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(biāo)識，稱為標(biāo)識碼。它既進(jìn)行通信的管理，也同時具有輸入、輸出和控制的能力。介質(zhì)訪問控制CPU處理LonTalk 7層協(xié)議的第1到第2層，包括驅(qū)動通信子系統(tǒng)硬件和執(zhí)行MAC算法;網(wǎng)絡(luò)CPU處理LonTalk協(xié)議的第3到第6層，包括處理網(wǎng)絡(luò)變量尋址事務(wù)、權(quán)限證實、背景診斷、軟件計時器、網(wǎng)絡(luò)管理和路由等，同時還控制網(wǎng)絡(luò)通信端口、物理的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包;應(yīng)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(luò)緩存器和應(yīng)用緩存器進(jìn)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(kuò)展電路設(shè)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(yīng)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(jìn)行理論上高達(dá)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(kuò)展。W29EE512P是64k×8bit CMOS FLASH Memory，5V的電壓即可對其進(jìn)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(yīng)用程序的存儲區(qū)。

外部數(shù)據(jù)存儲器擴(kuò)展用于存儲附加的應(yīng)用程序讀/寫數(shù)據(jù)和作為附加的網(wǎng)絡(luò)緩沖區(qū)及應(yīng)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(shè)計時只使用了24kB。圖3為神經(jīng)元芯片外部存儲器擴(kuò)展電路。

圖3 神經(jīng)元芯片外部存儲器擴(kuò)展電路圖

收發(fā)器電路設(shè)計

收發(fā)器是智能節(jié)點與Lon網(wǎng)之間的接口。本設(shè)計選用ECHELON公司的FTT-10A自由拓?fù)潆p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?fù)淇偩€安裝形式，它可支持星型、總線型和環(huán)型。自由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(luò)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(dāng)無電源供給時收發(fā)器輸出呈高阻狀態(tài)，當(dāng)收發(fā)器電源下降時不會影響網(wǎng)絡(luò)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(shè)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(luò)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(shè)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(shè)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(shè)備接口電路設(shè)計

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

電源與復(fù)位電路設(shè)計

考慮到設(shè)備的集中供電，本設(shè)計采用交流13.8V對每個節(jié)點或者設(shè)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(jìn)行轉(zhuǎn)換，便可得到相應(yīng)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(hù)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(hù)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(fù)位電路采用復(fù)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(fù)位、掉電復(fù)位和外部手動復(fù)位等功能，能進(jìn)行電源穩(wěn)壓塊前端掉電檢測，可實現(xiàn)高/低電平兩路復(fù)位信號輸出，圖7為復(fù)位電路圖。

圖7 復(fù)位電路圖

STC89C516RD+及存儲器擴(kuò)展電路設(shè)計

主控制模塊單片機(jī)選用STC89C516RD+。STC89C516RD+是完全兼容8051內(nèi)核的單片機(jī)，和8051單片機(jī)在指令級上兼容，12時鐘/機(jī)器周期和6時鐘/機(jī)器周期可反復(fù)設(shè)置。高達(dá)64k的用戶應(yīng)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(dá)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(shè)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(shè)計擴(kuò)展了一片8k×8數(shù)據(jù)存儲器HM6264。STC89C516RD+的存儲器擴(kuò)展電路如圖8所示。

圖8 STC89C516RD+存儲器擴(kuò)展電路圖

人機(jī)交互接口電路設(shè)計

人機(jī)接口電路主要包括鍵盤和終端顯示等。

為了減少對單片機(jī)I/O口的占用，設(shè)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(kuò)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(qiáng)大，操作簡單。它主要由行驅(qū)動器/列驅(qū)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(jī)與液晶控制模塊之間通過擴(kuò)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(jī)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(fù)位電路的復(fù)位端相連，液晶模塊的/CE信號端由P2.6進(jìn)行片選控制，RS信號由單片機(jī)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(jī)與神經(jīng)元芯片通信電路設(shè)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(jìn)行通信，并根據(jù)控制模塊接口J2的引腳定義來設(shè)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(yù)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(jìn)行數(shù)據(jù)交換的A機(jī)(主控制模塊)和B機(jī)(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(jī)向B機(jī)發(fā)送單個數(shù)據(jù)的工作原理為：

①A機(jī)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(jī)接收數(shù)據(jù);

③B機(jī)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(jī)控制IOWS產(chǎn)生上升沿，使INTM變低，通知A機(jī)可以繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù);

⑤A機(jī)收到INTM低電平后，把RD置低，使INTM變高，消除請求信號;

⑥A機(jī)把RD置高，釋放數(shù)據(jù)總線D0~D7。

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

外圍設(shè)備接口電路設(shè)計

本節(jié)點設(shè)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(shè)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(shè)計

軟件的主要功能是通過單片機(jī)從GPIB總線獲取數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)送到LON網(wǎng)絡(luò)上相應(yīng)節(jié)點，或?qū)ON網(wǎng)絡(luò)傳送過來的數(shù)據(jù)發(fā)給單片機(jī)，經(jīng)轉(zhuǎn)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(jī)之間的通信，同時作為與LonWorks網(wǎng)絡(luò)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(jī)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(shè)備的數(shù)據(jù)以及外圍電路的驅(qū)動。在此主要介紹單片機(jī)與GPIB接口的軟件設(shè)計。

GPIB系統(tǒng)中各設(shè)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(zhǔn)確可靠地傳遞，GPIB母線中設(shè)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(shù)以異步方式來進(jìn)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(jìn)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(jī)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(dāng)初始化完成后，程序不斷地讀取TNT4882的狀態(tài)位判斷當(dāng)前TNT4882所處的狀態(tài)，如果為聽者狀態(tài)，單片機(jī)接收數(shù)據(jù)，如果為講者狀態(tài)，單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖13 單片機(jī)控制TNT4882工作流程圖

結(jié)束語

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