基于AT89C2051單片機的VCN-MIO智能節(jié)點模板電路設計

　　基于具有三個CPU且固化了LonTalk通信協(xié)議的神經元（Neuron）芯片的智能節(jié)點模板，由于Neuron芯片是八位處理器,而且只提供了11個通用I/O口，并采用了基于事件巡檢的軟件調度機制，故其控制功能相對較弱,使它無法完成實時性高的多進程、多任務的并行處理，不能滿足采集量和控制量要求較多的多現(xiàn)場設備管控的高要求，且性價比較低。要滿足這種高要求，就要減少Neuron芯片在外部事件上的開銷，讓其充分發(fā)揮它在通訊組網上的優(yōu)越性，能使現(xiàn)場設備之間快速地交換信息，滿足系統(tǒng)實時監(jiān)控的要求；而對于提高網絡節(jié)點的測控能力，必須另擇門路。嵌入控制功能強、物美價廉的單片機，專門完成多節(jié)點的智能測控，構成一種基于AT89C2051單片機的VCN-MIO（多I/O）智能節(jié)點模板，不失為一種上乘的較佳選擇，本文介紹它的電路設計。

　　1.VCN-MIO智能節(jié)點模板的總體設計

　　VCN-MIO智能節(jié)點模板，以包含Neuron芯片在內的TP/FT-10F閃控模塊和AT89C2051單片機為核心，采用標準的控制網絡協(xié)議LonTalk，實現(xiàn)了真正的對等層點到點通信的分布式控制網絡。其總體設計如圖1所示。圖中，A為8路AI、6路DO；B為網絡、直流電壓與交流源接口；C、D、E分別為擴充模塊的I/O端口，其功能由擴充I/O模塊定義，可以根據工程實際需求靈活配置。

圖1 VCN-MIO智能節(jié)點模板總體設計

　　(*中國高等教育學會“十一五”教育科學規(guī)劃課題（批準號：06AIP0090046）；江蘇省教育科學“十一五”規(guī)劃2006年度課題(立項編號:179); 山東省教育科學“十一五”規(guī)劃2006年度課題(立項編號:115GG41); 黑龍江省教育科學“十一五”規(guī)劃2006年度課題(批準編號:HGG027)；黑龍江省教育廳2006年科學技術研究計劃項目（項目編號：11513037）；朱靜(1966-),女，江蘇淮安人，副教授，高工。研究方向：機電工程控制)

　　2．TP/FT-10F 主控核心模塊電路設計

　　主控制模塊提供了一種簡單、有效的方法將LonWorks技術運用到任何控制系統(tǒng)中。本設計控制模塊存儲器采用 FLASH EPROM，它能夠在掉電的情況下保證數據不丟失，同時在上電的情況下還能夠對它進行可反復擦寫1000次的數據寫操作，在FLASH EPROM中，ATMEL公司的AT89C512 與MC143150 的時序配合最為合適，存儲空間以64K為首選。收發(fā)器選用 FTT-10A，它在未加電時呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，不會影響網絡通信。FTT-10A 與神經元芯片3150的接口電路如圖2所示。

　　圖2中，Cl 是靜態(tài)放電電容，在需要的情況下，要盡可能耐高壓，電容值偏小，如 1000pF；C2 是供電電源的解耦電容，通常選用0.1uF/5V解藕電容；C3、C4為DC模塊電容，取值為22uF/50V；二極管為電容暫態(tài)限幅，保證收發(fā)器靜態(tài)放電安全可靠，建議使用 IN4148或 BAV99。圖3所示控制模塊的左側18插腳分別與神經元芯片的11個I/O、RESET、SERVICE、電源及接地引腳等直接相連，右側6個插腳與圖2的Net1、Net2直接相連。

圖2 FTT-10A 與神經元芯片3150的接口電路

圖3 TP/FT-10F控制模塊結構圖

　　3 VCN-MIO底板與擴展模塊的電路設計

　　3.1單片機AT89C2051與神經元芯片MC143150的接口電路設計

　　底板的結構設計用來排列核心模塊和擴展模塊，并給各個擴展模塊提供電源，同時底板又是一個8路AI/6路DO的基礎板。核心模塊和擴展模塊、核心模塊與底座的通信即神經元芯片與單片機AT89C2051芯片通信采用的是SPI方式，如圖4所示，由于神經元芯片的IO口不多，故選用串行方式。SPI接口是一種同步全雙工串行外圍接口，突出優(yōu)點是在使用最少的微控制器引腳的前提下，實現(xiàn)相對高速的短程通信。神經元芯片提供Neurowire對象實現(xiàn)SPI方式通信，IO8、IO9、IO10分別是同步時鐘、數據輸出、輸入；IO0-IO7任意一個可作為片選。

圖4單片機AT89C2051與神經元芯片MC143150的接口電路

　　3.2輸入輸出接口電路設計

　　數字量輸出模塊采用達林頓陣列ULN2003集電極開路輸出，最大電壓50V，最大吸收峰值電流500mA，最大壓降1.2V。但ULN2003芯片功耗為:PD=（最大結溫－工作溫度）/73。

　　當最大結溫取150℃，工作溫度取40℃時，PD=1.5W，建議不要超過1W。由于每塊達林頓陣列ULN2003用了5路，即每路0.2W，當平均壓降取1V時，每路額定吸收電流則僅為200mA。輸入可采用干觸點輸入或者電壓輸入。為了簡化電路和電源，采用二極管隔離方式。干觸點接通時要求接觸電阻不大于500Ω，響應時間可達2ms，通過觸點的電流不大于1mA；干觸點斷開時，觸點的電壓不大于5V，要求觸點斷開電阻不小于30KΩ。電壓輸入，高電平＋3V～+30V，低電平0～＋1V，脈沖響應時間可達2ms。數字量輸入輸出接口電路如圖5所示。

圖5 數字量輸入輸出接口電路

　　模擬信號部分電路相對復雜，針對交流輸入和直流輸入分別設計了不同的檢測濾波電路。圖6為模擬信號采集電路，適用于直流電壓、電流信號輸入，可通過軟件調整量程。AD7705是AD公司出品的適用于低頻測量儀器的AD轉換器。它能將從傳感器接收到的很弱的輸入信號直接轉換成串行數字信號輸出，而無需外部儀表放大器。采用Σ-Δ的ADC，實現(xiàn)16位無誤碼的良好性能，片內可編程放大器可設置輸入信號增益。

圖6 模擬信號采集電路

　　圖7為模擬量輸出電路，DAC7513是低功耗、單信道、12位緩沖電壓輸出D/A轉換器(DAC)。芯片內含精密輸出放大器，使(rail-to-rail)軌對軌輸出成為可能。它采用通用三線串行接口，操作時鐘頻率高達30MHz，與標準接口兼容。DAC7513集成了上電復位電路，上電時輸出電壓為0V并保留此狀態(tài)直到產生對器件有效的寫，包含掉電特性，在結束串口訪問后，電流消耗可降為200nA(5V)。DAC7513的功耗為0.5mW(5V)，掉電模式均降為1μW。

圖7 模擬量輸出電路

　　4 節(jié)點故障診斷和抗干擾設計

　　4.1 故障診斷策略流程

　　在節(jié)點開發(fā)過程中，故障的出現(xiàn)是不可避免的。在出現(xiàn)故障后能迅速的診斷故障所在，并且及時地進行修正，是每個開發(fā)人員面臨的共同任務。而在故障的診斷中，具有一個好的策略流程，能有效的指導開發(fā)人員有順序的有邏輯的進行故障定位。圖8便是一個基本完整的策略流程圖。

圖8 節(jié)點故障診斷流程

　　4.2 電磁抗干擾設計

　　對于系統(tǒng)板上的數字芯片，由于3150 運行的工作頻率大概為10MHz，工作頻率高，高速跳變電流會產生較大的阻抗噪聲。為了抑制這種噪聲的影響，需要在芯片的電源引腳和接地引腳之間添加去耦電容，以通過電容的充放電來穩(wěn)定電流量；在信號傳輸頻率高的地方，盡量使用小的解耦電容。在電路板規(guī)劃的時候，采用四層電路板設計方案，可以減少電磁干擾；在電路板布線時，應盡量縮短存儲芯片的數據線、地址線及控制線的走線距離，以減少對地電容；要保持多條地址線之間走線距離的一致性，否則各線會因走線距離不同而造成較大的阻抗差異，使到達終端的地址信號波形相差過大，最終導致控制信息失效。此外，數字芯片的未用輸入端不應處于浮空狀態(tài)，而應將其接入高電平，以防止電磁干擾竄入開路的輸入端，引起邏輯電路的誤動作。

4.3 靜態(tài)放電(ESD)影響處理

　　ESD是在電子應用中經常遇到的問題。減少ESD帶來的影響通常有兩種解決的辦法。首先，把敏感設備用電磁套包裝起來，使ESD不能到達敏感設備。接地可以為各電路的工作提供基準電位，但同時也為不同電路的噪聲信號提供了一條耦合途徑。由于本系統(tǒng)板上既具有模擬通信接口、A/D 轉換等模擬電路，也具有存儲系統(tǒng)等數字電路，因而采取了模擬、數字電路單元內部分別接模擬地和數字地，最后再將兩條地線接至一點的措施。這樣便在最大程度上降低了兩種電路間地線的公共阻抗，減少了兩種電路間的噪聲信號的互擾。

　　5 結語

　　本文設計了基于AT89C2051單片機的VCN-MIO智能節(jié)點模板結電路設計，單片機作為主處理器負責數據采集處理部分的工作，而Neuron芯片專門負責通信功能。這樣處理的最大好處是提高了數據處理的能力，提升了節(jié)點的性能?，F(xiàn)場的信號主要是數字量和模擬量兩種，故針對每種信號的特點分別設計了輸入輸出電路，值得強調的是VCN-MIO這種節(jié)點的結構安排，即一個核心控制模塊配帶一些擴展模塊，端口的數量可以靈活配置，端口的形式也可以靈活配置。目前已開發(fā)出具有44路I/O節(jié)點的高性能智能模板，并已將其應用于第十屆“挑戰(zhàn)杯”全國大學生課外學術科技競賽作品“現(xiàn)代化立體車庫的遠程智能網絡管控系統(tǒng)”制作，效果顯著。實驗表明，該多I/O智能節(jié)點模板的智能節(jié)點數大大增多；通信、控制調度、實時性、可靠性大大增強；性價比大大提高；能夠滿足目前現(xiàn)代工業(yè)過程控制領域復雜測控系統(tǒng)的高要求。

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