摘? 要: 介紹了智能節(jié)點" title="智能節(jié)點">智能節(jié)點在現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中的重要性,給出了擴展智能節(jié)點的I/O" title="I/O">I/O點數(shù)的方法和電路原理圖以及采用該智能節(jié)點組建的基于Lonworks技術(shù)的現(xiàn)場總線控制設(shè)備的應(yīng)用實例。?

　　關(guān)鍵詞: Lonworks? 智能節(jié)點?? I/O擴展?

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　　Lonworks現(xiàn)場總線由美國Echelon公司于1993年推出,由于其開放的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)、標準的網(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,在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛響應(yīng)。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" title="神經(jīng)元芯片">神經(jīng)元芯片NeuronC3150是一種集3個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)點在Lonworks現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)中起著舉足輕重的作用,它能使現(xiàn)場設(shè)備之間相互通信,快速地交換信息,以滿足系統(tǒng)實時監(jiān)控的要求。但由于3150神經(jīng)元芯片只提供11個通用I/O口,不能滿足采集量和控制量要求較多的現(xiàn)場設(shè)備的要求,因此研究和開發(fā)基于神經(jīng)元芯片的多點" title="多點">多點I/O的智能節(jié)點,是一項有意義的工作。?

1 NeuronC3150神經(jīng)元芯片的特點?

　　NeuronC芯片既是Lonworks技術(shù)的核心也是智能節(jié)點的核心,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和RAM存儲器,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器的接口,尋址空間可達64Kbyte。從這一點來說,3150比3120在節(jié)點開發(fā)上具有更好的靈活性。3150芯片內(nèi)部帶有3個8位微處理器:一個用于鏈路層的控制,另一個用于網(wǎng)絡(luò)層的控制,第三個用于執(zhí)行用戶的應(yīng)用程序。該芯片還包含11個I/O口和完整的LonTalk通信協(xié)議,它同時具有通信和控制功能。?

2 基于神經(jīng)元芯片智能節(jié)點的開發(fā)方法?

　　基于神經(jīng)元芯片開發(fā)的智能節(jié)點具有結(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,因為控制模塊通常都集成了神經(jīng)元芯片、Flash程序存儲器、收發(fā)器" title="收發(fā)器">收發(fā)器以及RAM等,用戶只需設(shè)計自己的應(yīng)用電路即可完成節(jié)點開發(fā)。(2)基于收發(fā)器的硬件電路設(shè)計方法。采用這一方法可以降低節(jié)點成本,提高節(jié)點的市場競爭力,但是這一方法需要在考慮應(yīng)用電路設(shè)計的同時考慮神經(jīng)元芯片與Flash存儲器及RAM的接口電路,這對于電路板的設(shè)計加工及生產(chǎn)工藝的要求都較高。?

3 智能節(jié)點的電路設(shè)計?

　　節(jié)點采用主、背板結(jié)構(gòu)。主板上集成有控制電路、通信電路和其他附加電路,其結(jié)構(gòu)圖如圖1。背板設(shè)計為兩種多點I/O模塊(包括多點數(shù)字I/O模塊和多點模擬I/O模塊)。主、背板之間采用統(tǒng)一標準的20針接口。采用主、背板結(jié)構(gòu)設(shè)計法,使得此智能節(jié)點的應(yīng)用領(lǐng)域更為廣泛,適應(yīng)性、通用性和功能都大大增強,對于節(jié)點應(yīng)用程序的開發(fā)也更為靈活。?

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3.1 主板電路設(shè)計?

3.1.1 控制電路?

　　控制電路主要由神經(jīng)元芯片,主背板接口電路和片外存儲器等組成。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,它主要用于提供對節(jié)點的控制、實施與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)片外存儲器 采用Atmel 公司生產(chǎn)的AT29C256(FLASH存儲器)。AT29C256共有32K字節(jié)的地址空間,其中低16K字節(jié)空間用來存放神經(jīng)元芯片的固件(包括LonTalk協(xié)議等)。高16字節(jié)空間作為節(jié)點應(yīng)用程序的存儲區(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、復位電路和Service電路等。?

　　晶振電路為3150神經(jīng)元芯片提供工作時鐘。?

　　復位電路用于在智能節(jié)點上電時產(chǎn)生復位操作。另外,節(jié)點還將一個低壓中斷設(shè)備與3150的Reset管腳相連,構(gòu)成對神經(jīng)元芯片的低壓保護設(shè)計,提高節(jié)點的可靠性和穩(wěn)定性。?

　　Service電路是專為下載應(yīng)用程序的電路,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擴展電路設(shè)計?

　　3150神經(jīng)元芯片包含11個通用口,用戶可根據(jù)不同的需求進行靈活配置,以便于同外部設(shè)備進行接口。對于輸入和輸出(I/O)數(shù)量需求較大的外圍設(shè)備,11個I/O口顯然不能滿足。雖然可以依靠增加節(jié)點數(shù)量來滿足外圍要求,但是這樣做不僅成本價格高而且增加了安裝的工作量,維護也不方便。因此,通過增加外圍電路實現(xiàn)I/O 擴展,成為多點I/O智能節(jié)點開發(fā)的重要部分。I/O 擴展設(shè)計包括多點模擬模塊設(shè)計和多點數(shù)字模塊設(shè)計。?

3.2.1 多點模擬模塊設(shè)計?

　　多點模擬模塊主電路圖如圖2。TLC2543是支持SPI串行總線的11路模擬通道的12位逐次逼近型模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。CS(Pin 15)片選信號端接IO0;DATA INPUT(Pin 17)為串行數(shù)據(jù)輸入,其中四位串行地址用來選擇下一個被轉(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是維持模/數(shù)轉(zhuǎn)換正常工作的時鐘。值得注意的是,時鐘信號頻率較高,任何一點干擾都可能影響模塊的正常工作。在CLK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,保證模/數(shù)模塊的穩(wěn)定。(本模塊中, CLK接IO8,DATA INPUT接IO9,DATA OUTPUT接IO10)。TLC2543還有一個特點:IO9輸入數(shù)據(jù)的同時,IO10輸出的是上一次模/數(shù)轉(zhuǎn)換的值,因此在編寫NeuronC源程序時要注意模/數(shù)轉(zhuǎn)換的時序。選用兩支旁路電容:一支47μF電解電容,對低頻起濾波作用;另一支為0.1μF,對高頻起濾波作用。此模/數(shù)模塊沒有選用電壓基準,故在模/數(shù)芯片的參考電壓邊上接了一支0.1μF電容,用以去除高頻干擾。?

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3.2.2 多點數(shù)字模塊設(shè)計?

　　多點數(shù)字模塊主要包括:輸入部分、輸出部分、雙向I/O三部分。通過擴展,模塊具有16路數(shù)字輸入通道、15路數(shù)字輸出通道和3路雙向I/O通道。?

　　(1)輸入部分 采用兩片8選1數(shù)據(jù)選擇器74LS151級聯(lián),并將NeuronC3150的IO0～IO3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～IO3作為16路輸入通道的地址選通信號,與74LS151的地址輸入端相連。IO4作為數(shù)字信號入口,與74LS151的輸出端連接。(具體電路如圖3)下面的NeuronC源程序可完成對16路數(shù)字通道的定時掃描,定時時間為1s:?

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??? IO_0 output nibble? io_mselect;//定義半字節(jié)輸出IO?

??? IO_4 input bit? io_tmp; ??? // 定義位輸入IO?

??? Stimer repeating t_circle=1 ;?? // 定義并初始化定時器?

??? 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?

??????? for(i=0;i<16;i++)?

??????? { io_out(io_mselect,I_num) // 寫通道號?

???? ?? 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,輸出部分由兩片8位移位寄存器74LS164和兩片74LS373鎖存器組成。164的功能是將NeuronC I/O口的15位串行幀輸出轉(zhuǎn)化為15路并行信號輸出。373鎖存器的作用是使164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,在時序上需要使兩片373嚴格同步。因此在硬件上增加了非門和RC電路,對兩片373的使能信號加以協(xié)調(diào)。通過實驗,證明此電路能夠完全滿足設(shè)計要求。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輸出時鐘信號,IO9輸出串行數(shù)據(jù)。IO7定義為Bit Output方式,即位輸出方式,作為164的清零端。?

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　　(3)雙向I/O部分? 為了使用戶對此智能節(jié)點的二次開發(fā)更為靈活、方便,我們在多點數(shù)字模塊上設(shè)計了三個雙向I/O口(IO5、IO6、IO10)。用戶可根據(jù)自己的需要,利用模塊上的撥動開關(guān)進行輸入、輸出切換。?

　　需要注意的是,為了提高智能節(jié)點的抗干擾能力,在輸入、輸出電路中均采用了光電耦合器進行電氣隔離。特別在輸出端加入了三極管功率放大電路以便驅(qū)動外部繼電器。?

　　水電廠中的水利機組控制系統(tǒng)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、主閥開關(guān)、冷卻水泵、勵磁投入信號、鎖錠控制等。因此,系統(tǒng)對I/O口的需求量較大,傳統(tǒng)的智能節(jié)點遠遠不能滿足要求。而我們通過對多點I/O智能節(jié)點的開發(fā),成功地研制出WSTA2000小型水利機組綜合自動化裝置。此裝置已在水電廠中投入使用,運行情況良好。?

參考文獻?

1 王錦標.現(xiàn)場總線綜述. 冶金自動化,1998(6):1?

2 NodeBuilder User’s Guide (Revision 3). Echelon Corporation, 078-0141-01C?

3 Neuron Chip Data Book. February,1995?

4 Neuron C Reference Guide (Revision 2). Echelon Corporation, 078-0141-01B?