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Lon總線多點I/O智能節點的開發
摘要：介紹了智能節點在現場總線控制系統中的重要性，給出了擴展智能節點的I/O點數的方法和電路原理圖以及采用該智能節點組建的基于Lonworks技術的現場總線控制設備的應用實例。關鍵詞：Lonworks智能節點I/O擴展
Lonworks現場總線由美國Echelon公司于1993年推出，由于其開放的網絡操作系統、標準的網絡通信協議、豐富的介質接口模板、支持多種介質之間相互通信等特點，在工業控制領域得到了廣泛響應。目前已有多種支持Lonworks技術的芯片，Echelon公司的神經元芯片NeuronC31是一種集3個8位CPU及網絡通信協議（LonTalk協議）為一體的芯片。采用該芯片構成的智能節點在Lonworks現場總線控制網絡中起著舉足輕重的作用，它能使現場設備之間相互通信，快速地交換信息，以滿足系統實時監控的要求。但由于3150神經元芯片只提供11個通用I/O口，不能滿足采集量和控制量要求較多的現場設備的要求，因此研究和開發基于神經元芯片的多點I/O的智能節點，是一項有意義的工作。
1NeuronC3150神經元芯片的特點
NeuronC芯片既是Lonworks技術的核心也是智能節點的核心，目前由Toshiba和Motorola兩家公司生產，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芯片區別在于它無內部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在節點開發上具有更好的靈活性。3150芯片內部帶有3個8位微處理器：一個用于鏈路層的控制，另一個用于網絡層的控制，第三個用于執行用戶的應用程序。該芯片還包含11個I/O口和完整的LonTalk通信協議，它同時具有通信和控制功能。
2基于神經元芯片智能節點的開發方法
基于神經元芯片開發的智能節點具有結構簡單、成本低等優勢，其開發方法可分為兩種：（1）基于控制模塊的硬件設計方法。采用這一方法的優勢是可縮短產品的開發周期，因為控制模塊通常都集成了神經元芯片、Flash程序存儲器、收發器以及RAM等，用戶只需設計自己的應用電路即可完成節點開發。（2）基于收發器的硬件電路設計方法。采用這一方法可以降低節點成本，提高節點的市場競爭力，但是這一方法需要在考慮應用電路設計的同時考慮神經元芯片與Flash存儲器及RAM的接口電路，這對于電路板的設計加工及生產工藝的要求都較高。
3智能節點的電路設計
節點采用主、背板結構。主板上集成有控制電路、通信電路和其他附加電路，其結構圖如圖1。背板設計為兩種多點I/O模塊（包括多點數字I/O模塊和多點模擬I/O模塊）。主、背板之間采用統一標準的20針接口。采用主、背板結構設計法，使得此智能節點的應用領域更為廣泛，適應性、通用性和功能都大大增強，對于節點應用程序的開發也更為靈活。
3.1主板電路設計
3.1.1控制電路
控制電路主要由神經元芯片，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）神經元芯片采用Toshiba公司生產的3150芯片，它主要用于提供對節點的控制、實施與Lon網的通信、支持對現場信息的輸入輸出等應用服務。
�。�2）片外存儲器采用Atmel公司生產的AT29C256（FLASH存儲器）。AT29C256共有32K字節的地址空間，其中低16K字節空間用來存放神經元芯片的固件（包括LonTalk協議等）。高16字節空間作為節點應用程序的存儲區。采用ISSI公司生產的IS61C256作為神經元芯片的外部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——收發器是智能節點與Lon網之間的接口。目前，Echelon公司和其他開發商均提供了用于多種通信介質的收發器模塊。本智能節點采用Echelon公司生產的適用于雙絞線傳輸介質的FTT-10A收發器模塊。
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神經元芯片提供工作時鐘。
復位電路用于在智能節點上電時產生復位操作。另外，節點還將一個低壓中斷設備與3150的Reset管腳相連，構成對神經元芯片的低壓保護設計，提高節點的可靠性和穩定性。
Service電路是專為下載應用程序的電路，Service指示燈對診斷神經元芯片固件狀態有指示作用。
3.2I/O擴展電路設計
3150神經元芯片包含11個通用口，用戶可根據不同的需求進行靈活配置，以便于同外部設備進行接口。對于輸入和輸出（I/O）數量需求較大的外圍設備，11個I/O口顯然不能滿足。雖然可以依靠增加節點數量來滿足外圍要求，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I/O擴展，成為多點I/O智能節點開發的重要部分。I/O擴展設計包括多點模擬模塊設計和多點數字模塊設計。
3.2.1多點模塊模塊設計
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/數轉換器。CS（Pin15）片選信號端接IO0；DATAINPUT（Pin17）為串行數據輸入，其中四位串行地址用來選擇下一個被轉換的模擬通道或測試電壓寄存器；DATAOUTPUT（Pin16）輸出模/數轉換的結果；CLK是維持模/數轉換正常工作的時鐘。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上串聯或并聯一支電阻可以起到明顯的抗干擾效果，保證模/數模塊的穩定。（本模塊中，CLK接IO8，DATAINPUT接IO9，DATAOUTPUT接IO10）。TLC2543還有一個特點：IO9輸入數據的同時，IO10輸出的是上一次模/數轉換的值，因此在編寫NeuronC源程序時要注意模/數轉換的時序。選通兩支旁路電路：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/數模塊沒有選用電壓基準，故在模/數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。
3.2.2多點數字模塊設計
多點數字模塊主要包括：輸入部分、輸出部分、雙向I/O三部分。通過擴展，模塊具16路數字輸入通道、15路數字輸出通道和3路雙向I/O通道。
�。�1）輸入部分采用兩片8選1數據選擇器74LS151級聯，并將NeuronC3150的IO0～IO3定義為NibbleOutput方式，即半字節輸出方式；IO4定義為BitInput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（E、A、B、C管腳）相連。IO4作為數字信號入口，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路數字通道的定時掃描，定時時間為1s：
IO_0outputnibbleio_mselect://定義半字節輸出IO
IO_4inputbitio_tmp;//定義位輸入IO
Stimerrepeatingt_circle=1;//定義并初始化定時器
When(timer_expires(t_circle))
{inti;bitI_num,temp[15];//定義循環變量通道狀態數組初始化通道號
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)}}//讀通道狀態并存入狀態數組
�。�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NeuronCI/O口的15位串行幀輸出轉化為15路并行信號輸出。373鎖存器的作用是使164的15路輸出在電平轉換后加以保持，直到下一次電平轉換。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的使能信號加以協調。通過實驗，證明此電路能夠完全滿足設計要求。在NeuronC源程序中將IO8、IO9定義為SerialOutput方式，即中行輸出方式。其中IO8輸出時鐘信號，IO9輸出串行數據。IO7定義為BitOutput方式，即位輸出方式，作為164的清零端。
�。�3）雙向I/O部分為了使用戶對此智能節點的二次開發更為靈活、方便，我們在多點數字模塊上設計了三個雙向I/O口（IO5、IO6、IO10）。用戶可根據自己需要，利用模塊上的撥動開關進行輸入、輸出切換。
需要注意的是，為了提高智能節點的抗干擾能力，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動外部繼電器。
水電廠中的水利機組控制系統中有眾多參量需要測量和控制（包括模擬和數字量），如調速器開關、滅磁信號、主閥開關、冷卻水泵、勵磁投入信號、鎖錠控制等。因此，系統對I/O口的需求量較大，傳統的智能節點遠遠不能滿足要求。而我們通過對多點I/O智能節點的開發，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。
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