LonWorks总线多点I/O智能节点的开发

    摘要：叙述智能节点在现场总线控制系统中的重要性，提出扩展智能节点I/O点数的方法和电路原理图，并给出采用该智能节点组建的基于LonWorks技术的现场总线控制设备的应用实例。

    关键词：LonWorks 智能节点 I/O扩展

随着控制、计算机、通信、网络等技术的发展，现场总线已成为当今工业控制领域技术发展的热点之一。LonWorks现场总线由美国Echelon公司于1993年推出后，由于其开放的网络操作系统、标准的网络通信协议、丰富的介质接口模板、支持多种介质之间相互通信等特点，在工业控制领域得到了广泛应用。目前，已有多种支持LonWorks技术的芯片。Echelon公司的神经元芯片NeuronC3150（简称3150）是一种集3个8位CPU及网络通信协议（LonTalk协议）为一体的芯片。采用该芯片构成的智能节点在LonWorks现场总线控制网络中起着举足轻重的作用，能使现场设备之间相互通信，快速地交换信息，以满足系统实时监控的要求。但是，由于3150神经元芯片只提供了11个通用I/O口，这对于采集量和控制量要求较多的现场设备并不能满足要求，因此研究和开发基于神经元芯片的多点I/O智能节点，是一项有意义的工作。本文提出了扩展智能节点I/O数量的设计方法，并给出采用该智能节点组建基于LonWorks现场总线控制设备的应用实例。

1 Neur onC3150神经元芯片的特点

NeuronC芯片既是LonWorks技术的核心也是智能节点的核心，目前由Toshiba和Motorola两家公司生产，主要包括NeuronC3150和NeuronC3120两种系列。3150芯片中包括E2PROM、RAM存储器，同3120芯片的区别在于它无内部ROM，但具有访问外部存储器的接口，寻址空间可达64 KB。从这一点来说，3150比3120在节点开发上具有更好的灵活性。3150芯片内部带有3个8位微处理器：1个用于链路层的控制，1个用于网络层的控制，1个用于执行用户的应用程序。该芯片还包含11个I/O口和完整的LonTalk通信协议，同时具有通信和控制功能。

2 基于神经元芯片智能节点的开发方法

基于补经元芯片开发的智能节点具有结构简单、成本低等优势，其开发方法可分为两种。①基于控制模块的硬件设计方法。采用这一方法的优势是可缩短产品的开发周期，因为控制模块通常都集成了补经元芯片、；Flash程序存储器、收发器以及RAM等，用户只需设计自己的应用电路即可完成节点开发。②其于收发器的硬件电路设计方法。采用这一方法可以降低节点成本，提高节点的市场竞争力，但是这需要在考虑应用电路设计的同时考虑神经元芯片与Flash存储器及RAM的接口电路。这对于电路板的设计加工及生产工艺的要求都较高。

3 智能节点的电路设计

节点采用主、背板结构。主板上集成有控制电路、通信电路和其它附加电路。智能节点主板结构如图1所示；背板设计为两种多点I/O模块（包括多点数字I/O模块和多点模拟I/O模块）；主、背板之间采用统一标准的20针接口。采用主、背板结构设计法，使得此智能节点的应用领域更为广泛，适用性、通用性和功能都大大增强，对于节点应用程序的开发也更为灵活。

3.1 主板电路设计

3.1.1 控制电路

控制电路主要由神经元芯片、片外存储器和主背板接口电路等组成。各元器件功能如下。

①神经元芯片。采用Toshiba公司生产的3150芯片，主要用于提供对节点的控制，实施与Lon网的通信，支持对现场信息的输入输出等应用服务。

②片外存储器。采用Atmel公司生产的AT29C256（Flash存储器）。AT29C256共有32KB的地址空间，其中低16KB空间用来存放神经元芯片的固件（包括LonTalk协议等）。高16KB空间作为节点应用程序的存储区。采用ISSI公司生产的IS61C256作为神经元芯片的外部RAM。

③主、背板接口电路。用于主板与多点I/O模块的电气连接。

3.1.2 通信电路

通信电路的核心——收发器是智能节点与Lon网之间的接口。目前，Echelon公司和其他开发商均提供了用于多种通信介质的收发器模块。本智能节点采用Echelon公司生产的适用于双绞线传输介质的FTT-10A收发器模块。

3.1.3 附加电路

附加电路主要包括晶振电路、复位电路和Service电路等。

①晶振电路。为3150神经元芯片提供工作时钟。

②复位电路。用于在智能节点上电时产生复位操作。另外，节点还将一个低压中断设备与3150的Reset引脚相连，构成对神经元芯片的低压保护设计，提高节点的可靠性稳定性。

③Service电路。专为下载应用程序设计。Service指示灯对诊断神经元芯片固件状态有指示作用。

3.2 I/O扩展电路设计

3150神经元芯片包含11个通用口，用户可根据不同的需求进行灵活配置，以便于同外部设备进行接口。但是对于输入和输出（I/O）数量需求较大的外围设备，11个I/O口显然不能满足。虽然可以依靠增加节点数量来满足外围需求，但是这样做不仅成本价格高而且增加了安装的工作量，维护也不方便。因此，通过增加外围电路实现I/O扩展，成为多点I/O智能节点开发的重要部分。I/O扩展设计包括多点模拟模块设计和多点数字模块设计。具体扩展方案实现如下。

多点模拟模块主电路如图2所示。TLC2543CN是支持SPI串行总线的11路模拟通道12位逐次逼近型模数转换器。CS（pin 15）片选信号端接IO0；DATA INPUT（pin 17）为串行数据输入，其中4位串行地址用于选择下一个被转换的模拟通道或测试电压寄存器；DATA OUTPUT（pin 16）输出模数转换的结果；CLK是维持A/D转换正常工作的输入输出时钟。值得注意的是，时钟信号频率较高，任何一点干扰都可能影响模块的正常工作。在CFLK上串联或并联一支电阻可以起到很明显的抗干扰效果，保证A/D模块的稳定（本模块中，CLK接IO8，DATA INPUT接IO9；DATA OUTPUT接IO10）。TLC2543还有一个特点；IO9输入数据的同时，IO10输出的是上一次A/D转换的值，因此，在编写NeuronC源程序时要注意A/D转换的时序。选用2只旁路电路：一只47μF电解电容，对低频起滤波作用；另一只为0.1μF，对高频起滤波作用。此A/D模块没有选用电压基准，故在A/D芯片的参考电压边上接了1只0.1μF电容，用以去除高频干扰。

3.2.2 多点数字模块设计

多点数字模块主要包括：输入、输出、双向I/O三部分。通过扩展，模块具有16路数字输入通道、15路数字输出通道的3路双向I/O通道。

（1）输入部分

2片8选1数据选择器——74LS151级联，并将3150的IO0～IO3定义为Nibble Output方式，即半字节输出方式；IO4定义为Bit Input方式，即位输入方式。IO0～IO3作为16路输入通道的地址选通信号，与74LS151的地址输入端（STB、A、B、C引脚）相连。IO4作为数字信号入口，与74LS151的选通输入端连接，具体电路如图3所示。下面的NeuronC源程序可完成对16路数字通道的定时扫描，定时时间为1s；

IO_0 output nibble io_mselect; //定义半字节输出I/O

IO_4 input bit io_tmp； //定义位输入I/O

Stimer repeating t_circle=1； //定义并初始化定时器

When(timer_expires(t_circle))

{int i,bit I_num,temp[15]; //定义循环变量、通道状态

//数组、初始化通道号

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

{io_out(io_mselect,I_num) //写通道号

temp[i]=(io_in(io_tmp)= =ON)?1:0)}}//读通道状态并存入状态数组

（2）输出部分

如图4所示，输出部分由2片8位移位寄存器74LS164和2片74LS373锁存器组成。74LS164的功能是将NeuronC I/O口的15位串行帧输出转化为16路并行信号输出。74LS373锁存器的作用是使74LS164的15路输出在电平转换后加以保持，直至下一次电平转换。为了满足15路并行输出的要求，在时序上需要使2片74LS373严格同步。因此，硬件上增加了非门和RC电路，对2片74LS373的使能信号加以协调。通过实验，证明此电路能够完全满足设计要求。在NeuronC源程序中将IO8、IO9定义为Serial Output方式，即串行输出方式。其中IO8输出时钟信号，IO9输出串行数据。IO7定义为Bit Input方式，即位输入方式，作为74LS164的清零端。

（3）双向I/O部分

为了使用户对此智能节点的二次开发更为灵活、方便，我们在多点数字模块上设计了3个双向I/O口（IO5、IO6、IO10）。用户可根据自己的需要，利用模块上的拨动开关进行输入、输出切换。

需要注意的是，为了提高智能节点的抗干扰能力，在输入、输出电路中均采用了光电耦合器进行电气隔离。特别在输出端加入了三极管功率放大电路以便于驱动外部继电路。

4 应用实例

水电厂中的水利机组控制系统是一个极为复杂的系统。机组中有众多参量需要测量和控制（包括模拟量和数字量），如调速器开关、灭磁信号、主阀开关、冷却水泵、励磁投放信号、锁锭控制等等。因此，系统对I/O口的需求量较大，传统的智能节点远远不能满足要求。而我们通过对多点I/O智能节点的开发，成功地研制出WSTA2000小型水利机组综合自动化装置。此装置已在水电厂中投入使用，运行情况良好。