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1. 引言
LonWorks網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)是近年來迅速發(fā)展起來的現(xiàn)場總線控制技術(shù)，其集計算機、網(wǎng)絡(luò)、控制于一體，集成了ISO/OSI的全部七層協(xié)議，同時具有通信和控制功能，并支持雙絞線、同軸電纜、電力線、射頻、紅外線、光纖等多種通訊媒介，且工作溫度范圍寬（-40℃～85℃），組網(wǎng)靈活，開放性好，已在工業(yè)、樓宇、運輸、能源等自動化領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。本文設(shè)計的智能節(jié)點就是運用LonWorks技術(shù)的種種優(yōu)勢在電力線上實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠、準確、快捷的傳輸。該方式節(jié)省了通訊線路的基建投資和日常的維護費用，也不占用日益緊張的頻率資源，具有一定的經(jīng)濟可行性，應(yīng)用前景十分廣泛。
2. 節(jié)點硬件設(shè)計
LonWorks技術(shù)是一種控制網(wǎng)絡(luò)層次上的技術(shù)，因此節(jié)點的開發(fā)離不開對網(wǎng)絡(luò)的整體考慮。根據(jù)控制策略的不同，節(jié)點的開發(fā)會有所不同。但對于一個控制網(wǎng)而言，不外乎由傳感器、執(zhí)行器、獲取和傳輸數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)、執(zhí)行控制邏輯的控制和程序等構(gòu)成。而對于組成網(wǎng)絡(luò)重要部分的節(jié)點而言，所完成的任務(wù)無非是獲取和傳輸數(shù)據(jù)，并根據(jù)所獲取的數(shù)據(jù)信息來執(zhí)行相應(yīng)的控制邏輯。因此，一個典型的LonWorks現(xiàn)場總線節(jié)點就是以神經(jīng)元芯片為核心，外加收發(fā)器，擴展內(nèi)存（只適用于3150芯片），外圍I/O電路，復(fù)位及服務(wù)電路和電源供應(yīng)電路等。其組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。
2.1神經(jīng)元芯片及內(nèi)存擴展
節(jié)點的核心——神經(jīng)元芯片（Neuron chip）是一個帶有多個處理器、讀寫/只讀存儲器（RAM和ROM）以及通信和I/O接口的單芯片系統(tǒng)。在每個神經(jīng)元芯片的ROM中包含一個能夠執(zhí)行LonTalk協(xié)議的神經(jīng)元芯片固件，節(jié)點就依照固件中的LonTalk協(xié)議與網(wǎng)絡(luò)上其它的節(jié)點進行通信。現(xiàn)在市場上的Neuron芯片主要分為3120與3150兩個系列，其中3150系列因可進行內(nèi)存擴展設(shè)計方便而廣為使用。東芝公司的Neuron 3150,其內(nèi)部只有512字節(jié)EEPROM和2KROM，現(xiàn)使用一片32K\8FLASH內(nèi)存芯片作為3150的全部擴展內(nèi)存。FLASH芯片的低16K裝入系統(tǒng)固件，并必須使用EPROM 編程器寫入。而其高16K用來裝入應(yīng)用代碼和數(shù)據(jù)。圖2給出內(nèi)存擴展電路。
2.2 收發(fā)器及服務(wù)、復(fù)位電路
電力線收發(fā)器PLT-22是美國Echelon公司為實現(xiàn)在電力線上進行數(shù)據(jù)傳輸而專門開發(fā)的調(diào)制解調(diào)芯片，其內(nèi)核為數(shù)字信號處理器（DSP），并采用了BPSK技術(shù)。PLT－22的數(shù)據(jù)傳輸采用雙頻模式，其中132.5KHz為主載，如果主頻被噪聲干擾，則會自動采用115KHz的付載頻傳輸數(shù)據(jù)，從而利用雙載波頻率的自動調(diào)整解決因斷續(xù)的噪聲干擾、阻抗變化和信號衰減等原因造成的電力線通信的惡劣情況。這一點對于在干擾源多、噪聲大的電網(wǎng)上進行數(shù)據(jù)傳輸尤為適用。
在LonWorks節(jié)點的配置、安裝和維護中，服務(wù)管腳發(fā)揮著不可小視的作用。作為輸出它驅(qū)動一個LED，當節(jié)點有故障時，LED可以通過顯示一定的信號給予提示。對于LED所給出的信號以及其所表示的狀態(tài)，常見的情況如下：
1.從上電起，若LED全亮或是全暗，則說明節(jié)點有硬件故障
2.在上電或復(fù)位時，若LED先亮后暗，然后持續(xù)亮，則可能是節(jié)點無應(yīng)用程序或是應(yīng)用程序和固件不匹配
3.LED閃動時，則意味著節(jié)點還沒有配置
對于一個節(jié)點而言，一個上電復(fù)位電路是必須的，此處用DS1233作為低壓保護器件LVI（Low Voltage Interrupt），并加了一個手動復(fù)位安鈕以便在網(wǎng)絡(luò)通信出現(xiàn)阻塞時用來復(fù)位。
2.3 外部I/O設(shè)備
Neuron芯片有11個雙向可編程I/O口、34種可選工作模式，支持電平、脈沖、頻率等信號，可與各種傳感器配合實現(xiàn)各種參數(shù)的測量和控制。其中包括串行I/O方式。數(shù)據(jù)速率可由軟件設(shè)置為600，1200，2400和4800bps，且其工作方式為半雙工。設(shè)計采用串行1200bps、半雙工的工作方式,其外部I/O設(shè)備分為顯示與溫度采集、轉(zhuǎn)換兩部分。
顯示部分：參考美國Echelon公司提出的典型節(jié)點設(shè)計選用MC14489B LED驅(qū)動芯片驅(qū)動四盞LED，Neuron芯片的IO3管腳作為MC14489的片選端口，IO8管腳為時鐘端口,IO9為控制字輸入端。圖3列出了顯示電路。
溫度采集、轉(zhuǎn)換部分：以LM35DZ用于溫度的采集，LM35DZ采集范圍是0~100度（攝氏度），每10mv/1度。A/D轉(zhuǎn)換采用MAX186 12位數(shù)據(jù)采集芯片。它集成了8通道多路開關(guān)、大帶寬跟蹤/保持電路和SPI串行接口，具有轉(zhuǎn)換速率高，功耗極低的特點。此器件可使用單一+5V電源或±5V電源進行工作，其模擬輸入可由軟件設(shè)置為單極性/雙極性和單端/差分工作方式�，F(xiàn)采用主控模式（neurowire master），即Neuron芯片的IO8管腳作為時鐘信號，IO6控制字輸出端口（Data in），IO10是控制字輸入端口（Data out）。 電路如圖4所示。
2.4 硬件抗干擾
Lon Works網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的工作現(xiàn)場往往是處在非常復(fù)雜的電磁環(huán)境中，節(jié)點各部分與周圍其它電子設(shè)備之間，都不可避免地存在各種形式的電磁干擾和靜電放電。為了保證通信的準確無誤，延長硬件使用壽命，該節(jié)點在設(shè)計上結(jié)合LonWorks電路自身特點，采用有關(guān)接地、屏蔽和濾波的適當處理，進而有效減小電磁干擾的影響。針對收發(fā)器PLT－22，設(shè)計時運用了一系列耦合電路，以隔離工頻電路。對于電磁干擾，盡量保證強噪聲源（如時鐘電路等）遠離收發(fā)器PLT－22。
3. 節(jié)點軟件設(shè)計
Neuron芯片中的軟件可以分為三個主要部分：系統(tǒng)映射（System Image）、應(yīng)用映射（Application Image）和網(wǎng)絡(luò)映射（Network Image）。系統(tǒng)映射包括Lontalk協(xié)議、NeuronC的應(yīng)用函數(shù)庫和任務(wù)調(diào)度程序（Task Scheduler）。在芯片3150中，系統(tǒng)映射儲存在擴展ROM中。因在芯片中，系統(tǒng)映射和網(wǎng)絡(luò)映射是由相應(yīng)的開發(fā)系統(tǒng)自動生成的。對開發(fā)人員而言，它們是隱性的，就可以使開發(fā)人員把主要的精力放在應(yīng)用程序的開發(fā)上，以減少系統(tǒng)開發(fā)的工作量。Neuron軟件的編寫采用的是一種專門為神經(jīng)元芯片設(shè)計的、基于標準C編程語言——Neuron C，其直接支持神經(jīng)元芯片的固件（Fireware），并具有一些新特點，如網(wǎng)絡(luò)變量（network variables）。
在節(jié)點的應(yīng)用程序中，網(wǎng)絡(luò)變量可由如下的語法聲明：
networkinput/output [netvar-modifier] [class] type [connection-info] identifie
當一個節(jié)點中的輸出網(wǎng)絡(luò)變量發(fā)生變化時，與其相聯(lián)的其他節(jié)點的所有輸入網(wǎng)絡(luò)變量也同時更新它們的值。這樣，節(jié)點與節(jié)點之間的通信就隱性的完成而不需要用戶的干預(yù)。網(wǎng)絡(luò)變量的使用大大簡化了分布式系統(tǒng)的開發(fā)工作。開發(fā)者不必考慮通信中信息緩存、節(jié)點尋址、請求、應(yīng)答、重試處理等一些低層次的細節(jié)工作。網(wǎng)絡(luò)變量的采用，使得網(wǎng)絡(luò)通信就像通常應(yīng)用程序調(diào)用其中的一個普通變量一樣，極大地方便了節(jié)點編程。此外在節(jié)點的應(yīng)用程序中，沒有C語言中常見的主函數(shù)（main function），而是由一種系列的when語句組成。When語句包含一個表達式，當其為TRUE時，則執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)，如下所示：
when （timer-expires（led timer））
{//Turnofftheend
io-out （ io-led，OFF）； }
在上面這個例子中，當時鐘led timer結(jié)束時，相應(yīng)的LED將被關(guān)閉。多個when語句可與單個任務(wù)相聯(lián)，但when語句不可嵌套。When語句可以設(shè)定優(yōu)先級，優(yōu)先級高的when語句優(yōu)先進行條件判斷。它們的邏輯控制是由任務(wù)調(diào)度器完成。
現(xiàn)借用Neuron 芯片與MAX186接口程序片段管窺Neuron C新特點：
IO8 neuron ware master select（IO4）MAX186；// IO8時鐘引腳，IO6數(shù)據(jù)輸出，IO10數(shù)據(jù)輸入；主模式，片選信號IO4 //
IO4 output bit MAX186-CS = 1；//選擇IO4為位輸出 //
when （ timer_expires (clock_1) ）;// 定時/計數(shù)器clock_ 1滿事件驅(qū)動 //
Io_out (MAX186_cs, 0) ; // 選中 MAX186 //
Io_out (MAX186,10001111) ;// 送MAX186控制字：通道0，單極性，單端輸入，外部時鐘模式 //
In_put = io_in（MAX18612，&in_put,16）;// 輸入轉(zhuǎn)換結(jié)果 //
Io_out (MAX186_cs,1) ; //MAX186cs無效，結(jié)束信號采集 //
系統(tǒng)程序流程圖如圖6所列。
4.結(jié)論
本文設(shè)計的節(jié)點實現(xiàn)了通過電力線對遠端節(jié)點現(xiàn)場溫度信息的監(jiān)視，并可在節(jié)點端進行本地溫度和遠端溫度的切換顯示。智能節(jié)點的開發(fā)設(shè)計是實現(xiàn)分散式智能控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，根據(jù)用戶的不同要求可以實現(xiàn)很多功能如防火、防盜、人體感應(yīng)、門禁等報警功能，形成網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控管理功能，實現(xiàn)家庭安防系統(tǒng)智能化，并能實現(xiàn)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)儀表智能化。
轉(zhuǎn)自：http://www.pinqiju.cn
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