Lonworks总线多点I/O智能节点的开发

Lonworks现场总线由美国Echelon公司于1993年推出,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响应。目前已有多种支持Lonworks技术的芯片,Echelon公司的神经元芯片NeuronC3150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,它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。但由于3150神经元芯片只提供11个通用I/O口,不能满足采集量和控制量要求较多的现场设备的要求,因此研究和开发基于神经元芯片的多点I/O的智能节点,是一项有意义的工作。

1 NeuronC3150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和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64Kbyte。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:一个用于链路层的控制,另一个用于网络层的控制,第三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,它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

　　基于神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神经元芯片、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)基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,但是这一方法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、通信电路和其他附加电路,其结构图如图1。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,适应性、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,主背板接口电路和片外存储器等组成。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,它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32K字节的地址空间,其中低16K字节空间用来存放神经元芯片的固件(包括LonTalk协议等)。高16字节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。

　　晶振电路为3150神经元芯片提供工作时钟。

　　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管脚相连,构成对神经元芯片的低压保护设计,提高节点的可靠性和稳定性。

　　Service电路是专为下载应用程序的电路,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。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要求,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。

3.2.1 多点模拟模块设计

多点模拟模块主电路图如图2。TLC2543是支持SPI串行总线的11路模拟通道的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,其中四位串行地址用来选择下一个