基于AT89C2051单片机的VCN-MIO智能节点模板电路设计

基于具有三个CPU且固化了LonTalk通信协议的神经元（Neuron）芯片的智能节点模板，由于Neuron芯片是八位处理器,而且只提供了11个通用I/O口，并采用了基于事件巡检的软件调度机制，故其控制功能相对较弱,使它无法完成实时性高的多进程、多任务的并行处理，不能满足采集量和控制量要求较多的多现场设备管控的高要求，且性价比较低。要满足这种高要求，就要减少Neuron芯片在外部事件上的开销，让其充分发挥它在通讯组网上的优越性，能使现场设备之间快速地交换信息，满足系统实时监控的要求；而对于提高网络节点的测控能力，必须另择门路。嵌入控制功能强、物美价廉的单片机，专门完成多节点的智能测控，构成一种基于AT89C2051单片机的VCN-MIO（多I/O）智能节点模板，不失为一种上乘的较佳选择，本文介绍它的电路设计。

1.VCN-MIO智能节点模板的总体设计

VCN-MIO智能节点模板，以包含Neuron芯片在内的TP/FT-10F闪控模块和AT89C2051单片机为核心，采用标准的控制网络协议LonTalk，实现了真正的对等层点到点通信的分布式控制网络。其总体设计如图1所示。图中，A为8路AI、6路DO；B为网络、直流电压与交流源接口；C、D、E分别为扩充模块的I/O端口，其功能由扩充I/O模块定义，可以根据工程实际需求灵活配置。

图1 VCN-MIO智能节点模板总体设计

(*中国高等教育学会“十一五”教育科学规划课题（批准号：06AIP0090046）；江苏省教育科学“十一五”规划2006年度课题(立项编号:179); 山东省教育科学“十一五”规划2006年度课题(立项编号:115GG41); 黑龙江省教育科学“十一五”规划2006年度课题(批准编号:HGG027)；黑龙江省教育厅2006年科学技术研究计划项目（项目编号：11513037）；朱静(1966-),女，江苏淮安人，副教授，高工。研究方向：机电工程控制)

2．TP/FT-10F 主控核心模块电路设计

主控制模块提供了一种简单、有效的方法将LonWorks技术运用到任何控制系统中。本设计控制模块存储器采用 FLASH EPROM，它能够在掉电的情况下保证数据不丢失，同时在上电的情况下还能够对它进行可反复擦写1000次的数据写操作，在FLASH EPROM中，ATMEL公司的AT89C512 与MC143150 的时序配合最为合适，存储空间以64K为首选。收发器选用 FTT-10A，它在未加电时呈现高阻状态，不会影响网络通信。FTT-10A 与神经元芯片3150的接口电路如图2所示。

图2中，Cl 是静态放电电容，在需要的情况下，要尽可能耐高压，电容值偏小，如 1000pF；C2 是供电电源的解耦电容，通常选用0.1uF/5V解藕电容；C3、C4为DC模块电容，取值为22uF/50V；二极管为电容暂态限幅，保证收发器静态放电安全可靠，建议使用 IN4148或 BAV99。图3所示控制模块的左侧18插脚分别与神经元芯片的11个I/O、RESET、SERVICE、电源及接地引脚等直接相连，右侧6个插脚与图2的Net1、Net2直接相连。

图2 FTT-10A 与神经元芯片3150的接口电路

图3 TP/FT-10F控制模块结构图

3 VCN-MIO底板与扩展模块的电路设计

3.1单片机AT89C2051与神经元芯片MC143150的接口电路设计

底板的结构设计用来排列核心模块和扩展模块，并给各个扩展模块提供电源，同时底板又是一个8路AI/6路DO的基础板。核心模块和扩展模块、核心模块与底座的通信即神经元芯片与单片机AT89C2051芯片通信采用的是SPI方式，如图4所示，由于神经元芯片的IO口不多，故选用串行方式。SPI接口是一种同步全双工串行外围接口，突出优点是在使用最少的微控制器引脚的前提下，实现相对高速的短程通信。神经元芯片提供Neurowire对象实现SPI方式通信，IO8、IO9、IO10分别是同步时钟、数据输出、输入；IO0-IO7任意一个可作为片选。

图4单片机AT89C2051与神经元芯片MC143150的接口电路

3.2输入输出接口电路设计

数字量输出模块采用达林顿阵列ULN2003集电极开路输出，最大电压50V，最大吸收峰值电流500mA，最大压降1.2V。但ULN2003芯片功耗为:PD=（最大结温－工作温度）/73。

当最大结温取150℃，工作温度取40℃时，PD=1.5W，建议不要超过1W。由于每块达林顿阵列ULN2003用了5路，即每路0.2W，当平均压降取1V时，每路额定吸收电流则仅为200mA。输入可采用干触点输入或者电压输入。为了简化电路和电源，采用二极管隔离方式。干触点接通时要求接触电阻不大于500Ω，响应时间可达2ms，通过触点的电流不大于1mA；干触点断开时，触点的电压不大于5V，要求触点断开电阻不小于30KΩ。电压输入，高电平＋3V～+30V，低电平0～＋1V，脉冲响应时间可达2ms。数字量输入输