劉  波，王睿杰

1  前言
LonWorks現場(chǎng)總線(xiàn)（簡(jiǎn)稱(chēng)LON總線(xiàn)）是美國Echelon公司推出的局部操作網(wǎng)絡(luò )，為集散式監控系統提供了很強的實(shí)現手段。成為當今流行的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)之一?，F在的測控系統中，連接在現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )上的每一個(gè)節點(diǎn)，即傳感器、變送器、執行器等都不再是單功能的傳統儀表，而是具有數據采集、轉換、控制、計算、報警、診斷及數字通訊等功能的智能化設備（智能節點(diǎn)）。連接在網(wǎng)絡(luò )上的各種智能現場(chǎng)設備共享總線(xiàn)信道，進(jìn)行數據和信息交換，相互協(xié)調工作，組成一個(gè)完整的現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統。LON總線(xiàn)技術(shù)使用開(kāi)放式的通信協(xié)議LonTalk，為設備之間交換控制狀態(tài)信息建立了一個(gè)通用標準。并在硬件芯片的支持下，實(shí)現了實(shí)時(shí)性和接口的直觀(guān)、簡(jiǎn)潔的現場(chǎng)總線(xiàn)的應用要求。在LON總線(xiàn)技術(shù)中所有節點(diǎn)都包括一個(gè)用以實(shí)現通信管理、輸入、輸出和控制等功能的神經(jīng)元芯片（Neuron Chip）――LON總線(xiàn)技術(shù)的核心。它不僅是LON總線(xiàn)的通信處理器，也是數據采集和控制的通用處理器。LON總線(xiàn)技術(shù)中所有網(wǎng)絡(luò )的操作實(shí)際上都是通過(guò)它來(lái)完成的。因此，網(wǎng)絡(luò )中節點(diǎn)的設計是實(shí)現LON總線(xiàn)技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵所在。
2  節點(diǎn)的構成及功能
一個(gè)典型的現場(chǎng)總線(xiàn)控制節點(diǎn)主要是由神經(jīng)元芯片、I/O接口單元、收發(fā)器等構成。每個(gè)節點(diǎn)依照固化在Neuron芯片中的LonTalk協(xié)議與網(wǎng)絡(luò )上其它節點(diǎn)通信。節點(diǎn)可以直接采用Neuron芯片作為通訊處理器和測控處理器，也可以采用基于Neuron芯片的Host Base節點(diǎn)、通信介質(zhì)和通信協(xié)議。
(1)  以Neuron芯片為核心的控制節點(diǎn)
圖1為以Neuron芯片為核心的控制節點(diǎn)的結構框圖。神經(jīng)元芯片是一組復雜的VLSI器件，通過(guò)獨特的硬件、固件相結合技術(shù)，使一個(gè)Neuron芯片幾乎包含一個(gè)現場(chǎng)節點(diǎn)的大部分功能，若加上收發(fā)器就可以構成一個(gè)典型的現場(chǎng)控制節點(diǎn)。

圖1  以Neuron芯片為核心的控制節點(diǎn)結構框圖

(2)  采用MIP結構的控制節點(diǎn)
圖2為Host Base結構的節點(diǎn)框圖。由于Neuron芯片是8位總線(xiàn)，目前只支持最高主頻是10 MHz，因此它能完成的功能也十分有限。對于一些復雜的控制，如帶有PID算法的單回路、多回路的控制就顯得力不從心，采用MIP結構是解決這一問(wèn)題的好辦法，將Neuron芯片作為通信協(xié)處理器，用高級主機的資源來(lái)完成復雜的測控功能。

圖2  采用MIP結構的控制節點(diǎn)結構框圖

3  節點(diǎn)的設計原理
(1)  智能節點(diǎn)的硬件設計
智能節點(diǎn)的核心即Neuron芯片有11個(gè)雙向、可編程I/O口?？筛鶕枨蟛煌?，靈活選擇接口方式，實(shí)現與外圍設備的接口。Neuron芯片有34個(gè)預編程的操作模式（即I/O對象），支持電平、脈沖、頻率等信號，可與各種傳感器配合實(shí)現各種參數的測量和控制。在實(shí)現I/O之前必須說(shuō)明用以監控11個(gè)I/O管腳的I/O對象。說(shuō)明一個(gè)I/O對象定義在哪個(gè)或哪幾個(gè)管腳上，將實(shí)現什么類(lèi)型的I/O對象操作。當Neuron芯片復位時(shí)，芯片內的硬件按說(shuō)明對I/O口作相應的配置。由于Neuron芯片的靈活接口方式使智能節點(diǎn)的各部分硬件電路較容易實(shí)現。圖3為智能節點(diǎn)的原理框圖，傳感器將被測參數轉換成電信號，經(jīng)放大電路（主要由MAX494四運算放大器組成）放大送入MAX187A/D轉換器，轉換后的數字信號送入Neuron芯片。這里預定義的I/O對象是 Neurowire I/O對象和Touch I/O對象。Neurowire I/O對象主要用于傳送全同步串行數據，一次傳輸8位，先是最高位；Touch I/O對象主要用于與Dallas公司開(kāi)發(fā)的單總線(xiàn)協(xié)議器件接口。

圖3  智能節點(diǎn)原理框圖

MAX187芯片的片選信號線(xiàn)接到已定義的Neuron位I/O對象IO-0，時(shí)鐘信號線(xiàn)接至Neurowire I/O對象中的時(shí)鐘輸出IO-8管腳，數據輸出線(xiàn)和Neurowire I/O對象中的數據輸入管腳IO-10相連。
溫度傳感器用于被測參數傳感器的溫度補償，采用Dallas公司的單總線(xiàn)數字溫度傳感器，如DS1820等器件來(lái)采集環(huán)境溫度，進(jìn)行數字轉換，實(shí)現溫度補償。DS1820芯片采用一根數據線(xiàn)與Neuron芯片通信，接至Neuron芯片的IO-3。IO-3定義為T(mén)ouch I/O對象，對于DS1820芯片工作時(shí)所需要的一系列初始化序列Touch I/O對象有相應的內部函數支持，使用起來(lái)非常方便。
Neuron芯片不僅具有控制功能，而且具有通信功能，它通過(guò)其固有的接口與外界通信。因此，智能節點(diǎn)可以向總線(xiàn)上發(fā)送測量及報警信息，收發(fā)器可以起到通信接口的作用。
(2)  智能節點(diǎn)的軟件設計
Neuron芯片的編程語(yǔ)言為Neuron C，專(zhuān)門(mén)為Neuron芯片而設計，并加入通信、事件調度、分布數據對象和I/O功能。它是編寫(xiě)Neuron芯片程序的最為重要的工具。為了滿(mǎn)足Neuron芯片作為智能分布控制應用，Neuron C有自己擴展的功能。各項主要功能及應用如下：