劉  波，王睿杰

1  前言
LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線（簡(jiǎn)稱LON總線）是美國(guó)Echelon公司推出的局部操作網(wǎng)絡(luò)，為集散式監(jiān)控系統(tǒng)提供了很強(qiáng)的實(shí)現(xiàn)手段。成為當(dāng)今流行的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)之一。現(xiàn)在的測(cè)控系統(tǒng)中，連接在現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)上的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)，即傳感器、變送器、執(zhí)行器等都不再是單功能的傳統(tǒng)儀表，而是具有數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換、控制、計(jì)算、報(bào)警、診斷及數(shù)字通訊等功能的智能化設(shè)備（智能節(jié)點(diǎn)）。連接在網(wǎng)絡(luò)上的各種智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備共享總線信道，進(jìn)行數(shù)據(jù)和信息交換，相互協(xié)調(diào)工作，組成一個(gè)完整的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)。LON總線技術(shù)使用開放式的通信協(xié)議LonTalk，為設(shè)備之間交換控制狀態(tài)信息建立了一個(gè)通用標(biāo)準(zhǔn)。并在硬件芯片的支持下，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)性和接口的直觀、簡(jiǎn)潔的現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用要求。在LON總線技術(shù)中所有節(jié)點(diǎn)都包括一個(gè)用以實(shí)現(xiàn)通信管理、輸入、輸出和控制等功能的神經(jīng)元芯片（Neuron Chip）――LON總線技術(shù)的核心。它不僅是LON總線的通信處理器，也是數(shù)據(jù)采集和控制的通用處理器。LON總線技術(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(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)LON總線技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵所在。
2  節(jié)點(diǎn)的構(gòu)成及功能
一個(gè)典型的現(xiàn)場(chǎng)總線控制節(jié)點(diǎn)主要是由神經(jīng)元芯片、I/O接口單元、收發(fā)器等構(gòu)成。每個(gè)節(jié)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(jié)點(diǎn)通信。節(jié)點(diǎn)可以直接采用Neuron芯片作為通訊處理器和測(cè)控處理器，也可以采用基于Neuron芯片的Host Base節(jié)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(jié)點(diǎn)
圖1為以Neuron芯片為核心的控制節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)框圖。神經(jīng)元芯片是一組復(fù)雜的VLSI器件，通過(guò)獨(dú)特的硬件、固件相結(jié)合技術(shù)，使一個(gè)Neuron芯片幾乎包含一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)的大部分功能，若加上收發(fā)器就可以構(gòu)成一個(gè)典型的現(xiàn)場(chǎng)控制節(jié)點(diǎn)。

圖1  以Neuron芯片為核心的控制節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖

(2)  采用MIP結(jié)構(gòu)的控制節(jié)點(diǎn)
圖2為Host Base結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)框圖。由于Neuron芯片是8位總線，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(duì)于一些復(fù)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(jié)構(gòu)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(jí)主機(jī)的資源來(lái)完成復(fù)雜的測(cè)控功能。

圖2  采用MIP結(jié)構(gòu)的控制節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖

3  節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)原理
(1)  智能節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)
智能節(jié)點(diǎn)的核心即Neuron芯片有11個(gè)雙向、可編程I/O口。可根據(jù)需求不同，靈活選擇接口方式，實(shí)現(xiàn)與外圍設(shè)備的接口。Neuron芯片有34個(gè)預(yù)編程的操作模式（即I/O對(duì)象），支持電平、脈沖、頻率等信號(hào)，可與各種傳感器配合實(shí)現(xiàn)各種參數(shù)的測(cè)量和控制。在實(shí)現(xiàn)I/O之前必須說(shuō)明用以監(jiān)控11個(gè)I/O管腳的I/O對(duì)象。說(shuō)明一個(gè)I/O對(duì)象定義在哪個(gè)或哪幾個(gè)管腳上，將實(shí)現(xiàn)什么類型的I/O對(duì)象操作。當(dāng)Neuron芯片復(fù)位時(shí)，芯片內(nèi)的硬件按說(shuō)明對(duì)I/O口作相應(yīng)的配置。由于Neuron芯片的靈活接口方式使智能節(jié)點(diǎn)的各部分硬件電路較容易實(shí)現(xiàn)。圖3為智能節(jié)點(diǎn)的原理框圖，傳感器將被測(cè)參數(shù)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)放大電路（主要由MAX494四運(yùn)算放大器組成）放大送入MAX187A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)送入Neuron芯片。這里預(yù)定義的I/O對(duì)象是 Neurowire I/O對(duì)象和Touch I/O對(duì)象。Neurowire I/O對(duì)象主要用于傳送全同步串行數(shù)據(jù)，一次傳輸8位，先是最高位；Touch I/O對(duì)象主要用于與Dallas公司開發(fā)的單總線協(xié)議器件接口。

圖3  智能節(jié)點(diǎn)原理框圖

MAX187芯片的片選信號(hào)線接到已定義的Neuron位I/O對(duì)象IO-0，時(shí)鐘信號(hào)線接至Neurowire I/O對(duì)象中的時(shí)鐘輸出IO-8管腳，數(shù)據(jù)輸出線和Neurowire I/O對(duì)象中的數(shù)據(jù)輸入管腳IO-10相連。
溫度傳感器用于被測(cè)參數(shù)傳感器的溫度補(bǔ)償，采用Dallas公司的單總線數(shù)字溫度傳感器，如DS1820等器件來(lái)采集環(huán)境溫度，進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。DS1820芯片采用一根數(shù)據(jù)線與Neuron芯片通信，接至Neuron芯片的IO-3。IO-3定義為Touch I/O對(duì)象，對(duì)于DS1820芯片工作時(shí)所需要的一系列初始化序列Touch I/O對(duì)象有相應(yīng)的內(nèi)部函數(shù)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(jié)點(diǎn)可以向總線上發(fā)送測(cè)量及報(bào)警信息，收發(fā)器可以起到通信接口的作用。
(2)  智能節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)
Neuron芯片的編程語(yǔ)言為Neuron C，專門為Neuron芯片而設(shè)計(jì)，并加入通信、事件調(diào)度、分布數(shù)據(jù)對(duì)象和I/O功能。它是編寫Neuron芯片程序的最為重要的工具。為了滿足Neuron芯片作為智能分布控制應(yīng)用，Neuron C有自己擴(kuò)展的功能。各項(xiàng)主要功能及應(yīng)用如下：