控制网

刘  波，王睿杰

1  前言
LonWorks现场总线（简称LON总线）是美国Echelon公司推出的局部操作网络，为集散式监控系统提供了很强的实现手段。成为当今流行的现场总线技术之一。现在的测控系统中，连接在现场总线网络上的每一个节点，即传感器、变送器、执行器等都不再是单功能的传统仪表，而是具有数据采集、转换、控制、计算、报警、诊断及数字通讯等功能的智能化设备（智能节点）。连接在网络上的各种智能现场设备共享总线信道，进行数据和信息交换，相互协调工作，组成一个完整的现场总线控制系统。LON总线技术使用开放式的通信协议LonTalk，为设备之间交换控制状态信息建立了一个通用标准。并在硬件芯片的支持下，实现了实时性和接口的直观、简洁的现场总线的应用要求。在LON总线技术中所有节点都包括一个用以实现通信管理、输入、输出和控制等功能的神经元芯片（Neuron Chip）――LON总线技术的核心。它不仅是LON总线的通信处理器，也是数据采集和控制的通用处理器。LON总线技术中所有网络的操作实际上都是通过它来完成的。因此，网络中节点的设计是实现LON总线技术的一个关键所在。
2  节点的构成及功能
一个典型的现场总线控制节点主要是由神经元芯片、I/O接口单元、收发器等构成。每个节点依照固化在Neuron芯片中的LonTalk协议与网络上其它节点通信。节点可以直接采用Neuron芯片作为通讯处理器和测控处理器，也可以采用基于Neuron芯片的Host Base节点、通信介质和通信协议。
(1)  以Neuron芯片为核心的控制节点
图1为以Neuron芯片为核心的控制节点的结构框图。神经元芯片是一组复杂的VLSI器件，通过独特的硬件、固件相结合技术，使一个Neuron芯片几乎包含一个现场节点的大部分功能，若加上收发器就可以构成一个典型的现场控制节点。

图1  以Neuron芯片为核心的控制节点结构框图

(2)  采用MIP结构的控制节点
图2为Host Base结构的节点框图。由于Neuron芯片是8位总线，目前只支持最高主频是10 MHz，因此它能完成的功能也十分有限。对于一些复杂的控制，如带有PID算法的单回路、多回路的控制就显得力不从心，采用MIP结构是解决这一问题的好办法，将Neuron芯片作为通信协处理器，用高级主机的资源来完成复杂的测控功能。

图2  采用MIP结构的控制节点结构框图

3  节点的设计原理
(1)  智能节点的硬件设计
智能节点的核心即Neuron芯片有11个双向、可编程I/O口。可根据需求不同，灵活选择接口方式，实现与外围设备的接口。Neuron芯片有34个预编程的操作模式（即I/O对象），支持电平、脉冲、频率等信号，可与各种传感器配合实现各种参数的测量和控制。在实现I/O之前必须说明用以监控11个I/O管脚的I/O对象。说明一个I/O对象定义在哪个或哪几个管脚上，将实现什么类型的I/O对象操作。当Neuron芯片复位时，芯片内的硬件按说明对I/O口作相应的配置。由于Neuron芯片的灵活接口方式使智能节点的各部分硬件电路较容易实现。图3为智能节点的原理框图，传感器将被测参数转换成电信号，经放大电路（主要由MAX494四运算放大器组成）放大送入MAX187A/D转换器，转换后的数字信号送入Neuron芯片。这里预定义的I/O对象是 Neurowire I/O对象和Touch I/O对象。Neurowire I/O对象主要用于传送全同步串行数据，一次传输8位，先是最高位；Touch I/O对象主要用于与Dallas公司开发的单总线协议器件接口。

图3  智能节点原理框图

MAX187芯片的片选信号线接到已定义的Neuron位I/O对象IO-0，时钟信号线接至Neurowire I/O对象中的时钟输出IO-8管脚，数据输出线和Neurowire I/O对象中的数据输入管脚IO-10相连。
温度传感器用于被测参数传感器的温度补偿，采用Dallas公司的单总线数字温度传感器，如DS1820等器件来采集环境温度，进行数字转换，实现温度补偿。DS1820芯片采用一根数据线与Neuron芯片通信，接至Neuron芯片的IO-3。IO-3定义为Touch I/O对象，对于DS1820芯片工作时所需要的一系列初始化序列Touch I/O对象有相应的内部函数支持，使用起来非常方便。
Neuron芯片不仅具有控制功能，而且具有通信功能，它通过其固有的接口与外界通信。因此，智能节点可以向总线上发送测量及报警信息，收发器可以起到通信接口的作用。
(2)  智能节点的软件设计
Neuron芯片的编程语言为Neuron C，专门为Neuron芯片而设计，并加入通信、事件调度、分布数据对象和I/O功能。它是编写Neuron芯片程序的最为重要的工具。为了满足Neuron芯片作为智能分布控制应用，Neuron C有自己扩展的功能。各项主要功能及应用如下：