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基于雙口RAM的LonWorks智能通信節(jié)點設(shè)計
摘要：介紹一種基于雙口RAM的LonWorks現(xiàn)場總線智能通信節(jié)點的設(shè)計方法，并給出詳細(xì)的設(shè)計步驟、硬件及軟件實現(xiàn)。通過此LonWorks智能通信節(jié)點，能夠完成RS-232-C/RS-485標(biāo)準(zhǔn)與LonTalk協(xié)議間的轉(zhuǎn)換提供RS-232-C/RS-485網(wǎng)絡(luò)到LonWorks網(wǎng)絡(luò)的接口，因此，具有很高的應(yīng)用價值。
關(guān)鍵詞：現(xiàn)場總線 LonWorks 智能節(jié)點 神經(jīng)元芯片 雙口RAM
引言
LonWorks(Local Operating Networks，局部操作網(wǎng)絡(luò))總線是由美國Echelon公司推出的一種現(xiàn)場總線技術(shù)。由于LonWorks控制網(wǎng)絡(luò)的開放性、高速性和互操作性，它已廣泛用于工業(yè)、樓宇、家庭、辦公設(shè)備、交通運輸、能源等自動化領(lǐng)域。EIA RS-232-C/RS-485通信網(wǎng)絡(luò)在控制系統(tǒng)中應(yīng)用最為普及，許多設(shè)備大都只提供RS-232或RS-485/422接口，不能直接接入LonWorks網(wǎng)絡(luò)。因此，需要將現(xiàn)場LON網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)上的信息轉(zhuǎn)換為RS-232-C/RS-485標(biāo)準(zhǔn)的信號，或?qū)S-232-C/RS-485標(biāo)準(zhǔn)信號轉(zhuǎn)換為包含LonTalk協(xié)議的數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)間的數(shù)據(jù)傳輸，同時也為上位PC機(jī)、底層工作站提供轉(zhuǎn)換接口。本文所設(shè)計的LonWorks智能通信節(jié)點方便地與EIA RS-232-C/RS-485標(biāo)準(zhǔn)的串行I/O設(shè)備進(jìn)行通信，輕松實現(xiàn)現(xiàn)場節(jié)點與上位PC機(jī)或其它RS-232-C/RS-485控制設(shè)備之間的可靠、準(zhǔn)確、快捷數(shù)據(jù)傳遞。
1 LonWorks智能通信節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)
1.1 節(jié)點硬件電路設(shè)計
智能節(jié)點以Neuron神經(jīng)元處理器芯片為核心，其硬件電路還包括收發(fā)器、EEPROM、雙口RAM、譯碼電路和service電路等。以神經(jīng)元芯片構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)接口，由它通過LonTalk協(xié)議與網(wǎng)上的其它智能節(jié)點通信，并通過雙口RAM的訪問實現(xiàn)與其它網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換。節(jié)點中用雙口RAM充當(dāng)不同網(wǎng)絡(luò)通信過程中現(xiàn)場信息的接收、發(fā)送緩沖區(qū)，完成最近發(fā)送到達(dá)的交換數(shù)據(jù)的存儲轉(zhuǎn)發(fā)功能，緩解和避免系統(tǒng)緩存緊張和瓶頸的產(chǎn)生。用非易失性存儲器EEPROM存放LonTalk網(wǎng)絡(luò)協(xié)議固件、多任務(wù)調(diào)度程序、網(wǎng)絡(luò)適配器通信管理程序以及網(wǎng)絡(luò)配置信息等。節(jié)點的硬件組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。
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智能節(jié)點的基本結(jié)構(gòu)可分為兩部分：以Neuron 3150神經(jīng)元芯片主構(gòu)成的LonWorks現(xiàn)場總線一側(cè)，其基本功能是實現(xiàn)LON網(wǎng)絡(luò)上的智能節(jié)點功能；另一側(cè)是由單片機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成的串行通信接口，其功能是實現(xiàn)EIA RS-232-C/RS-485標(biāo)準(zhǔn)的串行通信。在這兩部分間采用了雙口RAM CY7C130芯片作為數(shù)據(jù)共享區(qū)。CY7C130通信接口電路的左端口與Neuron 3150芯片連接，右端口與8051單片機(jī)系統(tǒng)連接，如圖2所示。雙口RAM的兩端都有獨立的數(shù)據(jù)線、地址線和控制線，兩端都可對雙口RAM的任意單元進(jìn)行操作。只要兩端不同時對同一地址單元進(jìn)行操作就不會發(fā)生沖突。BUSY顯示本端口想要存取的地址正在被另一個端口操作，發(fā)生硬件沖突時，后操作一端的BUSY信號有效。
在應(yīng)用中分別對雙口RAM 1KB的存儲空間進(jìn)行定義，即CY7C130的同一存儲單元對于Neuron3150芯片及8051單片機(jī)系統(tǒng)各有一個地址，這樣兩個系統(tǒng)均能對其進(jìn)行存取操作。在智能節(jié)點中，Neuron3150芯片對1KB空間的地址為D000H～D3FFH。8051單片機(jī)系統(tǒng)對它的定義為0000H～03FFH。值得注意的是，CY7C130芯片3FFH和3FEH兩個單元被用作固定用途：當(dāng)左端Neuron3150芯片向3FFH單元寫入數(shù)據(jù)時，將產(chǎn)生中斷信號INTR；同理，當(dāng)右端8051單片機(jī)向3FEH單元寫入數(shù)據(jù)時，將產(chǎn)生中斷信號INTL。利用這兩個信號，可以將系統(tǒng)設(shè)置為中斷工作方式，達(dá)到節(jié)省通信時間的目的。由于雙向數(shù)據(jù)信息的交換，可以這樣來劃分雙口RAM存儲區(qū)間：000H～01FFH單元存入Neuron 3150芯片向8051傳送的信息，而200H～3FFH單元存放由8051向Neuron 3150發(fā)送的信息，并將同類但不同次的信息放在固定的存儲單元，每次都以新的數(shù)據(jù)覆蓋上次的數(shù)據(jù)。這樣就不必進(jìn)行標(biāo)志的判斷，只需要固定單元取數(shù)據(jù)就可以進(jìn)行處理，既節(jié)省時間，又安全可靠。
1.2 硬件的抗干擾
Lon Works設(shè)備往往工作在復(fù)雜的電磁環(huán)境中，其自身各部分與周圍其它電子設(shè)備之間，都不可避免地存在各種形式的電磁干擾和靜電放電。為了保證通信的準(zhǔn)確無誤，延長硬件使用壽命，該通信節(jié)點在設(shè)計上結(jié)合LonWorks電路自身特點，采用有關(guān)接地、屏蔽和濾波的適當(dāng)處理，有效減小了電磁干擾的影響。針對收發(fā)器FTT-10A，設(shè)計抗干擾電路時，應(yīng)主要圍繞印刷電路板上星形地結(jié)構(gòu)和火花隙的設(shè)計。對于靜電放電（ESD），在印刷電路板（PCB）設(shè)計中，采用火花放電隙，能夠削弱到達(dá)收發(fā)器和后續(xù)緩沖器電路的ESD能量，使用箝位二極管，能大大增強(qiáng)節(jié)點承受來自網(wǎng)絡(luò)連接端的ESD能力。對于電磁干擾，應(yīng)盡量保證強(qiáng)噪聲源（如DC/DC變換器、時鐘電路等）遠(yuǎn)離收發(fā)器FTT-10A。
2 LonWorks智能通信節(jié)點的軟件設(shè)計
在LON網(wǎng)程序設(shè)計中使用Neuron C語言。Neuron C是一種基于ANSI C且?guī)в芯W(wǎng)絡(luò)通信和高級硬件設(shè)備接口擴(kuò)展語句的高級不應(yīng)該。它增加了對I/O、事件處理、消息傳遞和分散數(shù)據(jù)目標(biāo)的支持，擴(kuò)充了包括軟件定時器、網(wǎng)絡(luò)變量、顯示消息、一個多任務(wù)調(diào)度程序以及其它各具特點的函數(shù)等。采用Neuron C語言開發(fā)的應(yīng)用程序，可直接在Lonbuilder神經(jīng)元仿真器上進(jìn)行調(diào)試，因此應(yīng)用程序的開發(fā)可獨立于硬件設(shè)計進(jìn)行。智能節(jié)點通信流程如圖3所示。
程序中，節(jié)點Neuron 3150側(cè)使用顯示報文通信，能有效實現(xiàn)智能節(jié)點與單片機(jī)進(jìn)行雙向通信的功能。用Neuron C語言進(jìn)行節(jié)點設(shè)計編程時，必須首先查詢IO_6和IO_7的內(nèi)容。定義兩個比特類型的輸入變量INTL和BUSYL，通過查詢這兩個變量的內(nèi)容來確定程序的運行流程。編程如下：
//*****包含文件*****
#include<string.h>
#include<control.h>
//*****公共變量聲明*****
#define Tlon_485 0xd000 //定義從LON網(wǎng)上所接收數(shù)據(jù)在雙口RAM存儲單元首址
#defin T485_lon 0xd0200 //定義從單片機(jī)側(cè)所接收數(shù)據(jù)在雙口RAM存儲單元首址
IO_6 input bit INTL;//定義IO_6,IO_7為比特類型的輸入變量
IO_7 input bit BUSYL;
Msg_tag tag_out1; //定義輸出消息標(biāo)簽
//****系統(tǒng)主程序********priority when(msg_arrives)//顯示網(wǎng)絡(luò)消息事件
{unsigned int *p; //存儲從LON網(wǎng)上接收的數(shù)據(jù)
int i;
p=(unsigned int*)(Tlon_485);
for(i=0;I<30;i++)
{*p=msg_in.data[i];
p++;
}
}
}
when(io_in(INTL)= =0)//當(dāng)單片機(jī)側(cè)有數(shù)據(jù)時申請中斷
{when(io_in(BUSYL)= =1)
{unsigned int*u;
int j;
u=(unsigned int*)(T485_lon);
msg_out.code=1;
msg_out.tag=tag_out1;
for(j=0;j<30;j++)
{msg_out.data[j]=*u;
u++;
}
msg_send();//向LON網(wǎng)其它相關(guān)節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)
}
}
圖3
3 結(jié)論
實際運用證明，該智能通信節(jié)點能實現(xiàn)與其它多種常規(guī)智能節(jié)點（如模擬量I/O節(jié)點、開關(guān)量I/O節(jié)點等）構(gòu)成現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了RS-232-C/RS-485到LonWorks網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)，保證了網(wǎng)絡(luò)接口的高速數(shù)據(jù)傳送。特別在當(dāng)前樓宇自動化DCS控制系統(tǒng)中，基于控制器串口的小型主從式RS-485控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)仍然應(yīng)用得相當(dāng)普遍。將Lonworks和RS-485兩種控制網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)集成，就可以充分發(fā)揮LonWorks技術(shù)在通信上的優(yōu)勢，構(gòu)成節(jié)點的主從式RS-485網(wǎng)絡(luò)的分級混合控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方案，因此有很高的推廣應(yīng)用價值。
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