【關鍵詞】現(xiàn)場總線,LonWorks,并行通信,神經(jīng)元芯片

1 引 言　　
　　現(xiàn)場總線是在自動化領域中出現(xiàn)的一種嶄新的控制技術，它以其全數(shù)字化、全分散式、全開放性、互操作性以及開放式的互連網(wǎng)絡等特點為傳統(tǒng)的自動控制系統(tǒng)帶來了革命性的變革，已成為未來控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。在眾多流動的現(xiàn)場總線中，由美國Echelon公司研制的LonWorks現(xiàn)場總線是唯一遵循了國際標準化組織ISO定義的開放系統(tǒng)互連OSI全部7層模型的現(xiàn)場總線標準，因其能充分滿足未來發(fā)展對測控網(wǎng)絡的要求，具有廣闊的應用前景。Lon Works現(xiàn)場總線技術的優(yōu)勢在于其高性能低成本的網(wǎng)絡接口產品 、含3個CPU的超大規(guī)模Neuron芯片、固化的LonTalk通信協(xié)議以及方便的開發(fā)調試服務工具 。實現(xiàn)LonWorks技術的關鍵是LonWorks智能設備，即控制網(wǎng)絡節(jié)點的應用開發(fā)。本文將著重討論并提出了一種LonWorks控制模塊與MCS－51單片機并行通信節(jié)點的組成原理及其設計與實現(xiàn)。
2 原理
2.1 神經(jīng)元芯片
　　神經(jīng)元芯片是LonWorks技術的核心，它有3個CPU，每個CPU各自分工不同，如圖2—1所示。
       
　　CPU－1是介質訪問控制處理器，處理LonTalk協(xié)議的第一和第二層，包括驅動通信子系統(tǒng)硬件和執(zhí)行MAC算法。CPU-2是網(wǎng)絡處理器，它實現(xiàn)LonLalk協(xié)議的第三到第六層，包括處理網(wǎng)絡變量、尋址、事件處理、軟件計時器、網(wǎng)絡管理和路由等，同時還控制網(wǎng)絡通信端口，發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包。CPU－3是應用處理器，它執(zhí)行用戶的代碼以及用戶代碼調用的操作系統(tǒng)命令。CPU－1和CPU－2用共享存儲區(qū)中的網(wǎng)絡緩存區(qū)進行通信。CPU－2和CPU－3用共享存儲區(qū)中的應用緩存區(qū)進行通信。在多數(shù)應用中，編程采用Neuron C語言。
2.2 Lon Works節(jié)點與控制模塊
　　LonWorks網(wǎng)上的每個控制點，即LonWorks節(jié)點是和在物理上與之相連的現(xiàn)場I／O設備交互作用并在控制網(wǎng)絡中使用LonTalk協(xié)議與其他節(jié)點互相通信的一類對象。
    LonWorks網(wǎng)絡控制節(jié)點有兩種類型。如圖2—2所示：
                  　　
    在圖2—2a中，Neuron芯片是唯一的處理器，此類LonWorks節(jié)點適合于I／O設備簡單 、處理任務不復雜的系統(tǒng)，稱為基于Neuron芯片的節(jié)點；而在圖2—2b中，Neuron芯片只作為通信處理器，充當Lon－Works網(wǎng)絡的網(wǎng)絡接口，節(jié)點應用程序由主處理器來執(zhí)行，此類MIP結構的LonWorks節(jié)點適合于對I／O設備及處理任務要求較高的系統(tǒng)，稱為基于主機的節(jié)點，其中的主處理器可以是任何微控制器或PC等。
　　不論哪種類型的LonWorks節(jié)點都有一個電源、一片Neuron芯片用于通信和控制、一個I／O接口以及一個收發(fā)器負責將節(jié)點連接到LonWorks網(wǎng)絡。為了便于LonWorks現(xiàn)場總線的應用，Echelon公司開發(fā)出了多種型號的LonWorks控制模塊，將Neuron芯片、收發(fā)器以及存儲器集成在一起，如圖中虛線框所示，極大地方便了LonWorks總線的應用設計開發(fā)人員，使開發(fā)人員將注意力更集中于控制系統(tǒng)的選擇、應用和實現(xiàn)。
3 節(jié)點硬件的設計　　
　　LonWorks控制模塊與MCS－51單片機并行通信節(jié)點的硬件電路原理示意圖如圖3—1所示，它屬于圖2—2b類基于主機的LonWorks節(jié)點。
        
　　圖3—1是其硬件電路原理圖。需要說明的是：Neuron芯片提供有11個可編程的I／O引腳（IO_－0至IO_－10），它們可以配置為多達34種不同的應用對象，從而借助于最小的外接電路實現(xiàn)靈活的輸入輸出功能。Neuron芯片的并行I／O對象需要使用全部11個引腳 ，其中IO_－0～IO_－7用于雙向數(shù)據(jù)線，IO_－8～IO_－10用于控制信號線，它有3種工作方式 ：即主方式（Master）、從A方式（Slave A）和從B方式（SlaveB）。對于要求建立Neuron芯片與微處理器或微控制器之間的連接，即建立基于主機的LonWorks節(jié)點來說，Neuron芯片的并行接口工作在從B方式是最佳的選擇。工作在從B方式的Neuron芯片，在主機的地址空間，就像是兩個寄存器，一個是讀寫數(shù)據(jù)寄存器（偶地址），另一個是只讀狀態(tài)寄存器（奇地址）。主機正是通過對這兩個寄存器的訪問實現(xiàn)主機與Neuron芯片之間的數(shù)據(jù)并行傳輸?shù)摹Ｔ趶腂方式下，IO_－0除作為數(shù)據(jù)低位外，還兼作握手HS位，用于主機與Neuron芯片的握手應答；IO_－8則作為片選信號位；IO_－9作為讀寫信號線；IO_－10作為寄存器尋址輸入位。另外，由于并行通信要求雙方設備必須同步，無論MCS－51處理器和Neuron芯片哪一方復位，雙方都必須重新進行同步，因此在MCS－51處理器和Neuron芯片復位電路的設計上應遵循以下原則：要求雙方都能意識到對方的復位，MCS－51處理器的復位要觸發(fā)Neuron芯片的復位，這是通過直接控制（硬件連接）實現(xiàn)的；而Neuron芯片在由于某種原因引起復位時，會在其RESET端自動產生低電平輸出，利用這一復位輸出信號，通過一個D觸發(fā)器以中斷方式來通知MCS－51處理器，以使MCS－51處理器作出相應處理，這是通過中斷服務子程序實現(xiàn)的。
4 節(jié)點軟件的設計　　
　　由于Neuron芯片內裝有LonTalk通信協(xié)議固件，因此無論Neuron芯片并行I／O對象工作于何種方式下，對于Neuron芯片來說，其實現(xiàn)軟件相對容易。故對于LonWorks控制模塊與MCS－51單片機的并行通信節(jié)點的實現(xiàn)，關鍵在于MCS－51單片機的軟件設計，這是因為MCS－51處理器內不含LonTalk通信協(xié)議固件，因此要實現(xiàn)與Neuron芯片的并行數(shù)據(jù)傳輸，MCS－51處理器這一方必須復制Neuron芯片的行為，即能執(zhí)行Neuron芯片的握手／令牌傳遞算法。Neuron芯片并行I／O對象的令牌命令字節(jié)格式描述如圖4—1所示。
                        
    上述每一命令的第一字節(jié)代表的是該命令類型，其中，CMD_－XFER＝0x01，CMD_－NULL＝0x00，CMD_－RESYNC＝0x5A，CMD_－ACKSYNC＝0x07，數(shù)據(jù)長度是實際發(fā)送的數(shù)據(jù)長度，不包括EOM，EOM是命令結束字節(jié)，可以為任意字節(jié)，它只被發(fā)送，接收方不讀該字節(jié)，主要是通過寫該字節(jié)保持HS位為讀方可寫的狀態(tài)以便傳遞令牌。令牌傳遞過程如圖4—2所示。
              
    為實現(xiàn)與并行I／O設備的通信并保證安全可靠，Neuron芯片由固件自動執(zhí)行令牌傳遞協(xié)議，以防止總線沖突。在任何給定的時間內，僅有一個設備擁有令牌。該令牌是一虛擬令牌，它決定著哪一設備擁有寫總線權。若主機擁有令牌，它將有權將準備好的數(shù)據(jù)發(fā)送給或將令牌交給Neuron芯片，若Neuron芯片擁有令牌，它可將準備好的數(shù)據(jù)發(fā)送給主機或交出令牌。因而令牌在主機與Neuron芯片之間以乒乓方式來回傳遞。
　　當Neuron芯片復位后，MCS－51處理器將自動獲得令牌并負責令牌的傳遞。Neuron芯片在任何復位的情況下都通過并行總線要求同步，其目的是為了防止Neuron芯片作出錯誤的假定，比如錯誤的傳送開始或錯誤的傳送數(shù)據(jù)，這將由Neuron芯片通過同步作用自動結束。持有令牌的MCS－51處理器在任何時候應用RESYNC命令可以初始化重新同步操作 。無論Neuron芯片和MCS－51處理器哪一方設備復位，都要求雙方必須重新同步，因此雙方都應能意識到對方的復位，MCS－51處理器要監(jiān)視Neu－ron芯片的復位，且MCS－51處理器的復位要觸發(fā)Neuron芯片的復位。
　　HS位（即IO_－0）是主要的握手控制信號，用于控制實際數(shù)據(jù)的傳輸。在Neuron芯片并行I／O對象從B方式下，HS由Neuron芯片驅動，它通知MCS－51處理器目前Neuron芯片是忙還是閑，當Neuron芯片執(zhí)行一次讀寫數(shù)據(jù)操作后，HS狀態(tài)位被置“0”，當MCS－51處理器執(zhí)行一次讀寫操作后，HS狀態(tài)位被置“1”，由于這是由硬件而非由固件控制的，因此，MCS－51處理器必須在程序中輪詢該狀態(tài)位，從而正確地啟動自身的讀寫操作。
    為了實現(xiàn)LonWorks控制模塊與MCS－51處理器的并行通信，MCS－51處理器這一方需要人為地完成Neuron芯片的握手／令牌傳遞協(xié)議，在編制程序時，還要注意的是要保證Neuron芯片一方保持令牌的時間不能超過Neuron芯片看門狗定時器的定時時間，以防止Neuron芯片意外復位而導致通信失敗。
5 結束語　　
　　基于Neuron芯片的LonWorks控制網(wǎng)絡節(jié)點，只能用于I／O及控制較簡單的系統(tǒng)。對于工業(yè)應用中I／O及控制較復雜的控制系統(tǒng)，往往要采用基于主要處理器的LonWorks網(wǎng)絡節(jié)點。本文所設計的控制網(wǎng)絡節(jié)點，其主處理器采用的是MCS－51系列單片機，主處理器與Neuron芯片之間采用的是并行雙向數(shù)據(jù)通信，其傳輸速率最高可達9600bps，目前該節(jié)點已經(jīng)應用于智能小區(qū)安保控制系統(tǒng)。