【關鍵詞】現(xiàn)場總線,LonWorks,并行通信,神經(jīng)元芯片
【摘要】本文首先簡要地介紹了LonWorks現(xiàn)場總線技術以及LonWorks控制模塊,在此基礎上提出了一種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)。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)。