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基于雙口RAM的LonWorks智能通信節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
引言
LonWorks(Local Operating Networks，局部操作網(wǎng)絡(luò))總線是由美國(guó)Echelon公司推出的一種現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。由于LonWorks控制網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)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(yùn)輸、能源等自動(dòng)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(chǎng)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(hào)，或?qū)S-232-C/RS-485標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)轉(zhuǎn)換為包含LonTalk協(xié)議的數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)間的數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)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(jì)的LonWorks智能通信節(jié)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)
1.1 節(jié)點(diǎn)硬件電路設(shè)計(jì)
智能節(jié)點(diǎn)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(guò)LonTalk協(xié)議與網(wǎng)上的其它智能節(jié)點(diǎn)通信，并通過(guò)雙口RAM的訪問(wèn)實(shí)現(xiàn)與其它網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換。節(jié)點(diǎn)中用雙口RAM充當(dāng)不同網(wǎng)絡(luò)通信過(guò)程中現(xiàn)場(chǎng)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(chǔ)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(chǔ)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(diǎn)的硬件組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。
智能節(jié)點(diǎn)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(chǎng)總線一側(cè)，其基本功能是實(shí)現(xiàn)LON網(wǎng)絡(luò)上的智能節(jié)點(diǎn)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(shí)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(dú)立的數(shù)據(jù)線、地址線和控制線，兩端都可對(duì)雙口RAM的任意單元進(jìn)行操作。只要兩端不同時(shí)對(duì)同一地址單元進(jìn)行操作就不會(huì)發(fā)生沖突。BUSY顯示本端口想要存取的地址正在被另一個(gè)端口操作，發(fā)生硬件沖突時(shí)，后操作一端的BUSY信號(hào)有效。
在應(yīng)用中分別對(duì)雙口RAM 1KB的存儲(chǔ)空間進(jìn)行定義，即CY7C130的同一存儲(chǔ)單元對(duì)于Neuron3150芯片及8051單片機(jī)系統(tǒng)各有一個(gè)地址，這樣兩個(gè)系統(tǒng)均能對(duì)其進(jìn)行存取操作。在智能節(jié)點(diǎn)中，Neuron3150芯片對(duì)1KB空間的地址為D000H～D3FFH。8051單片機(jī)系統(tǒng)對(duì)它的定義為0000H～03FFH。值得注意的是，CY7C130芯片3FFH和3FEH兩個(gè)單元被用作固定用途：當(dāng)左端Neuron3150芯片向3FFH單元寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí)，將產(chǎn)生中斷信號(hào)INTR；同理，當(dāng)右端8051單片機(jī)向3FEH單元寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí)，將產(chǎn)生中斷信號(hào)INTL。利用這兩個(gè)信號(hào)，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(shí)間的目的。由于雙向數(shù)據(jù)信息的交換，可以這樣來(lái)劃分雙口RAM存儲(chǔ)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(lèi)但不同次的信息放在固定的存儲(chǔ)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(shí)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?chē)渌娮釉O(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(wú)誤，延長(zhǎng)硬件使用壽命，該通信節(jié)點(diǎn)在設(shè)計(jì)上結(jié)合LonWorks電路自身特點(diǎn)，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(duì)收發(fā)器FTT-10A，設(shè)計(jì)抗干擾電路時(shí)，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(jì)。對(duì)于靜電放電（ESD），在印刷電路板（PCB）設(shè)計(jì)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(diǎn)承受來(lái)自網(wǎng)絡(luò)連接端的ESD能力。對(duì)于電磁干擾，應(yīng)盡量保證強(qiáng)噪聲源（如DC/DC變換器、時(shí)鐘電路等）遠(yuǎn)離收發(fā)器FTT-10A。
2 LonWorks智能通信節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)
在LON網(wǎng)程序設(shè)計(jì)中使用Neuron C語(yǔ)言。Neuron C是一種基于ANSI C且?guī)в芯W(wǎng)絡(luò)通信和高級(jí)硬件設(shè)備接口擴(kuò)展語(yǔ)句的高級(jí)不應(yīng)該。它增加了對(duì)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(shí)器、網(wǎng)絡(luò)變量、顯示消息、一個(gè)多任務(wù)調(diào)度程序以及其它各具特點(diǎn)的函數(shù)等。采用Neuron C語(yǔ)言開(kāi)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(kāi)發(fā)可獨(dú)立于硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行。智能節(jié)點(diǎn)通信流程如圖3所示。
程序中，節(jié)點(diǎn)Neuron 3150側(cè)使用顯示報(bào)文通信，能有效實(shí)現(xiàn)智能節(jié)點(diǎn)與單片機(jī)進(jìn)行雙向通信的功能。用Neuron C語(yǔ)言進(jìn)行節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)編程時(shí)，必須首先查詢(xún)IO_6和IO_7的內(nèi)容。定義兩個(gè)比特類(lèi)型的輸入變量INTL和BUSYL，通過(guò)查詢(xún)這兩個(gè)變量的內(nèi)容來(lái)確定程序的運(yùn)行流程。編程如下：
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