【關(guān)鍵詞】現(xiàn)場(chǎng)總線,LonWorks,并行通信,神經(jīng)元芯片

1 引 言　　
　　現(xiàn)場(chǎng)總線是在自動(dòng)化領(lǐng)域中出現(xiàn)的一種嶄新的控制技術(shù)，它以其全數(shù)字化、全分散式、全開(kāi)放性、互操作性以及開(kāi)放式的互連網(wǎng)絡(luò)等特點(diǎn)為傳統(tǒng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)帶來(lái)了革命性的變革，已成為未來(lái)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。在眾多流動(dòng)的現(xiàn)場(chǎng)總線中，由美國(guó)Echelon公司研制的LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線是唯一遵循了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO定義的開(kāi)放系統(tǒng)互連OSI全部7層模型的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，因其能充分滿足未來(lái)發(fā)展對(duì)測(cè)控網(wǎng)絡(luò)的要求，具有廣闊的應(yīng)用前景。Lon Works現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于其高性能低成本的網(wǎng)絡(luò)接口產(chǎn)品 、含3個(gè)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(kāi)發(fā)調(diào)試服務(wù)工具 。實(shí)現(xiàn)LonWorks技術(shù)的關(guān)鍵是LonWorks智能設(shè)備，即控制網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用開(kāi)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(jī)并行通信節(jié)點(diǎn)的組成原理及其設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。
2 原理
2.1 神經(jīng)元芯片
　　神經(jīng)元芯片是LonWorks技術(shù)的核心，它有3個(gè)CPU，每個(gè)CPU各自分工不同，如圖2—1所示。
       
　　CPU－1是介質(zhì)訪問(wèn)控制處理器，處理LonTalk協(xié)議的第一和第二層，包括驅(qū)動(dòng)通信子系統(tǒng)硬件和執(zhí)行MAC算法。CPU-2是網(wǎng)絡(luò)處理器，它實(shí)現(xiàn)LonLalk協(xié)議的第三到第六層，包括處理網(wǎng)絡(luò)變量、尋址、事件處理、軟件計(jì)時(shí)器、網(wǎng)絡(luò)管理和路由等，同時(shí)還控制網(wǎng)絡(luò)通信端口，發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包。CPU－3是應(yīng)用處理器，它執(zhí)行用戶的代碼以及用戶代碼調(diào)用的操作系統(tǒng)命令。CPU－1和CPU－2用共享存儲(chǔ)區(qū)中的網(wǎng)絡(luò)緩存區(qū)進(jìn)行通信。CPU－2和CPU－3用共享存儲(chǔ)區(qū)中的應(yīng)用緩存區(qū)進(jìn)行通信。在多數(shù)應(yīng)用中，編程采用Neuron C語(yǔ)言。
2.2 Lon Works節(jié)點(diǎn)與控制模塊
　　LonWorks網(wǎng)上的每個(gè)控制點(diǎn)，即LonWorks節(jié)點(diǎn)是和在物理上與之相連的現(xiàn)場(chǎng)I／O設(shè)備交互作用并在控制網(wǎng)絡(luò)中使用LonTalk協(xié)議與其他節(jié)點(diǎn)互相通信的一類對(duì)象。
    LonWorks網(wǎng)絡(luò)控制節(jié)點(diǎn)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(diǎn)適合于I／O設(shè)備簡(jiǎn)單 、處理任務(wù)不復(fù)雜的系統(tǒng)，稱為基于Neuron芯片的節(jié)點(diǎn)；而在圖2—2b中，Neuron芯片只作為通信處理器，充當(dāng)Lon－Works網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)接口，節(jié)點(diǎn)應(yīng)用程序由主處理器來(lái)執(zhí)行，此類MIP結(jié)構(gòu)的LonWorks節(jié)點(diǎn)適合于對(duì)I／O設(shè)備及處理任務(wù)要求較高的系統(tǒng)，稱為基于主機(jī)的節(jié)點(diǎn)，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(diǎn)都有一個(gè)電源、一片Neuron芯片用于通信和控制、一個(gè)I／O接口以及一個(gè)收發(fā)器負(fù)責(zé)將節(jié)點(diǎn)連接到LonWorks網(wǎng)絡(luò)。為了便于LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用，Echelon公司開(kāi)發(fā)出了多種型號(hào)的LonWorks控制模塊，將Neuron芯片、收發(fā)器以及存儲(chǔ)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(yīng)用設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)人員，使開(kāi)發(fā)人員將注意力更集中于控制系統(tǒng)的選擇、應(yīng)用和實(shí)現(xiàn)。
3 節(jié)點(diǎn)硬件的設(shè)計(jì)　　
　　LonWorks控制模塊與MCS－51單片機(jī)并行通信節(jié)點(diǎn)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(jī)的LonWorks節(jié)點(diǎn)。
        
　　圖3—1是其硬件電路原理圖。需要說(shuō)明的是：Neuron芯片提供有11個(gè)可編程的I／O引腳（IO_－0至IO_－10），它們可以配置為多達(dá)34種不同的應(yīng)用對(duì)象，從而借助于最小的外接電路實(shí)現(xiàn)靈活的輸入輸出功能。Neuron芯片的并行I／O對(duì)象需要使用全部11個(gè)引腳 ，其中IO_－0～I(xiàn)O_－7用于雙向數(shù)據(jù)線，IO_－8～I(xiàn)O_－10用于控制信號(hào)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(duì)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(jī)的LonWorks節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，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(jī)的地址空間，就像是兩個(gè)寄存器，一個(gè)是讀寫(xiě)數(shù)據(jù)寄存器（偶地址），另一個(gè)是只讀狀態(tài)寄存器（奇地址）。主機(jī)正是通過(guò)對(duì)這兩個(gè)寄存器的訪問(wèn)實(shí)現(xiàn)主機(jī)與Neuron芯片之間的數(shù)據(jù)并行傳輸?shù)?。在從B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(jī)與Neuron芯片的握手應(yīng)答；IO_－8則作為片選信號(hào)位；IO_－9作為讀寫(xiě)信號(hào)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(shè)備必須同步，無(wú)論MCS－51處理器和Neuron芯片哪一方復(fù)位，雙方都必須重新進(jìn)行同步，因此在MCS－51處理器和Neuron芯片復(fù)位電路的設(shè)計(jì)上應(yīng)遵循以下原則：要求雙方都能意識(shí)到對(duì)方的復(fù)位，MCS－51處理器的復(fù)位要觸發(fā)Neuron芯片的復(fù)位，這是通過(guò)直接控制（硬件連接）實(shí)現(xiàn)的；而Neuron芯片在由于某種原因引起復(fù)位時(shí)，會(huì)在其RESET端自動(dòng)產(chǎn)生低電平輸出，利用這一復(fù)位輸出信號(hào)，通過(guò)一個(gè)D觸發(fā)器以中斷方式來(lái)通知MCS－51處理器，以使MCS－51處理器作出相應(yīng)處理，這是通過(guò)中斷服務(wù)子程序?qū)崿F(xiàn)的。
4 節(jié)點(diǎn)軟件的設(shè)計(jì)　　
　　由于Neuron芯片內(nèi)裝有LonTalk通信協(xié)議固件，因此無(wú)論Neuron芯片并行I／O對(duì)象工作于何種方式下，對(duì)于Neuron芯片來(lái)說(shuō)，其實(shí)現(xiàn)軟件相對(duì)容易。故對(duì)于LonWorks控制模塊與MCS－51單片機(jī)的并行通信節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)，關(guān)鍵在于MCS－51單片機(jī)的軟件設(shè)計(jì)，這是因?yàn)镸CS－51處理器內(nèi)不含LonTalk通信協(xié)議固件，因此要實(shí)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(fù)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(duì)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(zhǎng)度是實(shí)際發(fā)送的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，不包括EOM，EOM是命令結(jié)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(guò)寫(xiě)該字節(jié)保持HS位為讀方可寫(xiě)的狀態(tài)以便傳遞令牌。令牌傳遞過(guò)程如圖4—2所示。
              
    為實(shí)現(xiàn)與并行I／O設(shè)備的通信并保證安全可靠，Neuron芯片由固件自動(dòng)執(zhí)行令牌傳遞協(xié)議，以防止總線沖突。在任何給定的時(shí)間內(nèi)，僅有一個(gè)設(shè)備擁有令牌。該令牌是一虛擬令牌，它決定著哪一設(shè)備擁有寫(xiě)總線權(quán)。若主機(jī)擁有令牌，它將有權(quán)將準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)發(fā)送給或?qū)⒘钆平唤oNeuron芯片，若Neuron芯片擁有令牌，它可將準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)發(fā)送給主機(jī)或交出令牌。因而令牌在主機(jī)與Neuron芯片之間以乒乓方式來(lái)回傳遞。
　　當(dāng)Neuron芯片復(fù)位后，MCS－51處理器將自動(dòng)獲得令牌并負(fù)責(zé)令牌的傳遞。Neuron芯片在任何復(fù)位的情況下都通過(guò)并行總線要求同步，其目的是為了防止Neuron芯片作出錯(cuò)誤的假定，比如錯(cuò)誤的傳送開(kāi)始或錯(cuò)誤的傳送數(shù)據(jù)，這將由Neuron芯片通過(guò)同步作用自動(dòng)結(jié)束。持有令牌的MCS－51處理器在任何時(shí)候應(yīng)用RESYNC命令可以初始化重新同步操作 。無(wú)論Neuron芯片和MCS－51處理器哪一方設(shè)備復(fù)位，都要求雙方必須重新同步，因此雙方都應(yīng)能意識(shí)到對(duì)方的復(fù)位，MCS－51處理器要監(jiān)視Neu－ron芯片的復(fù)位，且MCS－51處理器的復(fù)位要觸發(fā)Neuron芯片的復(fù)位。
　　HS位（即IO_－0）是主要的握手控制信號(hào)，用于控制實(shí)際數(shù)據(jù)的傳輸。在Neuron芯片并行I／O對(duì)象從B方式下，HS由Neuron芯片驅(qū)動(dòng)，它通知MCS－51處理器目前Neuron芯片是忙還是閑，當(dāng)Neuron芯片執(zhí)行一次讀寫(xiě)數(shù)據(jù)操作后，HS狀態(tài)位被置“0”，當(dāng)MCS－51處理器執(zhí)行一次讀寫(xiě)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?cè)摖顟B(tài)位，從而正確地啟動(dòng)自身的讀寫(xiě)操作。
    為了實(shí)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(shí)，還要注意的是要保證Neuron芯片一方保持令牌的時(shí)間不能超過(guò)Neuron芯片看門(mén)狗定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間，以防止Neuron芯片意外復(fù)位而導(dǎo)致通信失敗。
5 結(jié)束語(yǔ)　　
　　基于Neuron芯片的LonWorks控制網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，只能用于I／O及控制較簡(jiǎn)單的系統(tǒng)。對(duì)于工業(yè)應(yīng)用中I／O及控制較復(fù)雜的控制系統(tǒng)，往往要采用基于主要處理器的LonWorks網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。本文所設(shè)計(jì)的控制網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，其主處理器采用的是MCS－51系列單片機(jī)，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(dá)9600bps，目前該節(jié)點(diǎn)已經(jīng)應(yīng)用于智能小區(qū)安保控制系統(tǒng)。