Lon总线多点I/O智能节点的开发
摘要：介绍了智能节点在现场总线控制系统中的重要性，给出了扩展智能节点的I/O点数的方法和电路原理图以及采用该智能节点组建的基于Lonworks技术的现场总线控制设备的应用实例。
关键词：Lonworks智能节点I/O扩展
Lonworks现场总线由美国Echelon公司于1993年推出，由于其开放的网络操作系统、标准的网络通信协议、丰富的介质接口模板、支持多种介质之间相互通信等特点，在工业控制领域得到了广泛响应。目前已有多种支持Lonworks技术的芯片，Echelon公司的神经元芯片NeuronC31是一种集3个8位CPU及网络通信协议（LonTalk协议）为一体的芯片。采用该芯片构成的智能节点在Lonworks现场总线控制网络中起着举足轻重的作用，它能使现场设备之间相互通信，快速地交换信息，以满足系统实时监控的要求。但由于3150神经元芯片只提供11个通用I/O口，不能满足采集量和控制量要求较多的现场设备的要求，因此研究和开发基于神经元芯片的多点I/O的智能节点，是一项有意义的工作。
1NeuronC3150神经元芯片的特点
NeuronC芯片既是Lonworks技术的核心也是智能节点的核心，目前由Toshiba和Motorola两家公司生产，主要包括NeuronC3150和NeuronC3120两种系列。3150芯片中包括E2PROM和RAM存储器，同3120芯片区别在于它无内部ROM，但具有访问外部存储器的接口，寻址空间可达64Kbyte。从这一点来说，3150比3120在节点开发上具有更好的灵活性。3150芯片内部带有3个8位微处理器：一个用于链路层的控制，另一个用于网络层的控制，第三个用于执行用户的应用程序。该芯片还包含11个I/O口和完整的LonTalk通信协议，它同时具有通信和控制功能。
2基于神经元芯片智能节点的开发方法
基于神经元芯片开发的智能节点具有结构简单、成本低等优势，其开发方法可分为两种：（1）基于控制模块的硬件设计方法。采用这一方法的优势是可缩短产品的开发周期，因为控制模块通常都集成了神经元芯片、Flash程序存储器、收发器以及RAM等，用户只需设计自己的应用电路即可完成节点开发。（2）基于收发器的硬件电路设计方法。采用这一方法可以降低节点成本，提高节点的市场竞争力，但是这一方法需要在考虑应用电路设计的同时考虑神经元芯片与Flash存储器及RAM的接口电路，这对于电路板的设计加工及生产工艺的要求都较高。
3智能节点的电路设计
节点采用主、背板结构。主板上集成有控制电路、通信电路和其他附加电路，其结构图如图1。背板设计为两种多点I/O模块（包括多点数字I/O模块和多点模拟I/O模块）。主、背板之间采用统一标准的20针接口。采用主、背板结构设计法，使得此智能节点的应用领域更为广泛，适应性、通用性和功能都大大增强，对于节点应用程序的开发也更为灵活。
3.1主板电路设计
3.1.1控制电路
控制电路主要由神经元芯片，主背板接口电路和片外存储器等组成。各元器件功能如下：
（1）神经元芯片采用Toshiba公司生产的3150芯片，它主要用于提供对节点的控制、实施与Lon网的通信、支持对现场信息的输入输出等应用服务。
（2）片外存储器采用Atmel公司生产的AT29C256（FLASH存储器）。AT29C256共有32K字节的地址空间，其中低16K字节空间用来存放神经元芯片的固件（包括LonTalk协议等）。高16字节空间作为节点应用程序的存储区。采用ISSI公司生产的IS61C256作为神经元芯片的外部RAM.。
（3）主、背板接口电路用于主板与多点I/O模块的电气连接。
3.1.2通信电路
通信电路的核心——收发器是智能节点与Lon网之间的接口。目前，Echelon公司和其他开发商均提供了用于多种通信介质的收发器模块。本智能节点采用Echelon公司生产的适用于双绞线传输介质的FTT-10A收发器模块。
3.1.3附加电路
附加电路主要包括晶振电路、复位电路和Service电路等。
晶振电路为3150神经元芯片提供工作时钟。
复位电路用于在智能节点上电时产生复位操作。另外，节点还将一个低压中断设备与3150的Reset管脚相连，构成对神经元芯片的低压保护设计，提高节点的可靠性和稳定性。
Service电路是专为下载应用程序的电路，Service指示灯对诊断神经元芯片固件状态有指示作用。
3.2I/O扩展电路设计
3150神经元芯片包含11个通用口，用户可根据不同的需求进行灵活配置，以便于同外部设备进行接口。对于输入和输出（I/O）数量需求较大的外围设备，11个I/O口显然不能满足。虽然可以依靠增加节点数量来满足外围要求，但是这样做不仅成本价格高而且增加了安装的工作量，维护也不方便。因此，通过增加外围电路实现I/O扩展，成为多点I/O智能节点开发的重要部分。I/O扩展设计包括多点模拟模块设计和多点数字模块设计。
3.2.1多点模块模块设计
多点模拟模块主电路图如图2。TLC2543是支持SPI串行总线的11路模拟通道的12位逐次逼近型模/数转换器。CS（Pin15）片选信号端接IO0；DATAINPUT（Pin17）为串行数据输入，其中四位串行地址用来选择下一个被转换的模拟通道或测试电压寄存器；DATAOUTPUT（Pi 《Lon总线多点I/O智能节点的开发》
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关键词：Lonworks智能节点I/O扩展
Lonworks现场总线由美国Echelon公司于1993年推出，由于其开放的网络操作系统、标准的网络通信协议、丰富的介质接口模板、支持多种介质之间相互通信等特点，在工业控制领域得到了广泛响应。目前已有多种支持Lonworks技术的芯片，Echelon公司的神经元芯片NeuronC31是一种集3个8位CPU及网络通信协议（LonTalk协议）为一体的芯片。采用该芯片构成的智能节点在Lonworks现场总线控制网络中起着举足轻重的作用，它能使现场设备之间相互通信，快速地交换信息，以满足系统实时监控的要求。但由于3150神经元芯片只提供11个通用I/O口，不能满足采集量和控制量要求较多的现场设备的要求，因此研究和开发基于神经元芯片的多点I/O的智能节点，是一项有意义的工作。
1NeuronC3150神经元芯片的特点
NeuronC芯片既是Lonworks技术的核心也是智能节点的核心，目前由Toshiba和Motorola两家公司生产，主要包括NeuronC3150和NeuronC3120两种系列。3150芯片中包括E2PROM和RAM存储器，同3120芯片区别在于它无内部ROM，但具有访问外部存储器的接口，寻址空间可达64Kbyte。从这一点来说，3150比3120在节点开发上具有更好的灵活性。3150芯片内部带有3个8位微处理器：一个用于链路层的控制，另一个用于网络层的控制，第三个用于执行用户的应用程序。该芯片还包含11个I/O口和完整的LonTalk通信协议，它同时具有通信和控制功能。
2基于神经元芯片智能节点的开发方法
基于神经元芯片开发的智能节点具有结构简单、成本低等优势，其开发方法可分为两种：（1）基于控制模块的硬件设计方法。采用这一方法的优势是可缩短产品的开发周期，因为控制模块通常都集成了神经元芯片、Flash程序存储器、收发器以及RAM等，用户只需设计自己的应用电路即可完成节点开发。（2）基于收发器的硬件电路设计方法。采用这一方法可以降低节点成本，提高节点的市场竞争力，但是这一方法需要在考虑应用电路设计的同时考虑神经元芯片与Flash存储器及RAM的接口电路，这对于电路板的设计加工及生产工艺的要求都较高。
3智能节点的电路设计
节点采用主、背板结构。主板上集成有控制电路、通信电路和其他附加电路，其结构图如图1。背板设计为两种多点I/O模块（包括多点数字I/O模块和多点模拟I/O模块）。主、背板之间采用统一标准的20针接口。采用主、背板结构设计法，使得此智能节点的应用领域更为广泛，适应性、通用性和功能都大大增强，对于节点应用程序的开发也更为灵活。
3.1主板电路设计
3.1.1控制电路
控制电路主要由神经元芯片，主背板接口电路和片外存储器等组成。各元器件功能如下：
（1）神经元芯片采用Toshiba公司生产的3150芯片，它主要用于提供对节点的控制、实施与Lon网的通信、支持对现场信息的输入输出等应用服务。
（2）片外存储器采用Atmel公司生产的AT29C256（FLASH存储器）。AT29C256共有32K字节的地址空间，其中低16K字节空间用来存放神经元芯片的固件（包括LonTalk协议等）。高16字节空间作为节点应用程序的存储区。采用ISSI公司生产的IS61C256作为神经元芯片的外部RAM.。
（3）主、背板接口电路用于主板与多点I/O模块的电气连接。
3.1.2通信电路
通信电路的核心——收发器是智能节点与Lon网之间的接口。目前，Echelon公司和其他开发商均提供了用于多种通信介质的收发器模块。本智能节点采用Echelon公司生产的适用于双绞线传输介质的FTT-10A收发器模块。
3.1.3附加电路
附加电路主要包括晶振电路、复位电路和Service电路等。
晶振电路为3150神经元芯片提供工作时钟。
复位电路用于在智能节点上电时产生复位操作。另外，节点还将一个低压中断设备与3150的Reset管脚相连，构成对神经元芯片的低压保护设计，提高节点的可靠性和稳定性。
Service电路是专为下载应用程序的电路，Service指示灯对诊断神经元芯片固件状态有指示作用。
3.2I/O扩展电路设计
3150神经元芯片包含11个通用口，用户可根据不同的需求进行灵活配置，以便于同外部设备进行接口。对于输入和输出（I/O）数量需求较大的外围设备，11个I/O口显然不能满足。虽然可以依靠增加节点数量来满足外围要求，但是这样做不仅成本价格高而且增加了安装的工作量，维护也不方便。因此，通过增加外围电路实现I/O扩展，成为多点I/O智能节点开发的重要部分。I/O扩展设计包括多点模拟模块设计和多点数字模块设计。
3.2.1多点模块模块设计
多点模拟模块主电路图如图2。TLC2543是支持SPI串行总线的11路模拟通道的12位逐次逼近型模/数转换器。CS（Pin15）片选信号端接IO0；DATAINPUT（Pin17）为串行数据输入，其中四位串行地址用来选择下一个被转换的模拟通道或测试电压寄存器；DATAOUTPUT（Pi 《Lon总线多点I/O智能节点的开发》
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