現場總線系統是自動控制系統發展的一種趨勢。然而，當前還存在著大量基于各種非現場總線標準的設備，將這些設備全部更新成基于現場總線的設備幾乎是不可能或不現實的。因此，開發現有設備到現場總線的接口轉換設備，使現場總線技術與傳統的設備有機地結合起來，將非現場總線設備集成到LonWorks現場總線系統中，實現基于現場總線的控制系統，是一項非常有意義的工作。
本文的目的是將現場總線技術、非現場總線技術、智能控制技術和單片機技術各自的優勢有機地結合起來，設計一種既具有強大現場處理功能，又具有通信功能的智能控制節點。通過該智能控制節點，能夠將傳統儀器、設備掛接到LonWorks現場總線上，經LonWorks總線進行信息的傳輸與交換。
如GPIB接口是目前許多儀器的專用接口，通過GPIB總線控制儀器端，實現遠程控制。然而GPIB系統卻受到一些工作限制，如：①兩個設備之間最大距離4m，整個電纜的長度不得超過20m；②GPIB母線上最多可掛15個設備，這主要是受TTL接口收發器驅動能力限制。當測試系統有必要使用多于15個器件時，需在控制器上再添置一個GPIB接口，即可多拉一條母線，多掛14個設備。
本文以具有GPIB總線接口的設備為例，通過設計基于LON總線的智能節點，將基于GPIB總線接口的設備轉換成LonWorks現場總線設備，進而將空間位置上分散較遠的基于GPIB總線的儀器儀表資源通過LonWorks網絡有效聯系起來，實現儀器的較遠程控制和數據的分析、處理與資源共享。
智能節點的總體設計方案
LonWorks節點是同物理上與之相連的I/O設備交互作用并在網上使用LonTalk協議與其他節點相通信的對象。LonWorks現場控制節點包含：應用CPU、I/O處理單元、通信處理器、收發器和電源等。
LonWorks節點有兩種類型：
①以Neuron芯片為核心的控制節點，Neuron芯片直接作為通信處理器和測控處理器，這類節點適合于I/O設備較簡單，處理任務不復雜的系統。
②采用主處理器結構的控制節點，即Host Base節點，Neuron芯片只作為通信處理器，充當著LonWorks網的網絡接口，節點應用程序由主處理器（一般用微控制器）執行，這類節點適合于對處理能力、輸入/輸出能力要求較高的系統，如圖1所示。
圖1 LonWorks智能控制節點
本智能節點采用Host Base節點結構。通信協議處理器采用Neuron 3150芯片，該固件中帶有LonWorks網絡通信協議，該通信協議集成了ISO全部7層協議。節點采用網絡變量的形式發送和接收數據，通信速率可達78.125kbps，對于總線或環型拓撲網絡結構，最大通信距離可達2700m；對于星型或自由拓撲網絡結構，最大通信距離可達500m，滿足了遠程測控的需求。
本節點的最主要部分是主處理器，選用STC89C516RD+，它既要接收現場總線控制模塊并行發出的信息并且將它轉化成非現場總線設備能接收的信息格式，又要將非現場總線設備上的信息轉化傳送到現場總線控制模塊。它是實現LonWorks現場總線系統和非現場總線設備間通信的橋梁。
智能控制節點的總體結構如圖2所示，主要分為LonWorks控制模塊與主控制模塊及其外圍設備接口。
圖2 智能控制節點總體結構框圖
LonWorks控制模塊電路設計
本節點將神經元芯片、FLASH ROM、RAM和收發器等集成為一個通用模塊，稱之為LonControl控制模塊。以神經元芯片為核心的LonWorks控制模塊主要負責對LON通信網絡的管理以及與單片機的并行數據通信。
Neuron芯片3150選型
Neuron芯片是LonWorks技術的核心，每一個神經元芯片被賦予一個唯一的48位碼的標識，稱為標識碼。它既進行通信的管理，也同時具有輸入、輸出和控制的能力。介質訪問控制CPU處理LonTalk 7層協議的第1到第2層，包括驅動通信子系統硬件和執行MAC算法；網絡CPU處理LonTalk協議的第3到第6層，包括處理網絡變量尋址事務、權限證實、背景診斷、軟件計時器、網絡管理和路由等，同時還控制網絡通信端口、物理的發送和接收數據包；應用CPU執行用戶用Neuron C語言編寫的代碼以及用戶代碼調用的操作系統命令。芯片內有3個8位流水線作業的CPU，3個CPU分別通過片內的網絡緩存器和應用緩存器進行通信。
神經元芯片選用日本東芝公司生產的TMPN3150B1AF，通常為64腳QFP封裝。芯片內存儲器的地址范圍是E800H~FFFFH，包括2kByte的SRAM和512kByte的EEPROM。
神經元芯片外部存儲器擴展電路設計
TMPN3150有16根地址線，可尋址64k空間，可以外接存儲器，如RAM、ROM、EEPROM或FLASH。根據應用性能和成本要求，該智能節點的外部存儲器采用FLASH和RAM。FLASH ROM不僅能夠在斷電的情況下保證數據不丟失，而且在上電情況下可進行理論上高達10萬次的數據寫操作。
根據Echelon公司的推薦，這里選用Winbond的W29EE512P作為FLASH ROM擴展。W29EE512P是64k×8bit CMOS FLASH Memory，5V的電壓即可對其進行片上編程和擦除。W29EE512P含有4k個扇區，每個扇區為128字節，存儲空間總共為512kB。其中低字節空間用于存放神經元芯片的固件（包括LonTalk協議等），高字節空間作為節點應用程序的存儲區。
外部數據存儲器擴展用于存儲附加的應用程序讀/寫數據和作為附加的網絡緩沖區及應用程序緩沖存儲空間，SRAM采用HITACH公司生產的HM62256。HM62256含有512個扇區，每個扇區為64字節，總共存儲空間為32kB，設計時只使用了24kB。圖3為神經元芯片外部存儲器擴展電路。
圖3 神經元芯片外部存儲器擴展電路圖
收發器電路設計
收發器是智能節點與Lon網之間的接口。本設計選用ECHELON公司的FTT-10A自由拓撲雙絞線收發器，該收發器可以連接到任何基于Neuron芯片的控制系統，支持無極性自由拓撲總線安裝形式，它可支持星型、總線型和環型。自由拓撲結構能夠減少系統安裝時間、降低系統安裝成本。
FTT-10A收發器由一個隔離變壓器和一個集成的78kbps微分曼切斯特編碼收發器組成，收發器管腳與Neuron芯片的通信端口(CP)和時鐘線、+5V電源及雙絞線網絡線相連。FTT-10A收發器自動檢測輸入時鐘頻率是在5MHz、10MHz還是20MHz。當無電源供給時收發器輸出呈高阻狀態，當收發器電源下降時不會影響網絡通信。
FTT-10A收發器與神經元芯片的接口電路如圖4所示。C1是供電電源的解耦電容，選用“0.1uF，+5VDC”解耦電容；C2是靜態放電電容，電容值較小，要盡可能地耐高壓，選用1000pF、2kV電容，電路設計時，C2和PCB火花隙連在一起，可有效地防止收發器接入網絡瞬間發生的電壓“浪涌”現象；C3，C4為DC模塊電容，選用22uF、+50V的極性電容；D1~D4為瞬態箱位二極管，保證收發器放電安全可靠，通常選用BAV99或IN4148。
圖4 FTT-10A收發器與神經元芯片接口電路圖
時鐘電路設計
3150 Neuron芯片時鐘電路如圖5所示。在神經元芯片內有振蕩器，利用外接晶振可產生輸入時鐘。神經元芯片時鐘頻率范圍在625KHz~10MHz之間，有效的輸入時鐘頻率為：10MHz、5MHz、2.5MHz、1.25MHz和625KHz，時鐘頻率的精度必須為±1.5%或更高。本設計采用外接晶體振蕩器的方法來產生10MHz輸入時鐘。
圖5 時鐘信號產生電路圖
主控制模塊及其外圍設備接口電路設計
以單片機為核心的主控制模塊及其外圍設備接口電路主要負責與LonWorks控制模塊的并行數據交換、對外圍設備輸入輸出量的控制以及實現人機交互的鍵盤輸入和LCD顯示等。
電源與復位電路設計
考慮到設備的集中供電，本設計采用交流13.8V對每個節點或者設備供電。由于系統需要+5V電源，13.8V交流電通過整流橋3KBP06整流得到直流電，對其濾波后送往穩壓器件7805進行轉換，便可得到相應的穩定工作電壓。7805芯片雖然具有輸出穩定、溫度系數小、內含過流及短路保護等優點，但長時間工作時，往往會散發比較多的熱量，因此有必要在芯片的底槽上加固一散熱片以保護芯片長期穩定工作，圖6為電源電路原理圖。
圖6 電源電路原理圖
復位電路采用復位芯片STC708，它具有較寬范圍的用戶自定義門限電壓，具有上電復位、掉電復位和外部手動復位等功能，能進行電源穩壓塊前端掉電檢測，可實現高/低電平兩路復位信號輸出，圖7為復位電路圖。
圖7 復位電路圖
STC89C516RD+及存儲器擴展電路設計
主控制模塊單片機選用STC89C516RD+。STC89C516RD+是完全兼容8051內核的單片機，和8051單片機在指令級上兼容，12時鐘/機器周期和6時鐘/機器周期可反復設置。高達64k的用戶應用程序空間和1280字節的片上集成RAM，以及256Byte的內存，最高工作頻率可達40MHz，共有32根輸入輸出線、3個16位計時/計數器、8個中斷源和一個串行口。本節點采用外部振蕩器，其頻率為11.0592MHz。
由于系統在終端顯示、與外圍設備和Neuron芯片通信等都涉及大量的數據交換和操作，需要占用較大的RAM空間，同時也為了讓數據處理的速度更快，設計擴展了一片8k×8數據存儲器HM6264。STC89C516RD+的存儲器擴展電路如圖8所示。
圖8 STC89C516RD+存儲器擴展電路圖
人機交互接口電路設計
人機接口電路主要包括鍵盤和終端顯示等。
為了減少對單片機I/O口的占用，設計采用非編碼式2×4矩陣鍵盤。鍵盤電路原理如圖9所示，DIG0~3與SEGA、B接擴展芯片74LS373上。
圖9 鍵盤電路原理圖
本智能節點采用廈門OCULAR公司生產的GDM12864，該LCD模塊自帶漢字庫和常用字符，功能強大，操作簡單。它主要由行驅動器/列驅動器及128×64全點陣液晶顯示器組成，與CPU接口采用8位數據總線并行輸入輸出。
單片機與液晶控制模塊之間通過擴展一個鎖存器74LS373的訪問方式，使STC89C516RD+利用數據總線與控制信號控制GDM12864液晶顯示模塊。其中，數據口P0與液晶顯示模塊的數據口通過鎖存器相連，單片機的R/W作為液晶顯示模塊的讀、寫控制信號，液晶模塊的/RST與外部復位電路的復位端相連，液晶模塊的/CE信號端由P2.6進行片選控制，RS信號由單片機I/O口控制，高電平時為指令口地址，低電平時為數據口地址。電位器RW1用來調節顯示屏的亮度。液晶模塊與STC89C516RD+的電路連接如圖10所示。
單片機與神經元芯片通信電路設計
圖10 液晶模塊與STC89C516RD+電路連接圖
主副控制器之間采用并行I/O方式，STC89C516RD+利用數據總線和控制信號與LonWorks控制模塊進行通信，并根據控制模塊接口J2的引腳定義來設計相互之間的連接。單字節并行通信接口模塊由兩塊74HC574和一塊74HC74芯片組成，74HC574是帶三態輸出控制的8D觸發器，數據的輸入由CLK腳上升沿控制，數據的輸出由OC腳低電平選通。74HC74是帶預置端和清除端的雙D觸發器，接口電路中由于它的數據輸入端D接地、輸出清除端CD接正電源，所以其數據輸出端Q由CLK腳上升沿置低、由SD腳低電平置高。并行通信接口通過其對稱的兩個接口分別與要進行數據交換的A機（主控制模塊）和B機（LonWorks控制模塊）相連。主副控制器通信接口電路如圖11所示。
(a)主控制器J2接口電路
(b)LonWorks控制模塊J2接口電路
圖11 主副控制器通信接口電路圖
A機向B機發送單個數據的工作原理為：
①A機把數據輸出到數據總線D0~D7上；
②控制寫信號(WR)，即上升沿，把D0~D7上數據選通到U5中鎖存，同時使INTS變低，請求B機接收數據；
③B機收到INTS低電平請求信號后，控制IORS產生低電平，把U5中鎖存的數據選通輸出到數據總線BD0~BD7上，同時使INTS置高，釋放數據總線BD0~BD7；
④B機控制IOWS產生上升沿，使INTM變低，通知A機可以繼續發送數據；
⑤A機收到INTM低電平后，把RD置低，使INTM變高，消除請求信號；
⑥A機把RD置高，釋放數據總線D0~D7。
重復上述步驟，就能實現A機到B機的多個數據傳送。B機到A機的數據傳送的工作原理同上。
外圍設備接口電路設計
本節點設備端使用GPIB專用芯片TNT4882實現GPIB接口功能，TNT4882是美國NI公司的一款單芯片、高速、聽/講功能兼備的GPIB接口專用芯片。TNT4882芯片使用簡單靈活，可方便地連接各種8位和16位處理器，除了40MHz的時鐘外不需要其他任何外圍芯片即能直接與GPIB總線相連。TNT4882有三種不同的硬件接口模式：單片模式、Turbor+7210模式以及Turbor+9914模式，本設計采用單片模式。GPIB實現的硬件連接如圖12所示。
圖12 GPIB實現的硬件連接圖
智能節點的軟件設計
軟件的主要功能是通過單片機從GPIB總線獲取數據，并將數據送到LON網絡上相應節點，或將LON網絡傳送過來的數據發給單片機，經轉換后發送至GPIB總線。本節點中Neuron芯片需要完成與單片機之間的通信，同時作為與LonWorks網絡的通信處理器還需實現與底層各節點的數據交換。而主控制器單片機則主要完成與LonWorks控制模塊的并行通信、控制TNT4882芯片獲取GPIB總線上儀器儀表設備的數據以及外圍電路的驅動。在此主要介紹單片機與GPIB接口的軟件設計。
GPIB系統中各設備的工作速度可能相差懸殊，為了保證多線消息能雙向、異步、準確可靠地傳遞，GPIB母線中設置了三條握手線(DAV、NRFD和NDAC)。源方和受方之間利用三線握手技術以異步方式來進行數據傳送。由于本節點采用TNT4882實現GPIB數據的收發，因此對GPIB總線的控制只要對TNT4882進行控制即可，數據傳送過程可通過TNT4882芯片自行完成。單片機控制TNT4882對GPIB數據的收發有中斷方式、查詢方式和DMA方式。本文采用查詢方式來控制TNT4882實現對GPIB總線的控制，其工作流程如圖13所示。當初始化完成后，程序不斷地讀取TNT4882的狀態位判斷當前TNT4882所處的狀態，如果為聽者狀態，單片機接收數據，如果為講者狀態，單片機發送數據。
圖13 單片機控制TNT4882工作流程圖
結束語
本文以含GPIB接口總線的儀器儀表設備為例，設計了將GPIB總線上的儀器儀表設備接入LonWorks現場總線網絡的智能節點，給出了智能節點的總體設計方案；并對智能控制節點進行了詳細的硬軟件設計，給出了設計電路。