（海思技術(shù)部供稿）
一、引言
LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的核心Neuron神經(jīng)元芯片是一種集3個(gè)8位CPU及網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議（LonTalk協(xié)議）為一體的芯片。采用該芯片構(gòu)成的智能節(jié)點(diǎn)在LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)中能使現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間相互通信，快速地交換信息，以滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控的要求。由于Neuron神經(jīng)元芯片只提供了11個(gè)通用I/O口，這對(duì)于采集量和控制量要求較多的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備并不能滿足要求，因此開發(fā)基于神經(jīng)元芯片的RTU擴(kuò)展模塊智能節(jié)點(diǎn)很重要。
二、神經(jīng)元芯片介紹
Neuron芯片主要包括Neuron3150和 Neuron3120兩種系列。3150芯片中包括E2PROM、RAM存儲(chǔ)器，同3120芯片的區(qū)別在于它無內(nèi)部ROM，但具有訪問外部存儲(chǔ)器的接口，尋址空間可達(dá)64 KB。3150比3120在節(jié)點(diǎn)開發(fā)上具有更好的靈活性。3150芯片內(nèi)部帶有3個(gè)8位微處理器：1個(gè)用于鏈路層的控制，1個(gè)用于網(wǎng)絡(luò)層的控制，1個(gè)用于執(zhí)行用戶的應(yīng)用程序。該芯片還包含11個(gè)I/O口和完整的LonTalk通信協(xié)議，同時(shí)具有通信和控制功能。
三、基于神經(jīng)元芯片智能節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方案
基于神經(jīng)元芯片開發(fā)的智能節(jié)點(diǎn)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)勢(shì)，其開發(fā)方法可分為兩種。①基于控制模塊的硬件設(shè)計(jì)方法。采用這一方法的優(yōu)勢(shì)是可縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，因?yàn)榭刂颇K通常都集成了神經(jīng)元芯片、Flash程序存儲(chǔ)器、收發(fā)器以及RAM等，用戶只需設(shè)計(jì)自己的應(yīng)用電路即可完成節(jié)點(diǎn)開發(fā)。②基于收發(fā)器的硬件電路設(shè)計(jì)方法。采用這一方法可以降低節(jié)點(diǎn)成本，提高節(jié)點(diǎn)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，但是這需要在考慮應(yīng)用電路設(shè)計(jì)的同時(shí)考慮神經(jīng)元芯片與Flash存儲(chǔ)器及RAM的接口電路。
四、智能節(jié)點(diǎn)的電路設(shè)計(jì)
節(jié)點(diǎn)采用主、背板結(jié)構(gòu)。主板上集成有控制電路、通信電路和其它附加電路。智能節(jié)點(diǎn)主板結(jié)構(gòu)如圖1所示；背板設(shè)計(jì)為兩種多點(diǎn)I/O模塊（包括多點(diǎn)數(shù)字I/O模塊和多點(diǎn)模擬I/O模塊）；主、背板之間采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的20針接口。采用主、背板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)法，使得此智能節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用領(lǐng)域更為廣泛，適用性、通用性和功能都大大增強(qiáng)，對(duì)于節(jié)點(diǎn)應(yīng)用程序的開發(fā)也更為靈活。
1、主板電路設(shè)計(jì)
（1）控制電路
控制電路主要由神經(jīng)元芯片、片外存儲(chǔ)器和主背板接口電路等組成。各元器件功能如下。
①神經(jīng)元芯片。采用3150芯片，主要用于提供對(duì)節(jié)點(diǎn)的控制，實(shí)施與Lon網(wǎng)的通信，支持對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信息的輸入輸出等應(yīng)用服務(wù)。
② 片外存儲(chǔ)器。采用Atmel公司生產(chǎn)的AT29C256（Flash存儲(chǔ)器）。AT29C256共有32KB的地址空間，其中低16KB空間用來存放神經(jīng)元芯片的固件（包括LonTalk協(xié)議等）。高16KB空間作為節(jié)點(diǎn)應(yīng)用程序的存儲(chǔ)區(qū)。采用ISSI公司生產(chǎn)的IS61C256作為神經(jīng)元芯片的外部 RAM。
③主、背板接口電路。用于主板與多點(diǎn)I/O模塊的電氣連接。
（2） 通信電路
通信電路的核心——收發(fā)器是智能節(jié)點(diǎn)與Lon網(wǎng)之間的接口。本智能節(jié)點(diǎn)采用Echelon公司生產(chǎn)的適用于雙絞線傳輸介質(zhì)的FTT-10A收發(fā)器模塊。
（3）附加電路
附加電路主要包括晶振電路、復(fù)位電路和ServICe電路等。
①晶振電路。為3150神經(jīng)元芯片提供工作時(shí)鐘。
②復(fù)位電路。用于在智能節(jié)點(diǎn)上電時(shí)產(chǎn)生復(fù)位操作。另外，節(jié)點(diǎn)還將一個(gè)低壓中斷設(shè)備與3150的Reset引腳相連，構(gòu)成對(duì)神經(jīng)元芯片的低壓保護(hù)設(shè)計(jì)，提高節(jié)點(diǎn)的可靠性穩(wěn)定性。
③Service電路。專為下載應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。Service指示燈對(duì)診斷神經(jīng)元芯片固件狀態(tài)有指示作用。
2、 I/O擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)
3150 神經(jīng)元芯片包含11個(gè)通用口，用戶可根據(jù)不同的需求進(jìn)行靈活配置，以便于同外部設(shè)備進(jìn)行接口。但是對(duì)于輸入和輸出（I/O）數(shù)量需求較大的外圍設(shè)備，11 個(gè)I/O口顯然不能滿足。雖然可以依靠增加節(jié)點(diǎn)數(shù)量來滿足外圍需求，但是這樣做不僅成本價(jià)格高而且增加了安裝的工作量，維護(hù)也不方便。因此，通過增加外圍電路實(shí)現(xiàn)I/O擴(kuò)展，成為多點(diǎn)I/O智能節(jié)點(diǎn)開發(fā)的重要部分。I/O擴(kuò)展設(shè)計(jì)包括多點(diǎn)模擬模塊設(shè)計(jì)和多點(diǎn)數(shù)字模塊設(shè)計(jì)。具體擴(kuò)展方案實(shí)現(xiàn)如下。
（1）多點(diǎn)模擬模塊設(shè)計(jì)
多點(diǎn)模擬模塊主電路如圖2所示。TLC2543CN是支持SPI串行總線的11路模擬通道12位逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器。CS（PIN 15）片選信號(hào)端接IO0；DATA INPUT（pin 17）為串行數(shù)據(jù)輸入，其中4位串行地址用于選擇下一個(gè)被轉(zhuǎn)換的模擬通道或測(cè)試電壓寄存器；DATA OUTPUT（pin 16）輸出模數(shù)轉(zhuǎn)換的結(jié)果；CLK是維持A/D轉(zhuǎn)換正常工作的輸入輸出時(shí)鐘。值得注意的是，時(shí)鐘信號(hào)頻率較高，任何一點(diǎn)干擾都可能影響模塊的正常工作。在 CFLK上串聯(lián)或并聯(lián)一支電阻可以起到很明顯的抗干擾效果，保證A/D模塊的穩(wěn)定（本模塊中，CLK接IO8，DATA INPUT接IO9；DATA OUTPUT接IO10）。TLC2543還有一個(gè)特點(diǎn)；IO9輸入數(shù)據(jù)的同時(shí)，IO10輸出的是上一次A/D轉(zhuǎn)換的值，因此，在編寫NeuronC源程序時(shí)要注意A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)序。選用2只旁路電路：一只47 μF 電解電容，對(duì)低頻起濾波作用；另一只為0.1 μF ，對(duì)高頻起濾波作用。此A/D模塊沒有選用電壓基準(zhǔn)，故在A/D芯片的參考電壓邊上接了1只0.1 μF 電容，用以去除高頻干擾。
（2）多點(diǎn)數(shù)字模塊設(shè)計(jì)
多點(diǎn)數(shù)字模塊主要包括：輸入、輸出、雙向I/O三部分。通過擴(kuò)展，模塊具有16路數(shù)字輸入通道、15路數(shù)字輸出通道的3路雙向I/O通道。
① 輸入部分
2 片8選1數(shù)據(jù)選擇器——74LS151級(jí)聯(lián)，并將3150的IO0～IO3定義為Nibble Output方式，即半字節(jié)輸出方式；IO4定義為Bit Input方式，即位輸入方式。IO0～IO3作為16路輸入通道的地址選通信號(hào)，與74LS151的地址輸入端（STB、A、B、C引腳）相連。IO4 作為數(shù)字信號(hào)入口，與74LS151的選通輸入端連接，具體電路如圖3所示。下面的NeuronC源程序可完成對(duì)16路數(shù)字通道的定時(shí)掃描，定時(shí)時(shí)間為 1s；
IO_0 output nibble io_mselect; //定義半字節(jié)輸出I/O
IO_4 input bit io_tmp； //定義位輸入I/O
Stimer repeating t_circle=1； //定義并初始化定時(shí)器
When(timer_expires(t_circle))
{int i,bit I_num,temp[15]; //定義循環(huán)變量、通道狀態(tài)
//數(shù)組、初始化通道號(hào)
for(i=0;i<16;i++)
{io_out(io_mselect,I_num) //寫通道號(hào)
temp=(io_in(io_tmp)= =ON)?1:0)}}//讀通道狀態(tài)并存入狀態(tài)數(shù)組
② 輸出部分
如圖4所示，輸出部分由2片8位移位寄存器74LS164和2片74LS373鎖存器組成。
74LS164的功能是將NeuronC I/O口的15位串行幀輸出轉(zhuǎn)化為16路并行信號(hào)輸出。74LS373 鎖存器的作用是使74LS164的15路輸出在電平轉(zhuǎn)換后加以保持，直至下一次電平轉(zhuǎn)換。為了滿足15路并行輸出的要求，在時(shí)序上需要使2片 74LS373嚴(yán)格同步。因此，硬件上增加了非門和RC電路，對(duì)2片74LS373的使能信號(hào)加以協(xié)調(diào)。通過實(shí)驗(yàn)，證明此電路能夠完全滿足設(shè)計(jì)要求。在 NeuronC源程序中將IO8、IO9定義為Serial Output方式，即串行輸出方式。其中IO8輸出時(shí)鐘信號(hào)，IO9輸出串行數(shù)據(jù)。IO7定義為Bit Input方式，即位輸入方式，作為74LS164的清零端。
③ 雙向I/O部分
為了使用戶對(duì)此智能節(jié)點(diǎn)的二次開發(fā)更為靈活、方便，我們?cè)诙帱c(diǎn)數(shù)字模塊上設(shè)計(jì)了3個(gè)雙向I/O口（IO5、IO6、IO10）。用戶可根據(jù)自己的需要，利用模塊上的撥動(dòng)開關(guān)進(jìn)行輸入、輸出切換。
需要注意的是，為了提高智能節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力，在輸入、輸出電路中均采用了光電耦合器進(jìn)行電氣隔離。特別在輸出端加入了三極管功率放大電路以便于驅(qū)動(dòng)外部繼電路。
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