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劉  波，王睿杰

1  前言
LonWorks現場總線（簡稱LON總線）是美國Echelon公司推出的局部操作網絡，為集散式監控系統提供了很強的實現手段。成為當今流行的現場總線技術之一。現在的測控系統中，連接在現場總線網絡上的每一個節點，即傳感器、變送器、執行器等都不再是單功能的傳統儀表，而是具有數據采集、轉換、控制、計算、報警、診斷及數字通訊等功能的智能化設備（智能節點）。連接在網絡上的各種智能現場設備共享總線信道，進行數據和信息交換，相互協調工作，組成一個完整的現場總線控制系統。LON總線技術使用開放式的通信協議LonTalk，為設備之間交換控制狀態信息建立了一個通用標準。并在硬件芯片的支持下，實現了實時性和接口的直觀、簡潔的現場總線的應用要求。在LON總線技術中所有節點都包括一個用以實現通信管理、輸入、輸出和控制等功能的神經元芯片（Neuron Chip）――LON總線技術的核心。它不僅是LON總線的通信處理器，也是數據采集和控制的通用處理器。LON總線技術中所有網絡的操作實際上都是通過它來完成的。因此，網絡中節點的設計是實現LON總線技術的一個關鍵所在。
2  節點的構成及功能
一個典型的現場總線控制節點主要是由神經元芯片、I/O接口單元、收發器等構成。每個節點依照固化在Neuron芯片中的LonTalk協議與網絡上其它節點通信。節點可以直接采用Neuron芯片作為通訊處理器和測控處理器，也可以采用基于Neuron芯片的Host Base節點、通信介質和通信協議。
(1)  以Neuron芯片為核心的控制節點
圖1為以Neuron芯片為核心的控制節點的結構框圖。神經元芯片是一組復雜的VLSI器件，通過獨特的硬件、固件相結合技術，使一個Neuron芯片幾乎包含一個現場節點的大部分功能，若加上收發器就可以構成一個典型的現場控制節點。

圖1  以Neuron芯片為核心的控制節點結構框圖

(2)  采用MIP結構的控制節點
圖2為Host Base結構的節點框圖。由于Neuron芯片是8位總線，目前只支持最高主頻是10 MHz，因此它能完成的功能也十分有限。對于一些復雜的控制，如帶有PID算法的單回路、多回路的控制就顯得力不從心，采用MIP結構是解決這一問題的好辦法，將Neuron芯片作為通信協處理器，用高級主機的資源來完成復雜的測控功能。

圖2  采用MIP結構的控制節點結構框圖

3  節點的設計原理
(1)  智能節點的硬件設計
智能節點的核心即Neuron芯片有11個雙向、可編程I/O口。可根據需求不同，靈活選擇接口方式，實現與外圍設備的接口。Neuron芯片有34個預編程的操作模式（即I/O對象），支持電平、脈沖、頻率等信號，可與各種傳感器配合實現各種參數的測量和控制。在實現I/O之前必須說明用以監控11個I/O管腳的I/O對象。說明一個I/O對象定義在哪個或哪幾個管腳上，將實現什么類型的I/O對象操作。當Neuron芯片復位時，芯片內的硬件按說明對I/O口作相應的配置。由于Neuron芯片的靈活接口方式使智能節點的各部分硬件電路較容易實現。圖3為智能節點的原理框圖，傳感器將被測參數轉換成電信號，經放大電路（主要由MAX494四運算放大器組成）放大送入MAX187A/D轉換器，轉換后的數字信號送入Neuron芯片。這里預定義的I/O對象是 Neurowire I/O對象和Touch I/O對象。Neurowire I/O對象主要用于傳送全同步串行數據，一次傳輸8位，先是最高位；Touch I/O對象主要用于與Dallas公司開發的單總線協議器件接口。

圖3  智能節點原理框圖

MAX187芯片的片選信號線接到已定義的Neuron位I/O對象IO-0，時鐘信號線接至Neurowire I/O對象中的時鐘輸出IO-8管腳，數據輸出線和Neurowire I/O對象中的數據輸入管腳IO-10相連。
溫度傳感器用于被測參數傳感器的溫度補償，采用Dallas公司的單總線數字溫度傳感器，如DS1820等器件來采集環境溫度，進行數字轉換，實現溫度補償。DS1820芯片采用一根數據線與Neuron芯片通信，接至Neuron芯片的IO-3。IO-3定義為Touch I/O對象，對于DS1820芯片工作時所需要的一系列初始化序列Touch I/O對象有相應的內部函數支持，使用起來非常方便。
Neuron芯片不僅具有控制功能，而且具有通信功能，它通過其固有的接口與外界通信。因此，智能節點可以向總線上發送測量及報警信息，收發器可以起到通信接口的作用。
(2)  智能節點的軟件設計
Neuron芯片的編程語言為Neuron C，專門為Neuron芯片而設計，并加入通信、事件調度、分布數據對象和I/O功能。它是編寫Neuron芯片程序的最為重要的工具。為了滿足Neuron芯片作為智能分布控制應用，Neuron C有自己擴展的功能。各項主要功能及應用如下：