基于lonworks现场总线技术节点开发和应用论文

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摘要现场总线技术是当今控制领域发展的热点之一，美国Echelon公司推出的LonWorks现场总线以其出色的开放性、互操作性，逐渐成为目前最具有竞争力的现场总线之一。实现LonWorks技术的关键在于开发LonWorks的网络控制节点。本文在分析、研究了以神经元芯片、LonTalk协议、Neuronc为核心的LonWorks总线技术基础上，开发出了一个通用的智能控制节点，并将其应用于实际控制系统。论文首先对所开发的LonWorks节点进行了全面而详细的介绍。该节点属于基于主机的节点类型，由包含神经元芯片的TP／FT-10F闪控模块和MSP430F149单片机构成。TP／FT-10F闪控模块作为一个总线协议处理器解决单片机与LonWorks网络间的连接问题，MsP430F149作为主处理器负责对现场设备的数据采集和处理。两者之间的通信采用神经元芯片的并行ParallelI／O对象的模式来实现。接着，将已开发出的LonWorks网络节点应用于智能建筑中的空调控制中，构成基于LonWorks总线的空调控制系统。根据该系统的结构以及控制要求，按照一台机组对应一个节点的原则，采用模块化的设计思想，设计了以MSP430F149单片机为核心的空调机组控制器。并且应用焓值、PID控制策略对空调系统实现了高效、节能的控制目的。最后，为便于对现场数据的监控，形成完整的网络测控系统，采用组态王监控软件设计了上位机的监控界面。在此，应用LNSDDEJ]臣务器和组态王的DDE(DynamicDataExchange)特性建立了组态王与LonWorks网络之间的动态数据链接，实现了对空调控制系统的上位机监控、管理以及维护。关键词LonWorks总线技术：空调控制系统；组态监控；并行通讯；神经元芯片；MSP430F149单片机 壅坐奎兰三兰堡主兰垡丝苎AbstractThefieldbustechnologyisoneofthefocusesofdevelopmentofcurrentcontrolledfield，ThelocaloperationnetworkLonWorksthatwasdevelopedbyAmericanEcheloncompany,becauseofitsoutstandingopening，interoperability,hasgraduallybecomeoneofthemostcompetitivefieldbusesatpresent．ThekeyofrealizingLonWorkstechnologyisthedevelopmentoftheCOntrolnetworknode．Atfirst，thethesishascarriedontheoverallanddetailedintroductionofthedevelopedLonWorksnode．Thisnodebelongstothenodaltypebasedonhostprocessor,anditiSorganizedbyTP／FT-10FflashcontrolmoduleincludingtheneuronchipandMSP430F149singlechip．TP／FT-10Fflashcontrolmodule，asoneLonWorksprotocolprocessor,isusedtosolvetheconnectionproblemofmicrocomputerandLonWorksnetwork，MSP430F149，asthemainprocessor,isresponsibleforgatheringanddealingwiththedataofthefieldapparatus．WeadoptparallelI／OmodeoftargetoftheNeuronChiptorealizethecommunicationbetweenthetwo，thusguaranteedreliable，high-speeddatatransmissionquality．Then，weappliedthealreadydevelopedLonWorksnetworknodetotheairconditioningcontrolsystemintheintelligentbuilding，formthecontrolsystemofairconditioningbasedonLonWorksbus．Accordingtothestructureofthissystemandcontrolrequest，correspondtotheprinciplethatanodalaccordingtoaunit，wedesignedthecontrollerofairconditioningtakingMSP430F149singlechipcomputerasthecore．Hereweadoptmoduledesignphilosophy,employenthalpyvalue，PIDcontrolstrategytorealizethehigh-efficient，energy·conservingcontrolsystemoftheairconditioner．Atlast，tofacilitatethecontrolofthefielddataandformingthecompletelynetworkobserveandcontrolsystem,weadopttheKingviewⅡ Abs廿刊’tmonitoringsoftwaretodesignthecontrolinterfaceoftheupper-compnter．Here，WeuseLNSDDEServerandtheDDE(DynamicDataExchange)characteristicoftheKingviewtosetupthedynamicdatachainingbetweenKingviewandLonWorksnetwork，realizedthemonitoring，manageandmaintainofthclocationplaneatcontrolsystemtoairconditioning．KeywordsLonWorksFieldbustechnology；Theairconditioningcontrollingsystem；Theconfigurationmonitorcontrol；ParallelcomImmication；NeuronChip；MSP430F149singlechipcomputernl 燕山大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文《基于LonWorks现场总线技术的节点开发与应用》，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人己发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。作者签字堪确日期：w口5年仁月Lr日燕山大学硕士学位论文使用授权书《基于LonWorks现场总线技术的节点开发与应用》系本人在燕山大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归燕山大学所有，本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位及相关人员。本人完全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权燕山大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。本学位论文属于保密口，在年解密后适用本授权书。不保密凼(请在以上相应方框内打“4”)作者签名：旗涵导师签名：兰j旋互t—，⋯一。日期：伽。6年幺月Lr日日期：-v,06年u月fr日 第l章绪论第1章绪论1．1课题背景和发展现状随着控制技术，计算机技术，通信技术的发展，信息沟通的领域正在迅速覆盖从工厂的现场设备到控制、管理的各个层次，覆盖从工段、车间、工厂、企业乃至世界各地的市场。信息技术的飞速发展，引起了自动化系统结构的变革，全分布式网络集成化的自控系统正在形成。现场总线(Fieldbus)就是顺应这一形势发展起来的新技术。现场总线技术是当今自动化领域发展的热点之一，是用于现场设备与控制系统和控制室之间的一种全分散、全数字化、智能、双向、互联、多变量、多点、多站的通信系统，被誉为自动化领域的计算机局域网[1】。以现场总线技术为核心的现场总线控制系统FCS(FieldbusControlSystem)是继模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统DDC(DirectDigitalContr01)、集散控制系统DCS(DistributedControlSystem)之后的新一代控制系统，不仅是一个基层网络，而且还是一种开放的、新型全分布式的控制系统【2】。由于FCS实现了现场通信网络与控制系统的集成，沟通了生产过程现场级控制设备之间以及与更高控制管理层之间的联系，彻底改变了传统DCS系统的控制模式。因此，FCS的出现标志着自动化控制领域又一个新时代的开始，并对该领域的发展产生重要的影响。1．1．1现场总线系统的技术特点简单来说，现场总线是以单个分散的数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点，以总线相连接，实现相互信息交换，完成测、控、管一体化功能的网络控制系统。与DCS系统相比较，现场总线系统在技术上具有以下特点13⋯3]：(1)快速可靠的通信方式传统的DCS系统中现场仪表到控制站之间采用4～20mA模拟信号传输，而现场总线控制系统在现场底层传感器、执行器、控制器及上层工作站之间全部采用数字化信号进行传输，并且在网络 燕山大学工学硕士论文传输中采用了防止碰撞、检查纠错等技术措施，实现了高速、双向、多站点之间的可靠通信。(2)系统结构的高度分散性现场总线已构成一种新的全分散性控制系统的体系结构。从根本上改变了现有DCS集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。(3)现场设备的智能化与功能自治性传统的DCS采用“操作站一控制站一现场设备”三层主从结构方式，进行测量、调节、诊断、输出等功能的操作。在FCS系统中，它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。(4)互操作性与互用性互操作性，是指实现互联设备问、系统间的信息传送与沟通；而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可实现相互替换。不同厂家的DCS产品往往无法兼容，FCSN特别强调互用和互操作性，即不同厂家的现场总线产品可以互联组成统一的系统，统一组态，从而方便了用户。f5)系统的开放性开放是指对相关标准的一致性、公开性，强调对标准的共识和遵从。现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络开放系统。用户可按自己的需要和考虑，通过现场总线把来自不同供应商的产品组成大小随意的开放互联系统。FCS技术从总线标准、产品检验到信息发布都是公开的，面向所有的产品制造商和用户，而且通信网络可以和其它系统网络相连，用户可共享网络资源。f6)对现场环境的适应性FCS采用数字通信方式，因此可以采用多种通信介质进行传输。具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现供电与通信，并可满足本质安全防爆要求等。根据控制系统中节点的空间分布情况，也可以采用灵活的拓扑结构。所有这些为自动化系统的施工带来了极大的方便，省时间，省材料。由此可见，现场总线控制系统与传统集散控制系统相比，具有鲜明的技术特点，未来的日子里FCS将逐步改造传统的DCS结构，直至完全取代DCS。2 第1章绪论1．1．2现场总线的发展现状发展现场总线的初衷是建立开放的控制通信网络，其通信协议应趋于统一，但由于历史原因，已有众多公司与技术部门在开发现场总线与产品方面投入了大量的人力与财力，至今在不同领域形成的现场总线已有几十种。尽管如此，还是有几种现场总线技术脱颖而出。目前比较流行的有以下几种叩·61。(1)FF基金会现场总线(FF，FoundationFieldbus)是目前在过程自动化领域极具竞争力的现场总线之一。FF目前拥有120多个成员，这包括世界上最主要的自动化设备供应商AB、ABB、Foxboro、Honeywell、Smart、FUJIElectric等。FF的通信模型以ISO／OSI开放系统模型为基础，采用了物理层、数据链路层、应用层，并在其上增加了用户层。FF总线采用的是令牌总线通信方式，可分为周期通信和非周期通信。(2)LonWorksLON现场总线是美国Echelon公司于1991年推出的局部操作网络(LocalOperationNetwork)，它的出现为全分布式测控系统提供了很强的实现手段。为了支持LON总线，Echelon公司推出一套完整的开发平台，被称为LonWorks技术【"。LonWorks技术使设备和系统的互操作成为可能，为LON总线设计和成品化提供了一套完整的开发平台。LonWorks技术所采用的LonTalk协议被封装在称为Neuron的神经元芯片中得以实现。Echelon公司的技术策略是鼓励原始设备制造商运用LonWorks技术和神经元芯片，开发自已的应用产品。(3)PROFIBUSPROHBUS(ProcessFieldbus)是符合欧洲标准EN50170和国际标准IEC61158的现场总线，包括PROFIBUS—DP、PROFIBUS．FMS、PROFIBUS．PA一--部分。它也只采用了OSI模型的物理层、数据链路层、应用层。PROFIBUS支持主．从方式、纯主方式、多主多从通信方式。主站对总线具有控制权，主站间通过传递令牌来传递对总线的控制权。取得控制权的主站，可向从站发送、获取信息。PROFIBUS—DP用于分散外设间的高速数据传输，适合于加工自动化领域。FMS型适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等。而PA型则是用于过程自动化的总线类型。3 燕山大学工学硕士论文(4)CAnCAN是控制器局域网络(ControllerAreaNetWork)的简称。它是由德国Bocsh公司开发，起初是专门为汽车工业设计的，目的是为了节省接线的工作量，后来由于自身的特点被广泛地应用于各行各业。它的芯片由摩托罗拉、Intel等公司生产。CAN协议也遵循ISO／OSI模型，采用了其中的物理层、数据链路层与应用层。CAN的信号传输采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个，因而传输时间短，受干扰的概率低。节点之间不分主从，但节点之间有优先级之分，通信方式灵活，可实现点对点、一点对多点及广播方式传输数据，无需调度。CAN总线可采用双绞线、同轴电缆或光纤作为传输介质，通信速率与总线长度有关，它的直接通信距离最远可达10km，通信速率最高达lMbps(此时通信距离为40m)。f5)HARTHART是HighAddressableRemoteTransducer的缩写。最早由Rosemount公司开发并得到80多家著名仪表公司的支持。这种被称为可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议，其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中的过渡性产品，因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争能力，得到了较快发展。但这种模拟数字混合信号制，导致难以开发出一种能满足各公司要求的通信接口芯片。HART能利用总线供电，可满足本质安全防爆要求、并可组成由手持编程器与管理系统主机作为主设备的双主设备系统。由此，从世界范围来看，现场总线技术的发展己进入了一个群雄并起，竞争激烈的时代。由于各具特点，短时间内不可能出现某一种现场总线独霸天下的局面，有理由认为：在从现在起的未来10年内，可能出现几大总线标准共存，甚至在一个现场总线系统内，几种总线标准的设备通过网关互联实现信息共享的局面。1．1．3LonWorks总线技术的应用虽然现场总线标准的统一还有种种问题，但现场总线控制技术的发展却已经是一个不争的事实。适应未来发展的现场总线技术必须完善和增强以下几方面邺L(1)网络设备开发的软、硬件技术；4 第1章绪论(2)开放的组态技术研究，包括网络拓扑结构、网络设备、网络互联等：(3)N络管理技术，包括网络管理软件、网络数据操作与传输；(41人机接口、软件技术；(5)现场总线系统集成技术，实现控制网络和数据网络的完美结合。对照以上几点，LonWorks总线技术以其在网络设备开发、网络管理以及系统集成等方面呈现出的独特优势，成为众多现场总线中的佼佼者，在很多领域得到了广泛的研究与应用【9】。为了更好地推广LonWorks技术，由世界上十几个国家的140多个公司，包括ABB、Honeywell、Olivett、Motorala、IBM、Toshiiba、HP等公司，联合Echelon公司一起于1994年创立了LonMark互操作性协会，负责定义、发布、确认产品的互操作性标准【l01。这将意味着同一或不同厂商生产的多个设备(也称为节点)可以集成到一个控制网络，不需要进行额外的开发。LonWorks网络协议己经成为诸多组织、行业的标准。消费电子制造商协会(EMA)将其作为家庭网络自动化的标准(EIA-709)。1999年10月，美国国家标准化组织ANSI接纳LonWorks网络的基础协议作为一个开放工业标准，包含在了ANSI／EIA709．1中。同时LonWorks也是国际Forecourt联盟(欧洲所有加油站)标准。美国铁路组织也选择]"LonWorks作为其气动刹车系统标准。1999年8月，LonWorks协议成为IEEE火车通信方面新标准(IEEE4731999)的一部分，巩固了LonWorks在铁路应用方面的地位。国际半导体仪器原料协会(SEMI)明确采纳LonWorks网络技术作为其行业标准(SEMIE610697)111～131。LonWorks本身是一个开放的系统。用它构建的系统可使不同厂家生产的设备及产品进行互连，同时也易于系统的扩展及重组。目前已有56个国家和地区的2000多个公司在使用LonWorks技术及其产品。我国已有十几家公司也推出了自己的基于LonWorks的产品，分别在酿酒、电力、建筑、工业自动化和化工行业中应用，并取得了很好的效果【l⋯。总体看来，它被广泛的用于航空／航天、农业控制、建筑物控制、计算机／外围设备、诊断／监控、电子测量产品、能源管理、工程自动化流体测量、家庭自动化、工业过程控制、测试设备、照明／通信设备、医药卫生、军事／防卫、办公室设备系统、5 燕山大学工学硕士论文机器人、楼宇控制、安全警卫、保密、运动／游艺、无线电收发器、电话通信、运输设备等领域。其通用性表明，它不是针对某一个特殊领域的总线，而是具有可将不同领域的控制系统综合成一个以LonWorks为基础的更复杂系统的网络技术[9,15,1⋯。由此可见，LonWorks以其突出的统一性、开放性、及互操作性正在受到各行各业的重视。Echelon公司提供的一项重要的举措，这就是允许将LonTalk协议移植到任何的CPU上，即利用其MIP(微处理器接口程序1软件开发出各种低成本的网关，这种性能价格比高的网关已被很多公司开发完成，使不同现场总线、异型网之间的互联变得非常容易。LonWorks可以说已经在事实上起着通用现场总线的作用。相信，随着时间的推移，LonWorks技术必定会以全新的概念，在各个领域发挥出其无可比拟的优越性【17l。1．2选题依据和研究意义现场总线属于尚在发展的技术，我国在这一技术领域还刚刚起步。根据国民经济发展的需要和市场的需求，结合我国的国情，确定了现场总线技术的发展方针：市场牵引，面向产业；引进消化，开发刨薪；总体规划，突出重点；内外结合，推进行业【1,181。当前，国内自己开发的现场总线产品已经投入市场，国内各行业的现场总线应用工程迅速发展。因此，研究现场总线技术，推进其在我国的应用具有重大的现实意义。基于上述原因，结合当今的研究现状，本文利用LonWorks总线技术开发了一种基于主机节点模式的网络节点，并将其应用于实际数据测控系统中，为促进总线技术在我国的发展和应用贡献自己的力量。1-3论文的主要内容及结构安排本论文的主要内容及结构安排如下：第1章为绪论。介绍课题的研究背景、现状，以及研究的意义等。第2章为LonWorks现场总线技术原理。概括介绍了LonWorks控制网络的结构和特点，并且从理论的角度MLonWorks现场总线技术的核心产品，如神经元芯片、LonTalk协议、NeuronC语言等进行了详细的阐述和分析。6 第1章绪论第3章为基于主机的节点设计。研究LonWorks现场总线技术的关键在于开发其网络应用节点。在此，首先对相关的设备TP／FT-10F闪控模块、MSP430F149单片机以及并行通信的原理、性能进行描述，然后给出了节点开发的软硬件设计。第4章为空调测控系统的设计。基于本文开发出的LonWorks网络节点，对系统中的温湿度采集模块、阀门控制模块、风机起停控制模块、键盘显示模块、故障报警等模块进行了设计。并给出了空调系统的整体控制策略。第5章为测控系统的网络监控。在对LonWorks总线监控系统的结构以及相应的动态数据交换协议DDE说明的基础上，通过LNSDDE服务器，采用组态王监控软件设计了空调测控系统的上位机监控界面。7 燕山大学工学硕士学位论文第2章LonWorks现场总线技术原理2．1LonWorks控制网络的特点及构成2．1．1LonWorks控制网络的特点LonWorks网络控制技术在控制系统中引入了网络的概念，在该技术的基础上，可以方便的实现分布式的网络控制系统。并使得系统更高效、更灵活、更易于维护和扩展，其具体有以下特点[10,13l：f1)开放性网络协议开放，对任何用户平等。(2)互操作性其LonTalk网络通信协议使得任何制造商的产品均可实现互操作。(3)传输介质可采用双绞线、同轴电缆、光纤、无线电波、电力线和红外线等多种传输介质。同一网络中，可以有多种通信媒介。f4)网络拓扑有总线型、星形、环形和混合形，为网络安装提供极大的方便。f5)网络结构有主从式、对等式以及客户／服务式结构。网络通信设计采用面向对象技术，利用网络变量将网络通信设计简化为参数设置，增加了通信的可靠性。(6)传输有效字节数通信的每帧有效字节数可从0N288字节。(7)通信速率和距离通信速率为300bps～1．25Mbps，距离最长可达到2．7gm(采用双绞线收发器FTT-10，速率78kbps)。f8)N络节点数在一个测控网络上的节点数可达32000个。除上述特点外，LonWorks控制系统在功能上就具备了网络的基本功能，它本身就是一个局域操作网络，拥有国际标准化组织ISO的开放系统互联OSI模型的七层网络协议，具有较强的网络功能。它和局域网LAN(LocalAreaNetwork)具有很好的互补性。又可方便的实现互联，易于实现更加强大的功能。LonWorks以其独特的技术优势，将计算机技术、网络技术和控制技术融为一体，实现了测控和组网的统一，在此基础上开发出的具有8 第2章LonWorks现场总线技术原理LonWorks／IP功能的i．Lon系统与Intemet百-联网关，将进一步使LonWorks网络与以太网的互联变得更为方便。2．1．2LonWorks控制网络的构成LonWorks控制网络所构成的分布式控制系统如图2．1所示。LonWorks系统主要由现场智能节点、网络管理工具、网络传输介质、网络适配器以及现场执行机构组成f19,20]。它将数据检测、数据处理、系统监控相结合，能够实现多变量的双向通信。终端器士由芏芏圈一囱囡囱一}燃麟I圈由由～1双寅l终端器I图2—1LonWorks现场总线控制系统结构F追．2-1ThestructureofLonWorkscontrolsystem2．1．2．1智能节点节点被称为智能设备，它是带有神经元芯片、LonTalk协议收发器的能进行现场数据采集和处理的、并且具有可靠网络通信功能的现场智能装置。节点可以直接与生产过程中的执行器、传感器相连。节点具有两种类型口102】：基于神经元芯片的节点(NeuronChip．BasedNode)和基于主机的节点(HostBasedNode)。在基于神经元芯片的节点中，神经元芯片是唯一的处理器，一个神经元芯片加上一个收发器就构成了一个典型的现场节点，这类节点适合I／O设备较简单、处理任务不复杂的系统，9 燕山大学工学硕士学位论文结构框图如图2—2(a)所示。另外一种节点中神经元芯片仅仅作为通信协议处理器，充当着LonWorks[网的网络接口，节点的应用程序则由主处理器来执行。这类节点适合于对处理能力、输入／输出能力要求较高的系统，称之为基于主机的节点，主处理器可以是PC机或者任何其它微处理器。基于主机节点的结构框图如图2．2(b)所示。(a)基于神经元芯片的节点(b)基于主机的节点图2-2LonWorks现场控制节点结构框图Fig．2-2ThestructurediagramofLonWorksnode2．1’2．2网络收发器收发器提供神经元芯片和LonWorks网络的物理通信接口。收发器简化了可互操作的LonWorks节点的开发，并用于多种类型的通信介质的拓扑结构，具有不同收发器类型的产品需要通过路由器实现节点之间的互操作。Echelon公司提供双绞线收发器和电力线收发器，其它公司提供用于无线电、光纤等介质的收发器。2．1．23通信介质通信介质是节点之间信息传输的物理介质，包括双绞线、电力线、红外线、光纤和同轴电缆等。2．】．2．4路由器路由器是LonWorks技术的一含重要组成部分，用来连接不同通讯介质的LonWorks网络。在LonWorks技术中，路由器包括以下几种：中继器、桥接器和路由器。路由器支持多种通信介质，也可以控制网络的流量增加网络的吞吐率。2．1．2．5网络适配器网络适配器是网络接口设备，它并不连接传感器和执行器，而是外部主机(例如PC机)的物理接口。该设备的应用程序提供通信协议和API(应用程序接口)，使得基于主机的程序可以访问LonWorks网络。10：燮墅粕黼堂一型昌生 第2章LonWorks现场总线技术原理Echelon公司PCLTA-20网络适配器就是一个网络接口设备，把它插,N．PC机内部的ISA总线槽内，就可以用网络工具(LNS和LonMaker)访lhqLonWorks网络【23]。2．1．2．6网络管理工具当单个节点建成以后，节点之间需要互相通信，这就需要一个网络工具为网络上的节点分配逻辑地址，同时也要将每个节点的网络变量和显式报文连接起来。～旦网络建成并正常运行后，需要对其进行维护。网络系统中的上位机需要了解所有节点网络变量和显式报文变化的情况。网络管理工具的主要功能有：网络安装、网络维护、网络监控。2．2LonWorks总线核心技术LonWorks现场总线技术提供了开放性强的局部操作网络，包括设计、使用和支持LonWorks网络所需的全部开发工具。其核心技术包括：功能强大的神经元芯片(NeuronChip)；LonTalk通信协议；面向对象的编程语言NeuronC。2．2．1神经元芯片(NeuronChip)神经元芯片是LonWorks系统设备的核心器件。对于开发商来说，神经元芯片的特征在于它的完整性。它提供通信、控制、介质访问、I／O接口、I／O应用库、LonTalk协议、操作系统等软、硬件功能模块，并通过收发器实现与外部的通信。准确地说，神经元芯片已提供了ISO／OSI通信协议模型的前六层，仅需要开发商进行应用层编程和参数配置。因此使系统的开发相当简便。神经元芯片使用cMOsVLSI技术，其目前的型号有Motorola公司的MCl43120、MCl43150和Toshiba公司的TMPN3120、TMPN3150等。总体说来分为3120和3150两大系列‘16,24]。3120芯片中包含E2PROM、RAM和ROM存储器；而3150芯片内部无ROM，但拥有外部存储器的接口，寻址空间可达64KB。可用于开发更为复杂的控制系统。神经元芯片的内部结构如图2．3所示。2．2．1．1处理单元神经元芯片内部有三个CPU，每个CPU各自分工不同， 燕山大学工学硕士学位论文分别为介质访问CPU、网络CPU和应用CPU。第1个CPU为介质访问控制(MAC)处理器，它处理LonTalk协议的第二层，包括驱动通信子系统硬件和执行冲突避免算法。处理器1与处理器2使用位于共享存储区的网络缓冲区进行通信，正确地对在网络上传播的报文进行编码和解码。第2个CPU为网络处理器，它实现LonTalk协议的第三层到第六层，处理网络变量、寻址、事务处理、权限证实、网络管理及路由等。处理器2与处理器1使用位于共享存储区的网络缓冲区进行通信，处理器3N通过使用应用缓冲区与处理器2进行通信。第3个CPU是应用处理器，它执行由用户编写的代码及用户的代码所调用的操作系统服务。三个微处理器结构如图2．4所示。图2．3神经元芯片结构图Fig．2-3ThestructurediagramofNeuronChip网络缓冲区应用缓冲区图2．4处理器结构及存储区分配Fig．2-4Processorstructureandallocatestorage12 第2章LonWorks现场总线技术原理2．2．1．2输入／输出接121神经元芯片通过它的11个双向I／On(io0～JO10、连接到特定应用外部电路。这些引脚可以根据不同外部设备I／O的要求，灵活配置各种输入输出方式。10_4～10—7引脚有可编程的上拉电阻，IO0～IO-3管脚有高电流吸收能力(20mA、O．8V)，其它的具有标准吸收能力(1．4mA、0．4V)。所有管脚具有TTL电平输入，并且IO0～JO7具有低电平检测能力。芯片上有两个片上16位定时／计数器。NeuronC语言允许编程人员将一个或者多个引脚声明为I／O对象。在程序运行中用户程序在io晰)和io_out0的系统调用中对这些对象执行实际的I／O操作，并且¨个可编程的I／0引脚具有34种可选的工作方式。2．2．1．3通信端口神经元芯片支持多种通信介质，应用较广泛的有双绞线、电力线，另外还有无线(RF)、红外、光纤、同轴电缆等。神经元芯片的通信端口为适合不同的通信介质，特将其5个通信端口fcpO～cP4)通过配置形成3种不同的接口模式分别为：单端、差分以及专用工作模式，以适合不同的编码方案和不同的波特率。其通信引脚配置如表2—1所示。表2-1通信端口管脚特性Table2-1Thecharacteristictableofcommunicationport管脚驱动电涮mA差分模式单端模式专用模式CP01．4数据输入+数据输入CPlI．4数据输入．数据输出CP240数据输出+数据发送使能位时钟输出CP340数据输出-睡眠输出睡眠输出或唤醒输入CP4l。4碰撞侦测帧时钟输出2．2．1．4存储器在神经元芯片的E2PROM里包括网络配置和寻址信息、唯一的48位神经元芯片标识码ID、用户应用程序代码和常用数据。其静态RAM，用来作为堆栈段数据区、应用和系统程序数据区，以及LonTalk协议网络缓冲区和应用缓冲区。3150芯片不包括片上ROM，可以允许寻址59392个字节的外部存储器，用来存储应用程序和数据(n-I多达43008个字节)、神经元芯片固件和保留空间(16384个字节)。13 燕山大学工学硕士学位论文2．2．I．5时钟信号接口神经元芯片有两种时钟接口输入方式：单端和双端。单端主要应用于集成晶振输入，集成晶体振荡器内部封装好了振荡电路和晶体，加上电源，就可以在输出端得到稳定的时钟信号。双端输入方式是利用神经元芯片内部的振荡电路，外接晶体产生时钟信号的。神经元芯片有很宽的输入时钟频率范围，可在625Hz至lJ20MHz之间。有效的输入时钟频率是：20MHz、10MHz、5MHz、2．5MHz、1．25MHz、625Hzt”J。时钟频率的精确度必须在±1．5％或更高，以确保各个节点能比特同步。双端10MHz时钟信号的产生电路如图2—5所示。图2-5时钟信号产生电路Fig．2-5Thecircuilt)fproducingelt)eksignal2．2．1．6服务引脚神经元芯片的服务引脚输入和漏极开路输出交替，频率是76Hz，波形占空比是50％。当其作为输出时，它能吸收20mA电流用于驱动一LED。在神经元芯片固件的控制下，该引脚主要用在节点配置、安装以及维护等过程中。当节点有应用但还未配置网络地址信息时，LED闪烁，频率为0．5Hz；当节点处于非应用或未配置的情况时，LED常亮；当节点己配置或者硬件脱机时，LED处于常灭状态下【26】。其电路如图2·6。面丽譬兰咱r上誓坚畸—o图2．6服务引脚连接电路Fig．2-6Thecircuitofservicepin2．2．1．7看门狗定时器为保证在软件出错和存储器故障时不死机。神经元芯片为三个处理器各提供1个看门狗定时器。在输入时钟频率为10MHz时，14 第2章LonWorks现场总线技术原理看门狗的时间周期大约为0．84s，并与输入时钟频率成反比。如果应用程序或系统程序不能周期性的复位这些定时器，神经元芯片将自动复位。2．2．2LonTalk通信协议2．2．2．1LonTalk协议标准LonWorks协议称为LonTall(协议或者是ANSI／EIA709．1控制网络标准，是LonWorks技术的核心。神经元芯片内部加载了LonTalk协议的固件后，就能使网络节点之间可以可靠地通信，完成各种功能。LonTalk协议符合ISO／OSI参考模型的七层体系结构，是一个分层的、基于数据包的对等通信协议。神经元芯片上的3个CPU共同执行这一七层网络协议。为了确保满足控制网络的可靠和鲁棒性通信标准，LonTalk协议采用了预测P．坚持载波多路监nJi(PredictiveP．presistenceCSMA)冲突避免算法，为控制应用提供了一个高可靠、高性能、高抗干扰性的通信机制睇7,251。表2．2列出了LonTalk仂,议与OSI参考模型的对应关系。由表可以看出，LonTalk提供的服务包括：物理信息管理；命名机制、数据包寻址和路由选择；优先级管理、外部帧和数据表示等。表2-2LonTalk协议层Table2-2LonTalkprotocollayersOSl层次目的LonTalk提供的服务处理器7应用层网络应用标准网络类型应用CPU6表示层数据表示网络变量，外部帧传输网络CPU5会话层远程控制请求，响应，认证，网络管理网络CPU4传输层端对端可靠传输应答、非应答消息及双重检查网络cPu3网络层目的寻址寻址，路由信息网络CPU介质访问与帧传帧结构，数据解码，CRC错误检查，可预测2链路层MACCPU输CSMA，优先级与冲突避免1物理层电气连接与介质有关的接口和调制方案电器接口MACCPU2．2．2．2LonTaⅡ(协议的寻址方式和地址分配LonTalk地址唯一的确定了LonTalk数据包的源节点和目的节点。路由器也使用这些地址来选择如何在15 燕山大学工学硕士学位论文两个信道间传输数据包。为了简化路由，LonTalk协议定义了一种使用域(Domain)、子暖j(Subnet)及节点地址(NodeAddresses)的分层式逻辑寻址方法。这种寻址体系由三级构成，最高一级是域，只有同一个域中的节点爿’可以相互通讯；第二级是子网，每个域可有255个子网；第三级是节点，每个子网可有127个节点【16,29]。通过不同的地址格式可以来寻址整个区，一个单独的子网，或者一个单独的节点。此外，除了子网／节点地址寻址方式，一个节点地址总可以用该节点的神经元芯片ID]J[I以寻址。神经元芯片有一个特定的48位标识(NeuronID)，由芯片生产厂家唯一确定，并且终生不变。由此，NeuronID作为神经元芯片的名字可以唯一地区别于其它的神经元芯片。一般情况下，由于NelU'ODID用作地址的这种编址方式允许节点在被赋予地址之前进行通信，所以该方式主要用在节点安装以及配置的时候。2．2．3NeuronC编程2．23．1NeuronC语言特征NeuronC是专门为神经元芯片设计的编程语言。它是从ANSIC中派生出来的，并对ANSIC进行了增删。对ANSIC的扩展使其直接支持神经元芯片的固化软件，并为分布式LonWorks环境提供了特定的对象集合以及访问这些对象的内部函数，还提供了内部类型检查，是一个开发LonWorks应用的强有力工具。NeuronC语言提供的若干新功能有D0,M]：(1)一个新的对象类——网络变量(networkvar讪le)，作为NeuronC语言的对象，无论何时被赋值，它的值都可自动地传遍网络，网络变量的引入和使用简化了节点间的数据共享：(2)一个新的语句类型——w11en语句，引入事件(events)并定义这些事件的当前时间顺序；(3)实现对I，O操作的显式控制，通过对I／0对象(object)的声明来定义标准化神经元芯片特有的多功能I／O；(4)支持显示报文传递，实现对基本LonTalk协议服务的直接访问。2．2．3．2事件驱动神经元芯片的任务调度程序采用事件驱动方式，当给定16 第2章LonWorks现场总线技术原理的一个条件为真时，与该条件相关的一段程序代码将被执行。因此，NeuronC不再使用main()函数结构，而是代之以由when语句和函数组成的NeuronC程序的可执行对象。一系列并行任务的执行都是从一个when语句开始的。在NeuronC中，对一个任务进行定义或说明，其实就是在when语句后面紧跟一个由若干语句或函数组成的任务。多个whell子旬可以与一个任务发生关联，但是when子句不能够嵌套使用。定义在when语句中的事件一般有预定义事件和用户定义事件两种类型。预定义事件使用编译程序内部固有的关键字。预定义事件的例子包括输入管脚状态的改变、网络变量的改变、计时器终止和报文的接收等等。而用户定义的事件可以是任何有效的NeuronC表达式。2．2．3．3网络变量NeuronC语言引用网络变量这一全新的概念，使网络通信采用了面向对象的设计方法一网络变量技术，对于网络变量编程者来说，网络变量和普通C变量有类似的定义，只不过这些变量是为网络上其它定义该网络变量的节点所共享。当某一节点的程序赋一个新值给输如网络变量时，这个新值就会经网络传播到所有与该输出网络变量相“捆绑”的输入网络变量的网络节点上。网络变量通过被定义好的用于通信的接口来支持节点间的互操作性。一个节点可以被安装在网络上，并可以与网络上的其它节点进行逻辑连接，但要求它们的数据类型相匹配。LonTalk协议提供的标准网络变量类型fSNVT)和LonMark对象，是对互操作性进一步的支持。SNVTs是具有相应单位的预定义类型的集合。Lonlvlark对象为公共节点接口，并定义了标准网络变量和配置参数【32挪】。虽然网络变量通过LonTalk报文传播，但搬文的传输是透明的，应用程序不需要任何显式的指令来接收或发送更新后的变量，网络变量消息的发送和接收是自动的。在神经元芯片上运行的NeuronC应用程序最多可声明62个网络变量，主机应用程序可以声明更多的网络变量。声明一个网络变量对象完整的语法是：networkinputJoutput[netvar-modifi叫[cks】type17 燕山大学工学硕士学位论文【connection-info】identifier[=initial·value]：其中：network一网络变量关键字；inputloutput——表示所定义网络变量的输入输出类型：netvar-modmer一网络变量修饰字，有同步sync，轮询polled和自标识字串sd—string---种，规定了网络变量的更新方式；clas譬一指定网络变量的存储类别；type一网络变量的类型；connection-info--可选项，定义变量连接信息；idemifier一定义的网络变量名；initial_value一网络变量的初值。2．3LonWorks网络的开发2．3．1LonWorks网络开发工具LonWorks现场总线技术为网络的设计、创建、调试以及安装提供了一整套完整的解决方案。一般情况下，对于LonWorks的应用开发可应用两种工具：NodeBuilder和LonBuilder。前者是一种节点级的开发工具，用于单个LonWorks节点的编程与调试，可以配合LonMaker网络集成工具完成网络的安装配景；LonBuilder为一系统级的开发工具，用于多个LonWorks节点的应用开发口41。此外，Echelon公司开发的网络操作系统LNS(LonWorksNetworkService)，可提供给用户一个强大的客户棚￡务器网络构架，是未来LonWorks网络的客户操作性基础。使用LON提供的网络服务，可以保证从不同网络服务器上提供的网络管理工具能一起执行网络安装、网络维护和网络监测；众多的客户可同时申请这些服务器提供的网络服务。2．3．2LonWorks网络开发步骤如果不考虑系统的复杂性，基于LonWorks技术开发一个网络控制系统的一般步骤是：18 第2章LonWorks现场总线技术原理第一步：网络系统的结构设计。根据设计对象的要求，给出系统的整体设计方案，包括确定与输入输出部件相配合的节点设备，选择适当的通信信道和传输介质，确定网络的拓扑结构以及明确网络的通信速率。第二步：根据节点实现的功能要求，对各节点控制模块进行设计。包括定义节点控制模块的外部接口，编写应用程序，调试并测试节点设备。第三步：使用LonMakerI具进行网络的配置工作，创建网络。网络配置可以用现场安装或设计安装。在现场安装模式中，设备在被连接到网络并加电后，配置数据是通过网络下载的；而设计安装模式中，网络集成工具将信息收集到数据库，这些信息在安装时下载到设备中。第四步：编写监控程序，对网络进行现场或者远程监控、管理。2．4本童小结本章首先介绍了LonWorks监控网络的特点及一般组成结构，接着着重介绍了LonWorks现场总线的特点以及作为其技术核心的神经元芯片、LonTa】k通讯协议和NeuronC编程语言的特征。最后说明了开发LonWorks网络所需要的一般工具，并且给出了使用LonWorks现场总线技术进行开发所需的步骤。以上这些为下几章的节点开发及应用打下了良好的基础。19 燕山大学工学硕士学位论文第3章基于MSP430F149的网络节点开发研究LonWorks总线技术关键是开发其网络节点。神经元芯片内部集成了三个功能强大的处理器，能很好地满足绝大多数应用的要求。但是神经元芯片只有8位总线，而且编程采用的任务调度机制在上一个事件触发的任务没有执行完之前不能响应新的事件。在实时性要求较高或者需要完成复杂测控功能等场合就显得力不从心。而采用基于主机的节点结构就能很好的解决这个问题。在这类节点中，神经元芯片只是作为通讯处理器，而复杂的I／O事件和算法的处理等由主处理器来完成。主处理器可以是PC机、DSP、单片微控制器等。这样主处理器和神经元芯片各负其责，充分发挥了主处理器对应用程序的强大处理能力和神经元芯片中LonTalk协议处理通讯任务的优势。基于上述原因，本章采用美国德卅I仪器公司提供的16位单片机MSP430F149，利用神经元芯片并行ParallelI／O对象的slaveA模式，设计了基于MSP430F149主机的LonWorks节点。对于网络节点的硬件电路设计，一般采取两种方法：一种是基于收发器来设计，另外一种是基于控制模块来设计。考虑到控制模块通常包括神经元芯片、Flasl耀序存储器、收发器以及RAM等器件可以方便开发，在此特选用Echelon公司提供的TP／FT-10F闪控模块来设计节点的硬件电路，缩短了产品的开发周期。3．1硬件设备原理3．1．1TP原T_IOF闪控模块原理TP／FT-10F闪控模块属于双绞线的控制模块系列。该LonWorks控制模块由微型电路板构成，包括一个3150芯片、一块闪存、一个通信收发器(FTT-10)、电源连接器、神经元芯片I／0H和两个网络接口【15，351。TP／FT_10F的结构如图3．1所示：TP／FT-10F闪控模块提供高速吞吐量以迎合广泛的控制应用，其网络通 第3章基于MSP430F149的网络节点开发信速率最高可达1．25Mbps，使用双绞线时最大传送距离可达2700,．。模块同时应用变压器和网络双绞线电缆隔离，使得系统能够在噪音的环境中进行操作。TP／FT-10F闪控模块的管脚功能如表3—1，3-2所示。图3．1TP／FT-10F闪控模块结构图F培3-1Thes姗ctⅢeofTP／FT-10Fflashmodule表3．1TP／FT-IOF闪控模块YO管脚功能表Table3-1ThefunctionofTP／FT-10FI／OfootprintsYO管脚功能YO管脚功能lNC10】042100ll1053GND12+5V410l131065aND141096102151077GND1610lO8103171089～RESET18-SEllⅥCE3．1．2MSP430F149单片机原理TI公司的MSP430F149是一种具有超低功耗特性的功能强大的单片机。它具有16位RSIC结构，CPU中的16个寄存器和常数产生器使它能达到最高的代码效率。采用了很多新的技术，例如Jr【AG技术、FLASH在线编程技术和BOOTSTRAP技术等。具有很高的性能价格比，因此得到了非常广泛的应2l 燕山大学工学硕士学位论文用，综合其有如下优点136—8]表3-2TP／FT-10F模块网络管脚功能表Table3-2ThefunctionofTP／FT-10Fnetworkfootprints网络管脚功能1NC2NC3DATAB4DATAA5NC6NC(1)超低功耗MSP430F149运行在1MHz时钟条件下时，工作电流视工作模式不同为0．1～400“A，工作电压为1．8～3．6V。(2)强大的处理能力MSP430F149具有丰富的寻址方式(源操作数7种，目的操作数4种)，但只需简洁的27条指令；片内寄存器数量多，存储器可实现多种运算；有高效的查表处理方法。这些特点保证了可以编制出高效的程序。单片机内部中断源较多，并且可以任意嵌套，使用时灵活方便。当系统处于省电的备用状态时，用中断请求唤醒它只需6“s。(3)丰富的片上外围模块MSP430F149集成了较多的片上外围资源，功能相当丰富，包含：12位A／D转换器，硬件乘法器，两个带有捕获／比较寄存器的16位定时器，看门狗定时器，两个可实现异步、同步及多址访问的串行通信接口，数十个可实现方向设置及具有中断功能的并行输入、输出端口等。(4)方便高效的开发方式MSP430F149具有FLASH存储器。这一特点使得它的开发工具相当简便。利用单片机本身具有的JTAG接口或片内BOOTROM，可以在一台Pc及一个结构小巧的JTAG控制器的帮助下实现程序的下载，完成程序调试。(5)适应工业级运行环境MSP430F149的运行环境温度范围为-40～+85。C，所设计的产品适合运行于工业环境下。 第3章基于MSP430F149的网络节点开发MSP430F149的系统结构如图3．2所示。图3—2MSP430F149系统结构图Fig．3-2ThesystemsnⅥctureofMSP430F1493．2并行通讯的原理MSP430F149单片机与神经元芯片的连接有多种选择：并行、12C总线、SCI／SPI等，通过比较并结合系统所要实现的功能，本设计采用两者并行通讯的连接方式。神经元芯片提供的并行双向I／O对象有MuxbusI／O对象和ParallelI／O对象两种，这里应用并行ParallelI／O对象的方式来设计。该接口允许数据以最高3．3Mb／s的速率传输。使用并行ParallelI／0对象的接口方式可以将神经元芯片连接到一个微处理器上或计算机系统的总线上，还可以将两个神经元芯片背对背连接，生成两个收发器接口用于应用级网关[25】。神经元芯片ParallelI／0对象的物理接口通过使用全部的11个I／0管脚来完成。应用在这种状态下的神经元芯片不再提供其它的I／O对象来处理物理接口。为增加设计的灵活性，作为具有握手信号的并行接口@IO_0～IO一7是8位双向数据总线，IO一8～IOjO是3位控制信号线。该并行接口是双向的，其方向(读／写)由说明为主(master)的设备控制。当使用该接口时，神经元芯片可以是主(master)也可以是从(slave)。Parallel 燕山大学工学硕士学位论文I／0对象提供3种不同的并行接13的配置：maSter(主方式)、slaveA(从A方式)、slaveB(从B方式)【39】。不同配置方式下的主、从设备连接如图3-3所示。H神经元芯片lSlaveA方式lISlaveB方式I图3—3神经元芯片并行接口应用图Fig．3-3ThediagramofNeuronChipparallelI／Oapplication(1)主方式该方式是并行I／O的智能方式，因为神经元芯片在这种方式中完全控制着自身与从方式的处理器之间的握手协议。从方式的处理器可以是工作在从A方式的神经元芯片，也可以是其它非神经元芯片的微处理器或者微控制器。不过对于非神经元芯片的微处理器或者微控制器的要求是必须完全模仿从A方式工作。(21从A方式工作在从A方式的神经元芯片受主方式工作的微控制器控制。相对主机而言，它是一个有着8位数据线和3位控制线的并行I／0设备，执行着硬件连线握手。此时的主机可以是神经元芯片、微控制器或者微处理器，要求三者都工作在主方式。(3)从B方式处于从B方式工作的神经元芯片类似于从A方式的神经元芯片。但是在这种方式的握手处理以及对数据总线的控制方面进行了特别设计，以适用于微处理器总线环境。神经元芯片对主处理器来说是作为一个内存映像的I／O设备。这在其它微处理器或微控制器与神经元芯片的应用接口方面以及在同一个数据总线上有多个从处理器时是非常有效的。不是所有方式都适合于每一个应用。对某个特定的应用，如神经元芯片与神经元芯片连接，只有一种解决方法(即从A方式)。在其它微处理器与神经元芯片连接时，根据硬件软件资源的情况，可能有几种实现方法。表 第3章基于MSP430F149的网络节点开发3—3示出了各种不同并行ParallelI／O方式的神经元芯片管脚分配。表3．3不同并行方式管脚功能表Table3-3ThefunctionofNeuronChipparallelI／O管脚Master方式SlaveA方式SlaveB方式100～lO7数据总线IO8片选输出片选输入IO9R／~w输出刚～w输入I¨W输入IO10HS输入A0输入表中所示的A0脚由主处理器驱动，仅在从B方式有效，是选择数据寄存器或控制寄存器的地址线，在这种情况下HS(握手)位是控制寄存器的最低位(DO线)。控制寄存器的其余位不用，主处理器对HS信号线不同的查询方式使得从B方式与从A方式有所区别。不管是从A方式还是从B的方式，主机都要监视HS的状态。存在这样一种可能，即在从处理器神经元芯片正确设置HS电平之前，主处理器在线查询HS电平。为防止主处理器从HS线读到无效的信息，要求从A方式的神经元芯片通过一个10kQ的上拉电阻将HS线拉高：在从B方式下，DO线应被拉高。3．3节点通讯设计3．3．1节点的硬件接口设计本文中采用MSP430F149单片机作为主处理器，考虑到该单片机的总线不对外开放，所以选用神经元芯片的并行从A方式做节点的开发设计。MSP430F149作为主机，含有神经元芯片的TP／FT．10F闪控模块作为从机，完成网络的通信功能。主从机之间的硬件连接如图3．4所示。在这里由于MSP430F149I作电压为1．8～3．6V，而神经元芯片的工作电压为5v，为了解决不同电源电压逻辑器件间的接口问题，需要在二者的接口处进行电平转换。本文中，电平转换采用的是TI公司的+3-3～+5V电平转换芯片SN74LVC4245，该芯片为8通道转换带三态输出，工作温度范围．40～+85oC[40]。 燕山大学工学硕士学位论文+33V+5VLoN图3—4主从处理器间的通信接口电路Fig．3-4ThecommunicationinterfacebetweenthehostprocessorandTP／FT-10F表3．4SN74LVC4245芯片控制方式表T曲le3-4SN74LVC4245controlmodetable～oED瓜功能LB数据到A总线LHA数据到B总线HX禁止传输SN74LVC4245为双电源的电平转换芯片，双电源能保证两边端口的输出摆幅都能达到满电源幅值，并且有很好的噪声抑制性能。因此该器件是两种电平转换的理想元件，其芯片控制方式如表3．4所示。其中，DIR作为传输方向控制端，一OE作为传输允许端，通过控制这两个端口达到芯片连接过程中电平转换的目的。 第3章基于MSP430F149的网络节点开发MSP430F149通过SN74LVC4245与TP／FT．IOF闪控模块连接，片选控制CS线总是由主处理器驱动。当其被激活时表示将进行字节传送操作，这条线上的下降沿对主处理器和从处理器的数据进行滤波。琶恧线是异步方式的，应尽量保持无噪声。对于主处理器而言，其读写操作都是在琶吾线上的一个负脉冲上完成的，实际的数据是在CS信号的上升沿被发送或者是读取。当琶恧线被拉低后，读／写数据的操作(由主处理器来决定1，都是由R／面线的电平来决定。R／w线由主处理器驱动，由从处理器神经元芯片上的双向总线驱动器决定其方向。HS线总是由从处理器驱动，它用于通知主处理器现在从处理器处在“忙”状态。因此，HS可以看作一个从处理器“忙”信号，当它为高时从处理器转而执行一个动作(读／写命令或数据)，否则主处理器转而访问总线。注意HS线只能在CS有效时改变，CS信号由低到高的跳变使得HS线变为高电平。3．3．2节点的软件设计3．3_21握手，令牌传递协议原理为实现与并行I／o设备的通讯并且保证安全可靠，神经元芯片固件执行令牌传递协议，以防止总线冲突。在任一给定的时间里，仅有一个设备拥有令牌。令牌是一个虚拟的写令牌，它决定着哪一设备拥有写总线的权利(发送数据和令牌或仅发送令牌不发送数据)。若主机拥有令牌，它有权将准备好的数据发送给从机或者将令牌交于从机，当从机拥有令牌时，它可将其准备好的数据发送给主机或者交出令牌。令牌在主机和从机之间以乒乓方式传递。拥有令牌的节点将执行写数据、令牌传递、同步(主处理器)或应答同步(从处理器)几个操作之一。NeuronC语言内嵌的工具允许直接对神经元芯片编程，从而转化为透明的总线令牌传递协议，自动执行令牌的传输，而微控制器必须模拟神经元芯片，明确完成令牌的传递。协议的命令格式如图3-5所示。在协议的命令中，第一字节是命令类型：CMD_XFER=0X01代表传送数据类型；CMD_NULL=0X00代表传送的是令牌；CMD—RESYNC=0X5A表示请求同步命令；CMDACKSYNC=0X07表示同步响应命令。LENGTH27 燕山大学工学硕士学位论文是实际数据的长度，不包括EOM。EOM为命令结束字节通常为Oxoo，它只被发送，但不被读取。主机MSP430F149与从机神经元芯片令牌传递的操作过程如图3．6所示。写数据臣至三囤蔓受曼回传令牌臣至亘圊同步叵至垂圊同步响应匡垂至三至至三垂回图3．5令牌传递的字节格式Fi2．3．5Thetokentranslationformat主机有令牌从机有令牌图3—6主从机之间令牌传递过程Fig．3-6Thetokentranslationtablebetweenmasterandslave3．3．2．2主机编程实现如前所述，神经元芯片在通信过程中被配置成SlaveA模式，在系统复位后通过定义主机拥有写令牌，从机通过执行同步的命令与主机保持同步。如果从机在系统复位时间O．84s内没有收到主机传递的CMDREslrNc同步信息，从机会自动产生复位。为了避免从机看门狗出现复位的错误信息，主机一定要在限定时间内发送同步信息。同步信息29 第3章基于MSP430F149的网络节点开发是为了保证主从机之间复位后传递数据能够正常进行所必须的，双方数据通信的速率与主机的程序执行时间和从机的输入时钟有关。在本设计中，主要是与从机的输入时钟有关，选定神经元芯片输入时钟处于为10MHz时，设置MSP430F149初始化程序，调用外部8IV[Hz高频时钟执行通信程序，主机单片机采用c语言进行编程。主机的通讯流程如图3．7所示。图3．7主机通讯流程图Fig．3-7Thecommunicationflowofmaster29 燕山大学工学硕士学位论文3．3．2．3从机命令实现从机神经元芯片采用Neuronc语言，以下列格式声明并行ParallelI／0对象：IO_Oparallelslaveio_object_name；其中：I吼卜指定管脚IO_O，并行输入／输出要求占用神经元芯片全部的11个管脚，且必须指定100；slavc——指定从A模式：io-object—name——由用户为该1／13对象指定的名字，是ANSIC格式的变量标识符。在应用神经元芯片并行I／0对象的时候，需要首先定义一个指向parallelio—interface的结构体指针变量piofc，格式如下：typedefstructparaBel_io_interface(unsignedintlen毋：h：／／数据字段的长度unsignedintdata[data_size]／／数据字段}piofc：其中，datasize为数据传输所期待的最大缓冲区尺寸。在系统同步之后。需要调用输入io—in()和输io_out()两个函数来进行数据的传输。在调用这两个函数之前，应根据编程的实际需求来设定变量len舀h的值。在io_out()函数中，length为被输出字节数，由应用程序来设定。在io_in()函数中，length为输入的字节数。如果输入的长度大于length，则输入数据流无效，且length被置为零；否则length被设置为读入的数据字节数。length孝Eldata_size的最大值为255。为了能够正确的访问并行I／O对象，NeuronC提供了如下的函数和事件：(1)io_in_ready无论何时，当需要被读取的报文到达该并行总线时，该事件变为真，然后应用程序调用io砥)函数来取得该值。确切的执行法则如图3—8所示。(2)io__outrequest()该函数用来为一个I／0对象请求iooutready信号。它使应用程序暂存数据，直至tJio_out_ready事件变为真。该函数使神经元芯片从并行I／0接口得到令牌。30 第3章基于MSP430F149的网络节点开发(3)io_out_ready无论何时，当并行总线对于神经元芯片处于可写的状态，同时iooutrequest()函数已预先启动，此时该事件为真。然后应用程序必须调用ioout()函数向并行口写数据。该函数为并行接口交换令牌。(4)ioin()当CMDXFER字节已经被神经元芯片读取，运用该函数读入传输数据的长度字节，之后读取传输的数据。(5)ioout()该函数将CMDXFER字节写入并行接口，随后神经元芯片执行写数据长度及传输数据的指令，这个函数同时也清除iooutrequest标志。图3．8神经元芯片通讯调度程序Fig．3-8TheNetgonChipalgorithmforcommunication在此，省略对指针变量piofc的定义，给出从机神经元芯片执行通讯任务的主要程序如下：100parallelslavetxbus；／／定义该并行I／O对象名farpiofcp_in,p_out；／／定义指向并行接口的变量31 燕山大学工学硕士学位论文networkoutputstruet／／定义输出网络变量用于接收数据缓存(unsignedhatlength；unsignedhatdata[data_size]；}nv_data_out；networkmputstruct／／定义输入网络变量用于发送数据缓存{unsignedintlength；unsignedintdata[datasize]；)nv_data_in；when(io_outready(txbus))／／准备发送数据{io_out(tx_bus，&pout)；}／／向单片机发送数据when(io_in_ready(txbus))／／准备好接收数据{pin．1ength=data_size；io_in(tx_bus，&p_岫：／／接收数据forO=O；iO，采用最小新风量减少制冷负荷。新风阀门开 第4章基于LonWorks总线的空调控制系统至最小。保证送风中有10％新风量要求。B区：制冷工况且Ah<0，采用最大新风量利用自然冷源。新风阀门开至最大。C区：进入过渡季节，与制冷工况区相比较，此时室外新风焓进一步降低。因此可利用一部分回风与新风相混合，即可达到要求的送风状态。所以在此关闭冷水阀，通过控制新风阀的开度完全依靠自然冷源维持系统运行。D区：空调进入采暖工况，Ah