基于LON总线技术的智能节点研究与开发

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第11卷第5期淮　阴　工　学　学　报Vol.11No.52002年10月JournalofHuaiyinInstituteofTechnologyOCT.2002基于LON总线技术的智能节点研究与开发颜廷勇,邵如平,林锦国,刘定球(南京工业大学自动化学院　江苏　南京　210003)摘　要:介绍了现场总线技术及其应用较为广泛LON总线技术。国内的LON总线技术还处于应用阶段,一般直接使用国外公司的一些固件模块,很少有自己开发的基于LON总线技术的产品。结合工程应用,提出了解决关于LONWORKS智能节点的开发方面的技术方案、采用手段及相应的LON的组网过程。关键词:现场总线;LONWORKS技术;LONTALK协议;智能节点中图法分类号:TP336　　文献标识码:A　　文章编号:1009-7961(2002)05-0052-05技术使互操作性变成即插即用的具体手段。Lon21　引　言works技术被设计用于实时控制应用,涉及领域很自动控制系统发展至今,先后经历了基地式气宽,包括工业过程控制、工厂自动化、交通运输及建动仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系筑自动化,使得未来的控制进一步分散化,实现现统、直接数字控制系统和集散控制系统(DCS)等不[3]场总线的联网控制。同阶段,它们被统称为传统控制系统。而现场总线本文结合某高档豪华住宅小区的自动抄表系技术的产生促成了一种全新的网络集成式全分布统,提出开发符合LONTALK协议的LONWORKS智控制系统———现场总线控制系统FCS(Fieldbus能节点,在实现智能节点开发的基础之上,利用ControlSystem),它将成为继传统控制系统之后的新LNS、NODEBUILDER等开发工具进行组网,开发出[1]一代自动控制系统。网络监控系统,利用LNS中提供DDE数据源,用现场总线是在生产现场、微机化测量控制设备VB开发出实时数据库系统及相应的管理系统,便之间实现双向串行多节点数字通信的系统,是开放构成了一个LONWORKS现场总线系统,实现小区的、数字化、多点通信的底层控制网络。现场总线的抄表、数据库管理和网络管理。智能仪表在传统的测量控制仪表的基础上,使用微处理器,从而具备了数字通信的能力。现场总线同2　系统的硬件开发时还是一个全分布式控制系统,把控制功能下放到本系统硬件部分开发,主要侧重于用户表的信现场,依靠现场设备就可以完成最基本的控制功号采集部分和智能节点部分硬件设计,其它的收发能。智能仪表具有自己的CPU,通过各种接口和软器模块、路由器及其它接口卡均使用Echelons公司件开发可以实现基本控制、参数补偿、参数修改、报和第三方的具有互操作性的产品。[2]警、显示等功能,适应了分布式的要求。2.1　信号采集电路LON总线是当前最流行的现场总线之一。为系统计算能源值是通过计数脉冲个数的形式加支持LON总线,Eehelon公司开发研制了Lonworks以实现的,即需要输入的信号为脉冲信号,所以必须技术,它为LON总线设计、成品化提供了一套完整将电能值转变成相应的数字量。在外部安装施工的开发平台。Lonworks技术的通讯协议称为时,对于老式居民楼,电度表大多是转盘表,可采用LonTalk通讯协议,LonTalk通讯协议包含ISO/OSI在普通电表内加装磁感应探头的方法进行信号转中所有七层网络协议,并固化在Lonworks产品中换,将表盘所转圈数转换为电脉冲输出;对于新建居(即SmartI/O模块中的神经元芯片中)。Lonworks民小区,可直接采用安装带脉冲信号的电子式单相电度表,这种电度表外接5V电源后,通过光耦即可基金项目:江苏省教育厅自然科学基金资助项目(99KJB510004)收稿日期:2002-08-10;修改时期:2002-09-13产生符合智能节点要求的波形稳定的脉冲信号。由作者简介:颜廷勇(1973-),男,江苏淮安人,南京工业大学自于本系统是新建小区,均采用新式的电子式单相电动化学院在读硕士。镀表,电镀表的二次开发主要集中在信号安全处理、©1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved. 　第5期　　　　　　　　　　　　　　基于LON总线技术的智能节点研究与开发　　　　　　　　　　　　53费用不足报警和断电、液晶显示等方面,每户电表模　　智能节点模块采用MIP节点的结构形式,神经块能记录输出的脉冲,并在一段时间之后和智能节元芯片采用MC143150,外挂32KFLASH芯片点通信,由于电表已全部出户,通信直接采用232通AT29c256作为存储单元。3150系列神经元芯片无信协议标准进行单机和多机通信即可,这给工程施片内ROM,但具有访问外部存储器的接口,寻址空工带来很大的便利。间可达64K,所以,29C256一方面作为程序存储器,采集模块CPU选择80C196KC单片机,根据采存放智能节点软件;同时,作为数据存储器,可动态集模块的尺寸设计了大小合适的中心接口,使用时存取智能节点的运算结果。只需将模块对号插入相应的接口,接通电源即可。在Neuron芯片MC143150中有三个CPU单元,电路中通过二极管的闪亮来指示信号送入模块的每个CPU各自分工不同。CPU-1是介质处理器,运行情况。在设计过程中,为了检测采集信号是否CPU-2是网络处理器,用于处理网络事务,并控制正确,同时将脉冲信号送入自行设计的计数器中,网络通信端口,物理地发送和接收数据包,CPU-3计数器通过液晶显示器来显示,与计算机中接收到是应用处理器,它执行用户编写的代码及执行用户的数据比较,确保信号采集准确无误。代码调用的操作系统命令。三个CPU协调工作,对于老式居民楼,除还应该考虑到信号的获得CPU-1和CPU-2共享存储区中的网络缓冲区进即前文所说的信号转换问题外,还要解决信号传送行通信,CPU-2和CPU-3共享应用缓冲区进行通信道的问题。由于老式居民楼电表在室内,所以用信。在本系统中,MC143150可以完成数据处理、系户电表与智能节点之间的距离就可能有10米甚至统控制、网络通信的功能,作为固件(FIRM),其系20米以上,此时用户表信号与智能节点的通信就统是典型的嵌入式系统。需建立通信信道,以保证信号能准确地发送给智能本系统采集到的现场信号和神经元芯片3150节点。对于这一点,尽管本系统不存在这个问题,相连,3150芯片具有11个I/O口,智能节点实现和但考虑道系统的通用性,系统设计时也加以处理。用户电表采集模块的通信依靠神经元芯片I/O8+系统选择EIA485通信协议标准,在用户电表端二I/O9+I/O10+I/O0～I/O7,采用全双工同步串行次开发时,留有485通信模块和485通信接口,以通信机制进行数据的发送和接收,其中使用I/O8保证较远距离信号传递。～I/O10进行三线制的串行通信,I/O0～I/O7作为[3]2.2　智能节点硬件设计地址片选信号,所以从理论上将本系统低层用户由电度表采集的脉冲信号经信号采集电路处点可达255个,但实际使用时为保证通信信号性理之后,本系统规定每隔12小时将信号发送给智能,规定每个智能节点最多采集16路电表信号。能节点,智能节点将可将该用户数据保存,然后将为了更有效地避免通信信号冲突,系统采用轮循编数据通过LON总线发送给主控机。智能节点主要码,并将各个用户与智能节点通信的时间有效地分负责将信号藕合到LON总线网络。隔,使用多通路采样开关进行信号隔离,保证通信智能节点部分结构图如图1所示:能得以准确安全可靠快速地进行。在采集到某一用户的数据信号后,智能节点将信号保存到29C256,作为历史数据,并将数据发送给上位机。智能节点与上位机的通信是通过LON总线作为通信信道,通信功能的完成是利用MC143150的多功能通信端口,采用差分工作方式,使用差分曼彻斯特编码所提供的数据格式使得数据在信道中传输。由MC143150的CP0、CP1、CP2、CP3四个引脚,配合收发器,将数据流送到LON总线或从总线上获得相应的数据信息。本系统的收发器选用双绞线收发器FTT-10A,FTT-10A属于变压器耦合型的收发器,其包含一个隔离变压器,一个蔓切斯特编码器,集成在图1　智能节点的结构框图一个芯片中,适合于高性能、高隔离度和高抗干扰©1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved. 54　　　　　　　　　　　　　　　　　淮阴工学院学报　　　　　　　　　　　　　　第11卷场合,并且支持无极性、自由拓扑的互连方式。本系统为了支持LONMARK对象,编程时全部采用[4]标准网络变量的形式。3　智能节点的软件模块开发3.2NEURONC程序设计LONWorks总线的核心部分是实现现场总线信结合硬件资源分配、功能划分,规划智能节点号的数字通信。LonTalk协议是ISO组织制定的的软件功能模块。OSI开放系统互连参考模型的七层协议的一个子3.2.1　系统流程集。它包容LON总线的所有网络通信的功能,提智能节点软件部分的流程框图如图2所示:供了一个固化在神经元芯片的功能强大的网络操作系统,LONTALK协议支持OSI的全部七层协议,从而使得LON总线能够直接面向对象通信,采用网络变量的形式,使用NeuronC编程语言,可使通信数据在各种介质中可靠地传输。3.1LON总线技术软件特性LonTalk协议的网络地址结构有域(Domain)、[2]子网(Subnet)、节点(Node)这三层结构。LonTalk中,通道(物理上能独立发送报文的一段介质)不影响网络的地址结构,域、子网和组都可以跨越多个通道,一个网络可以由一个或多个通道组成。通道之间通过桥接器(Bridge)来连接。LonTalk协议MAC子层采用带预测的P-坚持CSMA协议。带预测的P-坚持CSMA协议对所有节点都根据网络积压参数等待随机时间片来访问介质,有效地避免了网络频繁碰撞。每一个节点发送前随机插入0到W个随机时间片,W则根据网络积压参数(BL)进行动态调整。BL值是对当前网络繁忙程度的估计,每一个节点都有一个BL值。图2　本系统智能节点软件流程图带预测的P-坚持CSMA允许网络在轻负载的情3.2.2　系统说明况下,插入的随机时间片较少,节点发送速度快,而本系统的采样周期为80ms。每隔12小时系统在重负载的情况下,BL值增加,插入的随机时间片产生一次中断,在中断程序里进行各户的数据进行较多,则可以有效避免碰撞。采集处理,每个用户分配的通信时间为1分钟,接收[2]MAC层中提供一个可选择的优先级机制。到数据进行运算,并将运算结果送至29C256的数据该机制允许用户在一个特定的通道上为有优先级区保存。通过对系统进行编程,形成软件定时器。的节点指定时间片,在一个通道上的优先级时间片系统上电复位后,初始化系统,然后等待定时为每一个报文的传输增加时间,因此具有优先级的中断。在中断程序执行时,首先判断系统是否要和节点的反应时间比没有优先级的节点短。上位机通信,智能节点通过识别通信标志位进行判LonTalk协议提供四种报文服务:确认服务、别。系统规定智能节点每隔24小时发起一次通信请求/应答方式、非确认重发方式和非确认方式。请求(将通信标志位置1),执行对应的通信子程网络变量是LonTalk协议中的数据项,用关键序,将累积的电能数据发送给上位机,同时智能节字Network定义,网络变量对在同一个网络中的其点自动保存相应的结果,清除通信标志位,返回主他节点是透明的,对输出网络变量进行赋值操作控程序段。时,就可引发发送事件,定义了相同网络变量的其程序若不产生通信请求或在通信完成后返回,他节点均可收到。LonTalk协议定义标准网络变量系统进行按键扫描识别,执行相应的程序功能,最类型(SNVT)来实现应用之间的兼容,标准网络变后显示,循环往复。主程序段采用事件循环的形式量类型定义了变量的单位、数值、范围和分辨率。循环往复。©1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved. 　第5期　　　　　　　　　　　　　　基于LON总线技术的智能节点研究与开发　　　　　　　　　　　　553.2.3NeuronC程序实现态建立各监控点。LNS为网络程序的完整性与正NeuronC是一种面向对象程序设计语言,它是确性提供了很好的基础,但在程序设计中必须着重从ANSIC中派生而出。本系统主要利用LONTALK考虑与实际操作过程相关的安全性,如在生产过程协议提供标准网络变量(SNVT)报文服务实现LON中意外情况下的出错处理。本系统利用VB环境网络的通信。限于篇幅,此处不在写出具体的下的出错处理机制,根据LNS对象的状态返回信NeuronC程序段。息对所有未能成功完成的操作都进行了处理,保证了操作的安全性。4　网络管理和数据库管理系统数据库管理主要实现网络节点的状态监LON总线中,当单个节点建成后(系统中智能视、住户表使用情况的实时查询、历史查询及实现节点),节点与节点、节点与上位机之间需要通信,自动收费和人事管理功能。就需要一个网络工具为网络上的节点分配逻辑地系统的上位机端数据库管理采用VB6.0开址,同时需把网络变量和显示报文连接起来,构成发,由于LNS中提供DDE接口,所以实时数据的获LON总线网络。Echelon公司推出一套集网络安得在VB环境下显得非常容易。装、维护和监控于一体的网管工具LNS,其在WIN25　结束语DOWS的环境之下全32位编程,采用C/S方式,网络上的任意一个智能节点都可以通过它对网络进(1)采用现场总线技术将使原先单独分散的测行网络管理,使网络具有很好的灵活性。控设备转变成为网络节点,把它们连接成网络系统LNS网络操作系统为用户提供了紧凑的、面向后便可加入到企业信息网络的行列中,从而沟通了对象的编程模型,以减少开发时间与程序代码。生产过程的现场设备之间及它们与更高层的控制LNS将LONWORKS网络表现为对象的层次结构,管理网络之间的联系,为彻底打破自动化系统的信相应于网络设备、特性和操作。这些对象提供了一息孤岛创造了条件。整套方法、属性和事件,以实现网络/应用程序接(2)由于开发周期短,相对投入较少,通信的效口。通过对象引用,用户程序可以实现过去网管率、可靠行较高,LON总线技术已经成为当前最流工具才能实现的组网、配置等任务。LNS的编程模行的现场总线之一,基于LON总线技术的智能节型包括4个关键组件:网络应用程序,LNS对象服点的开发必将迎来新兴的时期。可以预见,LON总务器COM组件(LNSObjectServerComComponent),线技术的产品必将极为广泛地应用在工业、楼宇、LNS服务器(LNSServer)和数据服务器(DATA家庭、能源等自动化领域。Server)。所有的网络应用程序与LNS对象服务器参考文献:相交互,LNS对象服务器COM组件提供程序访问[1]HodsonWR.FieldbustochangeDCSrole,butdeathre2portgreatlyexaggerated[J].InTech.1997(11):36-39.LNS服务器和数据服务器的接口,这一接口独立于[2]阳宪惠主编.现场总线技术及其应用[M].北京:清编程语言。LNS将网络表现为网络对象的形式,华大学出版社,1999:1-2,4-9,189-237LNS提供两种系统级别的监控方式:单点监控与[3]李华,孙小民,李红青,徐平,张新宇.MCS-51系集合监控。这两种监控方式都使用监控点。一个列单片机实用接口技术[M].北京:北京航空航天大学出版监控点就是一个可被应用程序读写的网络变量或社,2000:75-76应用程序消息。[4]杨育红,涂敏,李滨.LON网络程序设计[M].西安:系统网络管理主要功能包括以下三个方面:网西安电子科技大学出版社:1,58-88络安装、网络维护和网络监控。[5]王亚刚,郑德忠,戴自祥,邵惠鹤.基于LonWorks系统所设计的软件在VB环境下实现了实时现场总线的自整定PID控制系统[J].化工自动化及仪表,监控方式。用户可以监控任何网络变量,也可以动2000(3):32～36DesignanddevelopmentofintelligencenodebasedonLONBustechnologyYANTing-yong,SHAORu-ping,LINJin-guo,LIUDing-qiu(CollegeofAutomatization,NanJingUniversityofIndustry,Nanjing,Jiangsu,210003,China)Abstract:ThearticleintroducesFieldBustechnologyandLONBustechnologywhichareappliedwidely.Ourcoun2©1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved. 56　　　　　　　　　　　　　　　　　淮阴工学院学报　　　　　　　　　　　　　　第11卷try’sLONBustechnologyisstillinapplicationlevel,andwerealizethistechnologybyusingdirectlyafewfirmwaremodulesofsomeoverseascompaniesbecausewealmosthavenotproductsbasedonLONBustechnologydevelopedbyourselves.Combiningprojectapplication,wemainlyresolvedevelopingaspect’stechnologyschemeandadoptedmeansaboutLONWORKSintelligencenode,andresolverelevantprocessionofLON’snet-construction.Keywords:fieldBus;lONWORKStechnology;LONTALKprotocol;intelligencenode;(责任编辑:周广宏)(上接第19页)3.1　显示子程序器的利用率。系统通过单片机的P1口和P3.5～P3.7,实现在该仪器中利用MCS-51单片机的控制技术,给定电阻值的显示。对调试电阻的阻值根据需要进行修改,并对不同规格的产品的切换进行控制处理,设计满足了生产厂4　应用情况家在不同时期对保护器产品剩余电流参数调试的本仪器在保护器产品的调试工序已使用二年实际需要,仪器操作简单,安装调试容易,维护十分多,使用的反馈是:(1)仪器安全可靠,精度高;(2)方便,具有经济实用价值。操作简便,大大地提高了该工序的劳动效率;(3)在参考文献:[1]张毅刚,修林成,胡振亚.MCS-51单片机技术.哈面板上加上转换开关,经过软件处理,能将两种或尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1992.两种以上不同规格的产品实行同台分时调试工作,[2]GB6829-95,剩余电流保护器的一般要求[S].一机多用,既降低了仪器的制作成本,又提高了仪TheApplicationofsinglechipmicrocomputerintheresidualcurrentparameterdebugginginstrument12JIAJian-hua,XUJiang-hai(1.HuaiyinSuyiElectricApplianceCO.LTD,HuaianJiangsu223001,China;2.HuaianInstituteofCommunicationVocationTechnology,HuaianJiangsu223001,China)Abstract:Thispaperpresentsahardwareandsoftwaresolutionoftheresidualcurrentparameterdebugginginstrumentinwhichthesinglechipmicrocomputerisakeypart.Itisapprovedthatthesolutionpossessescharacteristicsofve2racityandfeasibility.Keywords:Singlechipmicrocomputer;Hardwarestructure;Programflowchart(责任编辑:周广宏)©1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.