基于ＬｏｎＷｏｒｋｓ 网络的ＰＩＤ控制节点的设计 北京化工大学自动化系（１０００２９） 庞彦斌 程 炜 摘 要：介绍了基于Ｎｅｕｒｏｎ芯片的ＬｏｎＷｏｒｋｓ 网络ＰＩＤ控制节点的设计及开发。具体包括节点的硬件电路及软件设计方案。本设计方案经过实验验证是切实可行的。 关键词：现场总线控制系统（ＦＣＳ） ＬｏｎＷｏｒｋｓ技术 ＰＩＤ Ｎｅｕｒｏｎ芯片 现代工业过程控制领域对测控系统的速度、精度、成本等方面提出了更高的要求，全数字、双向、多节点的现场总线应运而生。现场总线是一种串行的数字通信链路，它沟通了生产领域的现场设备之间以及与更高层次控制过程设备之间的联系。 ＬｏｎＷｏｒｋｓ技术是Ｅｃｈｅｌｏｎ公司于９０年代推出的一种主要用于设备联网的局域操作网络技术ＬＯＮＬｏｃａｌ Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｎｅｔｗｏｒｋ。ＬｏｎＷｏｒｋｓ技术的优势是将通讯协议固化于Ｎｅｕｒｏｎ芯片中，并且提供一套完整的开发与建网工具--ＬｏｎＢｕｉｌｄｅｒ和ＮｏｄｅＢｕｉｌｄｅｒ。这样使得用户可以较少关心网络的通讯，而集中于节点的具体应用开发。ＬｏｎＷｏｒｋｓ技术极大地方便了用户，也促进了该技术的推广应用。 现场总线控制系统（ＦＣＳ）是工业控制系统发展的必然趋势，然而在短时期内它无法完全取代ＤＣＳ系统，因此现有的４～２０ｍＡ模拟仪表到现场总线的接口开发具有较强的可行性及现实意义。本文拟对基于ＬｏｎＷｏｒｋｓ 网络的ＰＩＤ控制节点的设计与开发作一论述。 １ 整体设计思想 现场仪表，如测量变送器、执行器、调节阀等的输入／输出信号多为４～２０ｍＡ模拟信号。本节点的任务是在完成现场模拟仪表与ＬｏｎＷｏｒｋｓ网络连接的基础上，实现对被控对象的控制，即对现场仪表进行测量信号采集，控制运算及控制信号输出。整体节点设计分为三部分：信号采集、控制运算及信号输出。 Ｎｅｕｒｏｎ芯片能够完成信息的输入、处理、输出，并可通过不同的收发器与不同的通讯介质相连接，方便地实现网络通讯。以其为中心器件，配以相关外围电路构成的节点，实现了用户应用程序与组网通讯的统一。 本文设计的ＰＩＤ控制节点的结构示意图如图１所示。
考虑到工业现场的电气工作情况，为保护节点核心部分免受损坏，在模拟输入／输出与Ｎｅｕｒｏｎ芯片之间加入光电耦合器件，从而提高了节点的抗干扰性能。 ２ 节点实现 ２．１ 关键技术 ＬｏｎＷｏｒｋｓ技术的核心是Ｎｅｕｒｏｎ芯片。它是由美国Ｍｏｔｏｒｏｌａ和日本东芝两大芯片制造商生产的，共有两个系列ＭＣ１４３１５０和ＭＣ１４３１２０。本设计采用的是ＭＣ１４３１５０，可带片外存储器类型。该类型专门用于需要较大应用程序的传感器控制系统。 ＭＣ１４３１５０芯片内部有三个ＣＰＵ，即：介质访问ＣＰＵ，网络ＣＰＵ，应用ＣＰＵ。它们与片内存储器、网络通讯接口、定时／计数器、Ｉ／Ｏ口驱动电路通过１６位地址总线和８位数据总线相连。芯片内部结构示意图如２所示。
Ｎｅｕｒｏｎ芯片有１１个可编程的Ｉ／Ｏ引脚，并提供四类共３４种Ｉ／Ｏ对象。通过引脚的不同配置，为外部硬件提供灵活的接口，实现不同的Ｉ／Ｏ对象。这四类Ｉ／Ｏ对象为：直接Ｉ／Ｏ、并行Ｉ／Ｏ、串行Ｉ／Ｏ和计时器／计数器Ｉ／Ｏ对象。 本设计选用串行Ｉ／Ｏ对象中的Ｎｅｕｒｏｎｗａｒｅ对象。该对象通过Ｎｅｕｒｏｎ芯片１１个引脚中的ＩＯ．８～ＩＯ．１０进行三线串行传输，ＩＯ．０～ＩＯ．７可作为片选信号输出。数据传输以８位为单位，一次最多可传输２５５位。对于１０ＭＨｚ晶振输入的Ｎｅｕｒｏｎ芯片，其串行时钟频率为２０ｋＨｚ，串行数据传输速率满足现场控制要求。 Ｎｅｕｒｏｎ芯片的输入／输出对象中有ｐａｒａｌｌｅｌ并行Ｉ／Ｏ对象。该对象有３．３Ｍｂｐｓ的高传输速率，但由于其适用于８位并行数据，而且占用Ｉ／Ｏ引脚较多，功能扩展较复杂。所以不采用并行Ｉ／Ｏ对象。 ２．２ 节点硬件／软件设计 信号采集部分，采用高速、串行１２位、８通道模数转换器ＭＡＸ１８６。现场４～２０ｍＡ测量信号经过２００Ω精密电阻变为０．８～４Ｖ电压，进入ＭＡＸ１８６的输入通道。ＭＡＸ１８６具有一个内部４．０９６Ｖ基准源，每一通道带跟踪／保持（Ｔ／Ｈ）电路，最高采样频率可达１３３ｋＨｚ。其ＳＣＬＫ、Ｄｉｎ、Ｄｏｕｔ引脚分别与Ｎｅｕｒｏｎ芯片的ＩＯ．８、ＩＯ．９、ＩＯ．１０相连。ＩＯ．１作为ＭＡＸ１８６的片选信号（／ＣＳ）。ＭＡＸ１８６的控制字的写入与转换数据的输出通过串行数据线完成。其各个输入通道由控制字进行选择。ＭＡＸ１８６外部接线简洁。 信号采集电路如图３所示。
ＭＡＸ１８６接口程序为： ＩＯ＿８ ｎｅｕｒｏｗａｒｅ ｍａｓｔｅｒ ｓｅｌｅｃｔ(ＩＯ＿１) ＭＡＸ１８６; ／／定义Ｉ／Ｏ对象为ｎｅｕｒｏｗａｒｅ，ＩＯ＿８为时钟输出引脚；ＩＯ＿９为串行数据输出引脚；ＩＯ＿１０为串行数据输入引脚；选择主模式，ＭＡＸ１８６片选信号由ＩＯ＿１输出；数据在时钟上升沿被传输／／ ＩＯ＿１ ｏｕｔｐｕｔ ｂｉｔ ＭＡＸ１８６＿ＣＳ＝１; ／／定义ＩＯ＿１为位输出，作ＭＡＸ１８６的片选信号／／ Ｗｈｅｎ(ｔｉｍｅｒ＿ｅｘｐｉｒｅｓ(ｃｌｏｃｋ＿１)) ／／ 定时／计数器ｃｌｏｃｋ＿１满事件驱动／／ Ｉｏ＿ｏｕｔ(ＭＡＸ１８６＿ＣＳ,０); ／／选中ＭＡＸ１８６／／ Ｉｏ＿ｏｕｔ(ＭＡＸ１８６,１０００１１１１); ／／向ＭＡＸ１８６送控制字：选择通道０，单极性，单端输入，外部时钟模式／／ Ｉｎｐｕｔ＝ｉｏ＿ｉｎ(ＭＡＸ１８６,＆ｉｎｐｕｔ,１６); ／／输入转换结果／／ Ｉｎｐｕｔ＝ｉｎｐｕｔ＞＞４; Ｉｏ＿ｏｕｔ(ＭＡＸ１８６＿ＣＳ,１); ／／不选中ＭＡＸ１８６，结束信号采集／／ 控制运算部分主要通过对Ｎｅｕｒｏｎ芯片编程完成。Ｎｅｕｒｏｎ芯片的编程语言为由ＡＮＳＩ Ｃ发展而来的Ｎｅｕｒｏｎ Ｃ语言。它包括对ＡＮＳＩ Ｃ的扩展，并增添了一些较强的功能，如：网络变量类型，事件调度ｗｈｅｎ语句。网络变量简化了节点间的数据共享。本设计中ＰＩＤ控制运算的设定值、比例放大系数、积分／微分时间等数值均通过网络变量的形式传送。 ＰＩＤ控制运算的流程图如图４所示。
信号输出部分选用串行１２位数模转换器ＭＡＸ５３８。由于现场执行机构多接收４～２０ｍＡ信号，所以需要将ＭＡＸ５３８的电压输出转换成电流信号，为此选用ＡＤ６９４完成电压／电流转换。ＡＤ６９４具有内部电压基准，可输出作为ＭＡＸ５３８的Ｄ／Ａ转换基准，简化了电路设计，节省了空间。另外，ＡＤ６９４有较强的驱动能力，对于需要免除噪声的４～２０ｍＡ信号传递以驱动操作电子管、传动装置和其他控制器件，它是理想的选择。 本ＰＩＤ控制节点设计为两路输出，片选信号分别由ＩＯ．２、ＩＯ．３给出，具体电路如图５所示。
信号输出部分接口程序为： ＩＯ＿８ ｎｅｕｒｏｗａｒｅ ｍａｓｔｅｒ ｓｅｌｅｃｔ(ＩＯ＿２) ＭＡＸ５３８; ＩＯ＿２ ｏｕｔｐｕｔ ｂｉｔ ＭＡＸ５３８＿ＣＳ＝１; Ｉｏ＿ｏｕｔ(ＭＡＸ５３８＿ＣＳ,０); Ｉｏ＿ｏｕｔ(ＭＡＸ５３８,＆ｏｕｔｐｕｔ,１６); Ｉｏ＿ｏｕｔ(ＭＡＸ５３８＿ＣＳ,１); 总之，本文设计的基于ＬｏｎＷｏｒｋｓ 网络的ＰＩＤ控制节点, 经过实验验证是切实可行的。它具有组网方便、集成度高、成本低等特点。利用它与其它种类的测控节点配合，加上上位操作管理计算机，可以容易地构成彻底分散的、地域分布的网络测控系统。这种系统可用于污水处理、过程控制、楼宇自动化等场合。 -------------------------------------------------- 参 考 文 献 1 Ｅｃｈｅｌｏｎ公司．Ｎｅｕｒｏｎ Ｃ参考手册．１９９５ 2 Ｅｃｈｅｌｏｎ公司．Ｎｅｕｒｏｎ Ｃ程序员指南．１９９５ 3 ＭＯＴＯＲＯＬＡ公司．ＬｏｎＷｏｒｋｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｄｅｖｉｃｅ Ｄａｔａ １９９６ 信息来源：龙控网