内容来源： www.loncontrol.com 　　 EIA RS-232-C/RS-485信号LonWorks节点 　　 赵家贵 文 波 北京科技大学信息工程学院， 北京 100083 　　 　　摘要：针对工业现场常见的EIA RS-232-C/RS-485信号设计了一类基于Neuron芯片的LonWorks节点，该节点构成了EIA RS-232-C/RS-485标准与LON的通讯协议之间的网关． 　　关键词：LON Neuron芯片； EIA RS-232-C/RS-485标准； 节点 　　分类号：TP　393.03 　　 　　A Kind of LonWorks Node for EIA RS-232-C/RS-485 Signal 　　 　　Zhao Jiagui, Wen Bo 　　Information Engineering School, UST Beijing, Beijing 100083, China 　　 　　ABSTRACT A kind of LonWorks Node based on Neuron chip was developed for EIA RS-232-C/RS-485 signal. The node actually works as a gateway between RS-232-C/RS-485 standard and LonTalk protocol. 　　KEY WORDS LON Neuron chip; EIA RS-232-C/RS-485 standard; node 　　 　　　　从80年代末开始现场总线(FieldBus)成为工业控制领域的热点，至今已出现多种现场总线标准，较为著名的有FF，CAN和LON等[1]． 　　　　以Neuron芯片为核心，辅以LonWorks收发器、现场信号的前置调理等电路即可构成LON的组成单元——典型节点．节点的作用是将工业现场的传感器或执行器的信号转换为包含LonTalk协议的数据，从而与现场的其他节点直接进行通讯，最终使得测量和控制等功能全部下放到现场级设备[2]． 　　　　EIA RS-232-C/RS-485地标准广泛为工业现场设备所采用，是一种常见的电气和通讯接口，如PLC、智能仪器和调制解调器等设备均采用232或485标准．因此，将现场设备的232/485信号转换为包含LonTalk协议的信息，从而与现场的其他LON节点以及LON网络管理设备实现通讯，具有实际应用和拓宽LON应用范围的意义． 　　　　Neuron芯片的11个I/O有34种可选工作模式，其中包括串行I/O方式．该方式的数据格式为1位起始位、8位数据位和1位停止位，数据速率可由软件设置为600，1200，2　400　和4　800　bps，且其工作方式为半双工．从数据速率和工作方式来看，Neuron芯片自身所提供的串行接口有很大的局限性，例如当数据速率要求大于4　800　bps或要求全双工方式工作等情况下均无法实现．鉴于此，根据现场具体应用的要求，本文设计了最大数据传输速率为115,200　bps、全双工的工作方式(不包括485信号)的LonWorks节点．该节点实际是RS-232-C/RS-485标准与LonTalk协议之间的网关． 　　1　节点硬件设计 　　1.1　Lon Works节点硬件结构框图 　　　　该节点的框图如图1所示． 　　 　　 　　 　　图1　BS-232-C/485信号的LonWorks节点结构框图 　　 　　　　该节点的工作原理如下：采用适当的接口芯片将现场信号电平转换为TTL兼容电平；采用硬件UART将串行信号转换为并行信号从而与Neuron芯片接口；Neuron芯片将输入数据处理为网络变量或其他包含LonTalk协议的数据并输出；采用LonWorks收发器将Neuron芯片的输出数据发送至LON的网络介质． 　　　　该节点既可与进行测量的现场仪表相连，也可与执行控制功能的设备相连．也就是说，该节点可处理双向信号，而这是通过软件设计来实现的． 　　1.2　节点的硬件电路设计 　　　　该节点中，Neuron芯片选用Motorola公司生产的MC143150．3150片内存储器的地址范围是E800H桭FFFH，包括2　kB的SRAM和512B的EEPROM．3150可以外接存储器，如RAM、ROM、EEPROM或FLASH，其地址范围是0000H桬7FFH．根据一般应用的性能和成本要求，该节点的外部存储器采用EPROM和RAM．EPROM选用27C256　120，RAM选用HY62256－10．27C256的地址范围由Neuron芯片的地址线和控制线E来确定．62256的地址范围通过可编程逻辑阵列(GAL)根据Neuron芯片的地址线和控制线E来确定．另外，当节点采用RS-485方式时，GAL通过来自UART的RTS信号对485接口处于发送还是接收状态进行控制．232信号的调理电路选用SN75LBC187，它将??12V的232电平转换为＋5V电平，然后送至UART．选用MAX485芯片将485差分信号转换为单端信号． 　　　　为提高节点所能处理的信号的数据速率，该节点采用异步串行通讯器件UART来实现信号与Neuron芯片I/O的接口．UART选用NS公司的PC16550D．16550D可将来自外设的串行信号转换为并行信号，或将来自CPU的并行信号转换为串行信号．通过对16550D内部寄存器进行编程，即可建立异步串行通信协议(数据传输速率、数据格式等)以及UART的操作方式(查询I/O或中断I/O)．为了同UART的并行信号接口，将Neuron芯片的8个I/O进行地址、数据复用，其余3个I/O作为读写UART的控制信号通道．此处采用地址数据分离器件74HCT573进行地址的锁存，实现地址和数据的分离． 　　　　Neuron芯片与LON的网络介质的接口采用一种LonWorks收发器棗自由拓扑型收发器FTT-10A．FTT-10A是一种变压器耦合收发器，可提供一个与双绞线的无极性接口，且支持网络的自由拓扑结构．网络通讯介质采用最常用的双绞线． 　　1.3　节点的抗干扰设计 　　　　工业现场的环境一般来说较为恶劣，存在多种干扰．为保证通讯的准确无误，延长硬件使用寿命，该节点除采用通常的供电和接地抗干扰措施外，主要是要避免和消除来自网络介质的静电泄放(ESD)和电磁干扰(EMI)，即主要针对FTT-10A来设计抗干扰电路． 　　　　对于ESD，在印刷电路板(PCB)设计中应提供一个导入大地的通道，还要不致引起整个PCB电压的升降，具体采用火花放电隙和箝位二极管来实现．对于EMI，因为FTT-10A对垂直杂散电磁场最不敏感，而对水平杂散电磁场最敏感，所以在PCB设计中应使FTT-10A尽量远离水平杂散电磁场区域，对于不可避免的杂散电磁场应使其相对于FTT-10A垂直分布． 　　2　节点软件设计 　　2.1　Neuron芯片的编程语言——Neuron C 　　　　Neuron芯片有一套专门的开发语言——Neuron C．Neuron C派生于ANSI C，并增加了对I/O、事件处理、报文传送和分布式数据对象的支持，是开发Neuron芯片应用程序的重要工具．与ANSI C不同的是，Neuron C不支持文件I/O和浮点运算；但是，Neuron C有专用的实时库和语法扩展以支持Neuron芯片的智能分布式控制应用．其语法扩展包括软件定时器、网络变量、显式报文、多任务调度、EEPROM变量和附加功能等．其中，网络变量的使用为LON节点间的通讯及互操作提供了基础．通过不同节点的、相同类型的网络变量的互连，即可实现节点之间的数据传递．也就是说，LON节点通过网络变量实现了数据的共享． 　　2.2　节点的软件设计 　　　　该节点的应用程序采用Neuron C语言编写．其功能是实现现场设备的232C/485信号与包含LonTalk协议的数据之间的相互转换． 　　　　以节点与现场测量设备相连为例进行讨论．根据硬件设计，将Neuron芯片的I/O定义为多总线(muxbus)I/O对象类型．多总线I/O为并行I/O对象，使用11个I/O构成8位地址和双向数据总线接口，即采用地址和数据的总线复用．定义多总线I/O对象的Neuron C源代码如下所示：IO_0 muxbus IO_BUS，其中，IO_BUS为所定义的I/O对象名称． 　　　　节点程序包括：初始化16550D，从16550D的接收缓冲寄存器读取所测量的数据、进行相应的数据处理并打包为输出网络变量等3个部分． 　　　　初始化16550D主要包括:初始化线路控制寄存器(LCR), 确定数据格式为8位数据位、1位停止位、无奇偶校验位，并使其D7位为1以允许设置波特率因子寄存器；然后初始化波特率因子寄存器(DLL和DLM)为允许范围内的某一值(50bps～115,200bps)；最后将LCR的D7位设置为0以允许访问接收缓冲寄存器、发送保持寄存器或中断允许寄存器． 　　　　初始化16550D的Neuron C源代码如下所示(以波特率600bps为例)： 　　　　io_out(IO_BUS,0x03,0x83); 　　　　io_out(IO_BUS,0x00,0x0c); 　　　　io_out(IO_BUS,0x01,0x00); 　　　　io_out(IO_BUS,0x03,0x03)． 　　　　Neuron C