基于LONWORKS的智能頻率采集節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

1.引言

近年來(lái)LONWORKS測(cè)控網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在眾多現(xiàn)場(chǎng)總線中異軍突起，在數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)(SCADA)、工業(yè)控制、樓宇自動(dòng)化、智能交通等領(lǐng)域廣泛的應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)LONWORKS測(cè)控網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵是LONWORKS智能節(jié)點(diǎn)的開(kāi)發(fā)。本文提出了兩種LONWORKS頻率采集節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法，并對(duì)二者的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了綜合比較。

2.LONWORKS智能節(jié)點(diǎn)

LONWORKS智能節(jié)點(diǎn)的核心處理器神經(jīng)元芯片是NEURON 3120或NEURON3150.神經(jīng)元芯片具有獨(dú)特的內(nèi)部結(jié)構(gòu)即：芯片內(nèi)部集成了三個(gè)CPU,CPU-1是介質(zhì)訪問(wèn)控制器，CPU-2是網(wǎng)絡(luò)處理器，二者共同完成節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)通信功能，CPU-3是應(yīng)用處理器，主要負(fù)責(zé)執(zhí)行用戶編寫的代碼以及用戶代碼調(diào)用的操作系統(tǒng)命令。典型的LONWORKS智能節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)有兩種類型。一種是以NEURON芯片為核心的節(jié)點(diǎn)，NEURON芯片既處理用戶應(yīng)用又負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)通信，如圖1(a)所示;另一種是采用MIP結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)，NEURON芯片只充當(dāng)通信處理器，節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用程序由主處理器來(lái)執(zhí)行，如圖1(b)所示.

ECHELON公司將雙較線收發(fā)器FTT-10A與原有的神經(jīng)元芯片集成在一起新近推出了雙較線智能收發(fā)器FT3150、FT3120芯片。新的FT3150、FT3120芯片在外圍電路的設(shè)計(jì)上和原有3150芯片是兼容的，從而節(jié)省了用戶在外圍電路設(shè)計(jì)上所花費(fèi)的時(shí)間，不僅降低了節(jié)點(diǎn)的開(kāi)發(fā)難度和開(kāi)發(fā)成本，而且提高了節(jié)點(diǎn)的抗干擾性。此外FT3150、FT3120芯片還支持更高的輸入時(shí)鐘，最高輸入時(shí)鐘可達(dá)40M赫茲，大大提高了整個(gè)芯片的處理速度。因此設(shè)計(jì)采用FT3150芯片代替圖1中的NEURON芯片和收發(fā)器，節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單.

3.基于神經(jīng)元芯片的頻率采集節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

LONWORKS是專用于工業(yè)測(cè)控領(lǐng)域的控制網(wǎng)絡(luò)，為了方便使用NEURON芯片的11個(gè)I/O口可以通過(guò)編程定義為34種應(yīng)用對(duì)象。其中周期輸入對(duì)象、脈沖計(jì)數(shù)對(duì)象和總數(shù)輸入對(duì)象都可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)頻率信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。下面分別給出這三類IO對(duì)象的簡(jiǎn)單應(yīng)用:

周期輸入對(duì)象可測(cè)量輸入信號(hào)兩個(gè)上升沿或兩個(gè)下降沿之間的時(shí)間間隔簡(jiǎn)單應(yīng)用如下：

當(dāng)FT3150采用10M晶振時(shí)周期輸入對(duì)象的分辨率是25.6us,脈沖計(jì)數(shù)輸入對(duì)象可通過(guò)技術(shù)0.8388608s時(shí)間內(nèi)的輸入邊沿，測(cè)量輸入信號(hào)的平均頻率，簡(jiǎn)單應(yīng)用如下：

總數(shù)輸入對(duì)象通過(guò)定時(shí)計(jì)數(shù)器記錄輸入信號(hào)的上升沿或下降沿跳變總數(shù)，當(dāng)FT3150采用10M晶振時(shí)輸入信號(hào)的最大頻率是2.5M赫茲。

簡(jiǎn)單應(yīng)用如下：

一種簡(jiǎn)單的頻率測(cè)量實(shí)現(xiàn)方法就是利用以上三種IO對(duì)象來(lái)實(shí)現(xiàn)的。設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

8選1多路模擬開(kāi)關(guān)CD4051通過(guò)IO_0~IO_4與FT3150相連，F(xiàn)T3150可以定義IO_0~IO_7相鄰的4個(gè)IO口作為半字節(jié)IO對(duì)象用來(lái)進(jìn)行通道選通，我們選用IO_0~IO_3來(lái)實(shí)現(xiàn)此功能，半字節(jié)IO對(duì)象的定義如下：IO_0 output nibbleio_select;IO_4為測(cè)量信號(hào)輸入腳。

此類節(jié)點(diǎn)可以對(duì)8路頻率信號(hào)進(jìn)行采集，具有易簡(jiǎn)單，體積小等特點(diǎn)，其缺點(diǎn)是由于受NEURON芯片自身特性的限制只適用于輸入信號(hào)頻率較低的場(chǎng)合。

4.基于多處理器模式的頻率采集節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

針對(duì)測(cè)量頻率較高的場(chǎng)合，節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)可采用多處理器模式，用AT89C52單片機(jī)進(jìn)行頻率測(cè)量，F(xiàn)T3150專職負(fù)責(zé)處理LONWORKS網(wǎng)絡(luò)通信。輸入頻率信號(hào)經(jīng)過(guò)限幅或放大等信號(hào)調(diào)理電路后進(jìn)入可編程器件CPLD進(jìn)行分頻處理，單片機(jī)對(duì)分頻后的信號(hào)進(jìn)行采集后，通過(guò)異步串口送入FT3150,并由它轉(zhuǎn)發(fā)至LONWORKS網(wǎng)絡(luò)。

節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)框圖如圖3:

設(shè)計(jì)中CPLD采用可編程器件ISP1016E來(lái)實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)進(jìn)行分頻以及通道的切換。

ISP1016E內(nèi)部有2000個(gè)PLD門，32個(gè)輸入輸出(IO)引腳，4個(gè)專用輸入引腳，引腳TTL電平兼容。ISP1016E采用高性能的E2CMOS技術(shù)，最大使用頻率為125M赫茲，電可擦除和編程。設(shè)計(jì)使用ISP1016E的16個(gè)IO作為信號(hào)的輸入端;3個(gè)IO口(A,B,C)實(shí)現(xiàn)8選1選通;一個(gè)IO口(CS)控制是否進(jìn)行分頻，當(dāng)CS=0時(shí)不對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行分頻，輸入8路低頻信號(hào)，當(dāng)CS=1時(shí)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行分頻處理;然后通過(guò)IO輸出至單片機(jī)采集端口。

FT3150可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)上的控制消息向AT89C52發(fā)出中斷信號(hào)，啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過(guò)一段延時(shí)后通過(guò)異步串口接收來(lái)自單片機(jī)的采集數(shù)據(jù)。

I0_0 output bit starts;//中斷信號(hào)發(fā)送I/O口starts是自定義的對(duì)象名稱，output bit表示IO被定義為比特輸出對(duì)象發(fā)送啟動(dòng)采集信號(hào)可以通過(guò)下面的語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)。

單片機(jī)檢測(cè)到IO_0引腳的由高到低的電平變化后進(jìn)入中斷采集數(shù)據(jù)。采集完8個(gè)通道的數(shù)據(jù)后通過(guò)異步串口發(fā)送采集數(shù)據(jù)。FT3150接收數(shù)據(jù)的實(shí)現(xiàn)程序如下：

IO_8 input serial baud(4800)data_in;

IO_8定義為串行輸入口，波特率為4800b/s,io_in(data_in,in_buffer,17);

接收采集數(shù)據(jù)并存放與輸入緩沖區(qū)。

5.結(jié)語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于多處理器模式的頻率采集節(jié)點(diǎn)在采集速度、采集精度以及測(cè)量范圍等方面都明顯優(yōu)于基于神經(jīng)元芯片的節(jié)點(diǎn)，不僅節(jié)省了神經(jīng)元芯片的IO口，更由于多處理器的使用可以很方便的進(jìn)行功能的擴(kuò)展。