基于LONWORKS的智能頻率采集節(jié)點設計

1.引言

近年來LONWORKS測控網(wǎng)絡技術在眾多現(xiàn)場總線中異軍突起，在數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)(SCADA)、工業(yè)控制、樓宇自動化、智能交通等領域廣泛的應用。實現(xiàn)LONWORKS測控網(wǎng)絡的關鍵是LONWORKS智能節(jié)點的開發(fā)。本文提出了兩種LONWORKS頻率采集節(jié)點的設計與實現(xiàn)方法，并對二者的優(yōu)缺點進行了綜合比較。

2.LONWORKS智能節(jié)點

LONWORKS智能節(jié)點的核心處理器神經(jīng)元芯片是NEURON 3120或NEURON3150.神經(jīng)元芯片具有獨特的內部結構即：芯片內部集成了三個CPU,CPU-1是介質訪問控制器，CPU-2是網(wǎng)絡處理器，二者共同完成節(jié)點的網(wǎng)絡通信功能，CPU-3是應用處理器，主要負責執(zhí)行用戶編寫的代碼以及用戶代碼調用的操作系統(tǒng)命令。典型的LONWORKS智能節(jié)點的結構有兩種類型。一種是以NEURON芯片為核心的節(jié)點，NEURON芯片既處理用戶應用又負責網(wǎng)絡通信，如圖1(a)所示;另一種是采用MIP結構的節(jié)點，NEURON芯片只充當通信處理器，節(jié)點的應用程序由主處理器來執(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計上和原有3150芯片是兼容的，從而節(jié)省了用戶在外圍電路設計上所花費的時間，不僅降低了節(jié)點的開發(fā)難度和開發(fā)成本，而且提高了節(jié)點的抗干擾性。此外FT3150、FT3120芯片還支持更高的輸入時鐘，最高輸入時鐘可達40M赫茲，大大提高了整個芯片的處理速度。因此設計采用FT3150芯片代替圖1中的NEURON芯片和收發(fā)器，節(jié)點的結構更為簡單.

3.基于神經(jīng)元芯片的頻率采集節(jié)點設計

LONWORKS是專用于工業(yè)測控領域的控制網(wǎng)絡，為了方便使用NEURON芯片的11個I/O口可以通過編程定義為34種應用對象。其中周期輸入對象、脈沖計數(shù)對象和總數(shù)輸入對象都可對現(xiàn)場頻率信號進行測量。下面分別給出這三類IO對象的簡單應用:

周期輸入對象可測量輸入信號兩個上升沿或兩個下降沿之間的時間間隔簡單應用如下：

當FT3150采用10M晶振時周期輸入對象的分辨率是25.6us,脈沖計數(shù)輸入對象可通過技術0.8388608s時間內的輸入邊沿，測量輸入信號的平均頻率，簡單應用如下：

總數(shù)輸入對象通過定時計數(shù)器記錄輸入信號的上升沿或下降沿跳變總數(shù)，當FT3150采用10M晶振時輸入信號的最大頻率是2.5M赫茲。

簡單應用如下：

一種簡單的頻率測量實現(xiàn)方法就是利用以上三種IO對象來實現(xiàn)的。設計框圖如圖2所示。

8選1多路模擬開關CD4051通過IO_0~IO_4與FT3150相連，F(xiàn)T3150可以定義IO_0~IO_7相鄰的4個IO口作為半字節(jié)IO對象用來進行通道選通，我們選用IO_0~IO_3來實現(xiàn)此功能，半字節(jié)IO對象的定義如下：IO_0 output nibbleio_select;IO_4為測量信號輸入腳。

此類節(jié)點可以對8路頻率信號進行采集，具有易簡單，體積小等特點，其缺點是由于受NEURON芯片自身特性的限制只適用于輸入信號頻率較低的場合。

4.基于多處理器模式的頻率采集節(jié)點設計

針對測量頻率較高的場合，節(jié)點的設計可采用多處理器模式，用AT89C52單片機進行頻率測量，F(xiàn)T3150專職負責處理LONWORKS網(wǎng)絡通信。輸入頻率信號經(jīng)過限幅或放大等信號調理電路后進入可編程器件CPLD進行分頻處理，單片機對分頻后的信號進行采集后，通過異步串口送入FT3150,并由它轉發(fā)至LONWORKS網(wǎng)絡。

節(jié)點硬件設計框圖如圖3:

設計中CPLD采用可編程器件ISP1016E來實現(xiàn)輸入信號進行分頻以及通道的切換。

ISP1016E內部有2000個PLD門，32個輸入輸出(IO)引腳，4個專用輸入引腳，引腳TTL電平兼容。ISP1016E采用高性能的E2CMOS技術，最大使用頻率為125M赫茲，電可擦除和編程。設計使用ISP1016E的16個IO作為信號的輸入端;3個IO口(A,B,C)實現(xiàn)8選1選通;一個IO口(CS)控制是否進行分頻，當CS=0時不對輸入信號進行分頻，輸入8路低頻信號，當CS=1時對輸入信號進行分頻處理;然后通過IO輸出至單片機采集端口。

FT3150可根據(jù)網(wǎng)絡上的控制消息向AT89C52發(fā)出中斷信號，啟動數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過一段延時后通過異步串口接收來自單片機的采集數(shù)據(jù)。

I0_0 output bit starts;//中斷信號發(fā)送I/O口starts是自定義的對象名稱，output bit表示IO被定義為比特輸出對象發(fā)送啟動采集信號可以通過下面的語句實現(xiàn)。

單片機檢測到IO_0引腳的由高到低的電平變化后進入中斷采集數(shù)據(jù)。采集完8個通道的數(shù)據(jù)后通過異步串口發(fā)送采集數(shù)據(jù)。FT3150接收數(shù)據(jù)的實現(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.結語

實驗結果表明，基于多處理器模式的頻率采集節(jié)點在采集速度、采集精度以及測量范圍等方面都明顯優(yōu)于基于神經(jīng)元芯片的節(jié)點，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行功能的擴展。