基於LonWorks網絡的PID控製節點的設計(轉載)

基於ＬｏｎＷｏｒｋｓ 網絡的ＰＩＤ控製節點的設計 　　 　　北京化工大學自動化係（１０００２９） 龐彥斌 程 煒　　 　　    摘  要：介紹了基於Ｎｅｕｒｏｎ芯片的ＬｏｎＷｏｒｋｓ 網絡ＰＩＤ控製節點的設計及開發。具體包括節點的硬件電路及軟件設計方案。本設計方案經過實驗驗證是切實可行的。　　    關鍵詞：現場總線控製係統（ＦＣＳ） ＬｏｎＷｏｒｋｓ技術 ＰＩＤ Ｎｅｕｒｏｎ芯片 　　現代工業過程控製領域對測控係統的速度、精度、成本等方麵提出了更高的要求，全數字、雙向、多節點的現場總線應運而生。現場總線是一種串行的數字通信鏈路，它溝通了生產領域的現場設備之間以及與更高層次控製過程設備之間的聯係。 　　ＬｏｎＷｏｒｋｓ技術是Ｅｃｈｅｌｏｎ公司於９０年代推出的一種主要用於設備聯網的局域操作網絡技術ＬＯＮＬｏｃａｌ Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｎｅｔｗｏｒｋ。ＬｏｎＷｏｒｋｓ技術的優勢是將通訊協議固化於Ｎｅｕｒｏｎ芯片中，並且提供一套完整的開發與建網工具--ＬｏｎＢｕｉｌｄｅｒ和ＮｏｄｅＢｕｉｌｄｅｒ。這樣使得用戶可以較少關心網絡的通訊，而集中於節點的具體應用開發。ＬｏｎＷｏｒｋｓ技術極大地方便了用戶，也促進了該技術的推廣應用。     　　現場總線控製係統（ＦＣＳ）是工業控製係統發展的必然趨勢，然而在短時期內它無法完全取代ＤＣＳ係統，因此現有的４～２０ｍＡ模擬儀表到現場總線的接口開發具有較強的可行性及現實意義。本文擬對基於ＬｏｎＷｏｒｋｓ 網絡的ＰＩＤ控製節點的設計與開發作一論述。  　　１ 整體設計思想  　　現場儀表，如測量變送器、執行器、調節閥等的輸入／輸出信號多為４～２０ｍＡ模擬信號。本節點的任務是在完成現場模擬儀表與ＬｏｎＷｏｒｋｓ網絡連接的基礎上，實現對被控對象的控製，即對現場儀表進行測量信號采集，控製運算及控製信號輸出。整體節點設計分為三部分：信號采集、控製運算及信號輸出。  　　Ｎｅｕｒｏｎ芯片能夠完成信息的輸入、處理、輸出，並可通過不同的收發器與不同的通訊介質相連接，方便地實現網絡通訊。以其為中心器件，配以相關外圍電路構成的節點，實現了用戶應用程序與組網通訊的統一。  　　本文設計的ＰＩＤ控製節點的結構示意圖如圖１所示。 　　 　　 　　考慮到工業現場的電氣工作情況，為保護節點核心部分免受損壞，在模擬輸入／輸出與Ｎｅｕｒｏｎ芯片之間加入光電耦合器件，從而提高了節點的抗幹擾性能。 　　２ 節點實現  　　２．１ 關鍵技術  　　ＬｏｎＷｏｒｋｓ技術的核心是Ｎｅｕｒｏｎ芯片。它是由美國Ｍｏｔｏｒｏｌａ和日本東芝兩大芯片製造商生產的，共有兩個係列ＭＣ１４３１５０和ＭＣ１４３１２０。本設計采用的是ＭＣ１４３１５０，可帶片外存儲器類型。該類型專門用於需要較大應用程序的傳感器控製係統。 　　ＭＣ１４３１５０芯片內部有三個ＣＰＵ，即：介質訪問ＣＰＵ，網絡ＣＰＵ，應用ＣＰＵ。它們與片內存儲器、網絡通訊接口、定時／計數器、Ｉ／Ｏ口驅動電路通過１６位地址總線和８位數據總線相連。芯片內部結構示意圖如２所示。 　　 　　Ｎｅｕｒｏｎ芯片有１１個可編程的Ｉ／Ｏ引腳，並提供四類共３４種Ｉ／Ｏ對象。通過引腳的不同配置，為外部硬件提供靈活的接口，實現不同的Ｉ／Ｏ對象。這四類Ｉ／Ｏ對象為：直接Ｉ／Ｏ、並行Ｉ／Ｏ、串行Ｉ／Ｏ和計時器／計數器Ｉ／Ｏ對象。 　　本設計選用串行Ｉ／Ｏ對象中的Ｎｅｕｒｏｎｗａｒｅ對象。該對象通過Ｎｅｕｒｏｎ芯片１１個引腳中的ＩＯ．８～ＩＯ．１０進行三線串行傳輸，ＩＯ．０～ＩＯ．７可作為片選信號輸出。數據傳輸以８位為單位，一次最多可傳輸２５５位。對於１０ＭＨｚ晶振輸入的Ｎｅｕｒｏｎ芯片，其串行時鍾頻率為２０ｋＨｚ，串行數據傳輸速率滿足現場控製要求。 Ｎｅｕｒｏｎ芯片的輸入／輸出對象中有ｐａｒａｌｌｅｌ並行Ｉ／Ｏ對象。該對象有３．３Ｍｂｐｓ的高傳輸速率，但由於其適用於８位並行數據，而且占用Ｉ／Ｏ引腳較多，功能擴展較複雜。所以不采用並行Ｉ／Ｏ對象。 　　２．２ 節點硬件／軟件設計  　　信號采集部分，采用高速、串行１２位、８通道模數轉換器ＭＡＸ１８６。現場４～２０ｍＡ測量信號經過２００Ω精密電阻變為０．８～４Ｖ電壓，進入ＭＡＸ１８６的輸入通道。ＭＡＸ１８６具有一個內部４．０９６Ｖ基準源，每一通道帶跟蹤／保持（Ｔ／Ｈ）電路，最高采樣頻率可達１３３ｋＨｚ。其ＳＣＬＫ、Ｄｉｎ、Ｄｏｕｔ引腳分別與Ｎｅｕｒｏｎ芯片的ＩＯ．８、ＩＯ．９、ＩＯ．１０相連。ＩＯ．１作為ＭＡＸ１８６的片選信號（／ＣＳ）。ＭＡＸ１８６的控製字的寫入與轉換數據的輸出通過串行數據線完成。其各個輸入通道由控製字進行選擇。ＭＡＸ１８６外部接線簡潔。  　　信號采集電路如圖３所示。  　　 　　　　 　　ＭＡＸ１８６接口程序為：  　　ＩＯ＿８ ｎｅｕｒｏｗａｒｅ ｍａｓｔｅｒ ｓｅｌｅｃｔ(ＩＯ＿１) ＭＡＸ１８６;  　　／／定義Ｉ／Ｏ對象為ｎｅｕｒｏｗａｒｅ，ＩＯ＿８為時鍾輸出引腳；ＩＯ＿９為串行數據輸出引腳；ＩＯ＿１０為串行數據輸入引腳；選擇主模式，ＭＡＸ１８６片選信號由ＩＯ＿１輸出；數據在時鍾上升沿被傳輸／／  　　ＩＯ＿１ ｏｕｔｐｕｔ ｂｉｔ ＭＡＸ１８６＿ＣＳ＝１; 　　／／定義ＩＯ＿１為位輸出，作ＭＡＸ１８６的片選信號／／ 　　Ｗｈｅｎ(ｔｉｍｅｒ＿ｅｘｐｉｒｅｓ(ｃｌｏｃｋ＿１))  　　／／ 定時／計數器ｃｌｏｃｋ＿１滿事件驅動／／  　　Ｉｏ＿ｏｕｔ(ＭＡＸ１８６＿ＣＳ,０);  　　／／選中ＭＡＸ１８６／／  　　Ｉｏ＿ｏｕｔ(ＭＡＸ１８６,１０００１１１１); 　　／／向ＭＡＸ１８６送控製字：選擇通道０，單極性，單端輸入，外部時鍾模式／／ 　　Ｉｎｐｕｔ＝ｉｏ＿ｉｎ(ＭＡＸ１８６,＆ｉｎｐｕｔ,１６); 　　／／輸入轉換結果／／  　　Ｉｎｐｕｔ＝ｉｎｐｕｔ＞＞４;  　　Ｉｏ＿ｏｕｔ(ＭＡＸ１８６＿ＣＳ,１);  　　／／不選中ＭＡＸ１８６，結束信號采集／／  　　控製運算部分主要通過對Ｎｅｕｒｏｎ芯片編程完成。Ｎｅｕｒｏｎ芯片的編程語言為由ＡＮＳＩ Ｃ發展而來的Ｎｅｕｒｏｎ Ｃ語言。它包括對ＡＮＳＩ Ｃ的擴展，並增添了一些較強的功能，如：網絡變量類型，事件調度ｗｈｅｎ語句。網絡變量簡化了節點間的數據共享。本設計中ＰＩＤ控製運算的設定值、比例放大係數、積分／微分時間等數值均通過網絡變量的形式傳送。 　　ＰＩＤ控製運算的流程圖如圖４所示。 　　 　　 　　信號輸出部分選用串行１２位數模轉換器ＭＡＸ５３８。由於現場執行機構多接收４～２０ｍＡ信號，所以需要將ＭＡＸ５３８的電壓輸出轉換成電流信號，為此選用ＡＤ６９４完成電壓／電流轉換。ＡＤ６９４具有內部電壓基準，可輸出作為ＭＡＸ５３８的Ｄ／Ａ轉換基準，簡化了電路設計，節省了空間。另外，ＡＤ６９４有較強的驅動能力，對於需要免除噪聲的４～２０ｍＡ信號傳遞以驅動操作電子管、傳動裝置和其他控製器件，它是理想的選擇。  　　本ＰＩＤ控製節點設計為兩路輸出，片選信號分別由ＩＯ．２、ＩＯ．３給出，具體電路如圖５所示。 　　  　　　　 　　 信號輸出部分接口程序為： 　　 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); 　　 　　總之，本文設計的基於ＬｏｎＷｏｒｋｓ 網絡的ＰＩＤ控製節點, 經過實驗驗證是切實可行的。它具有組網方便、集成度高、成本低等特點。利用它與其它種類的測控節點配合，加上上位操作管理計算機，可以容易地構成徹底分散的、地域分布的網絡測控係統。這種係統可用於汙水處理、過程控製、樓宇自動化等場合。 　　--------------------------------------------------　　參 考 文 獻 　　1 Ｅｃｈｅｌｏｎ公司．Ｎｅｕｒｏｎ Ｃ參考手冊．１９９５ 　　2 Ｅｃｈｅｌｏｎ公司．Ｎｅｕｒｏｎ Ｃ程序員指南．１９９５ 　　3 ＭＯＴＯＲＯＬＡ公司．ＬｏｎＷｏｒｋｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｄｅｖｉｃｅ Ｄａｔａ １９９６ 　　　　　　信息來源：龍控網