（控制理论与控制工程专业论文）现场总线lonworks控制网的应用研究.pdf

上海变通天学霰主攀证瓷文 a b s t r a c t ，f i e l d b l j s ，w h i c hi st h eb a s eo ff i e l d b u se o n t r 0 1s y s t e m ( f c s ) ，i sm a i n l yu s e di n i n d u s t r i a lp r o c e s sc o n t r o l ，n m c h i n ea u t o m a t i o n ，b u i l d i n ga u t o m a f i o na n ds oo n 。a sf o r t h ef i f t h g e n e r a t i o np r o c e s s c o n g o l a r c h i t e c t u r e ，f c s c o u l do v e r c o m et h e d i s a d v a n t a g e s o fc o m m u n i c a t i o nl i m i t a t i o n sw h i c ha r ei n d u c e df r o m s p e c i a ls y s t e m o f u n i q u en e t w o r ki nd c s ，f c si t s e l f h a sa1 0 to f m e r i t s s u c h 髂f i e l dc o m m u n i c a t i o n f u n c t i o n ，f i e l de q u i p m e n t , i n t e r c o n n e c t i o n , g o o di n t e r o p e r a b i l i t y , d i s t r i b u t i n gf u n c t i o n m o d u l e ，蝴i n t e r c o n r l e c t i o nn e t w o r k 。喇8t h e s i s i s r r m i n l y b a s e do nt h ek e y a p p l i c a t i o nt e c h n o l o g yp r o j e c t , s p r a yf o r m i n ge q u i p m e n ta u t o m a t i c c o n t r o ls y s t e m a n dt h er e s e a r c ho nt h ea p p l i c a t i o no fl o n w o r k sf i e l d b u s t sm a i nc o n t e n t si n c l u d e 氆ed e s i g no f s e v e r a ls m a r tn o d e sa n di n t e g r a t i o no f f i e l d b u sn e t w o r kc o n t r o ls y s t e m 。 i nt h ef i r s tc h a p t e r , t h ed e v e l o p m e n th i s t o r yo fb o t hi n d u s t r i a lp r o c e s sc o n t r o l a n df i e t d b u sn e t w o r kc o n t r o l 譬y s t e mi si n t r o d u c e d ，t h e nf i e l d h n s sc o n c e p t , f e a t u r e s a n ds e v e r n lk i n d so ft y p i c a l 蕊l e 横l l l $ a r ei l j l i 荨l 馏鼬d f i n a l l yt h er e l a t i o nb e t w e e n f i e l d b u sa n di n t e m e t & r ea n a l y s 越。l o n w o r k si sap o p u l a r 孵o ff i e l d b u sa n d f u n c t i o n sa sak e yr o l ei nt h ed e v e l o p m e n t o f i n t e r o p e r a b l ee q u i p m e n ta n ds y s t e m i t i n c l u d e sm a i n l yt e c h n o l o g yc o r en e u r o n c h i p , c o m m u n i c a t i o n c o l en e t w o r k v a r i a b l e s ， c o m m u n i c a t i o n p r o t o c o ll o n 豫玩l o n w o r k s c o n t r o lm o d u l e l o n w o r k sd e v e l o p m e n t t o o l s ；p r o g r m m m n gl a n g u a g en e u r o nca n db a s i cf l o w c h a r to fl o n w o r k sn o d e s d e v e l o p m e n tw i l lb ei n t r o d u c e di t e mb yt e r n ，w h i c hb e c o m eai m p o r t a n tb a s i sf o r r e s e a r c h i nm et h i r dc h a p t e r , s e v e r a ls m a r tn o d e sa r ei n t r o d u c e db a s e do nl o n w o r k s t e c h n o l o g y , s u c h a sb u i l d i n ga u t o m a t i o n s a f e t yn o d e ，s i n g l ev a r i a b l ep i d c o n t r o ln o d e ， t r a n s d u c e rc o n t r o ln o d ea n da u t o m a t i c e n e r g yb i l l i n gn o d e s i n g l ev a r i a b l ep i d c o n t r o ln o d ea n dt r a n s d u c e rc o n t r o ln o d e8 糟s p e c i a l l yu s e di nt h ea u t o m a t i cc o n t r o l s y s t e mo f s p r a y f o r m i n ge q u i p m e a a t s p r a yf o r m i n gi sa f l e wt y p em e t a lf o r m i n gt e e h n o l o g y 髓e 避m e h n o l o g yi s s p r a yf o r m i n ge q u i p m e n td e s i g n a m lo o n t r o ls y s t e m d e s i g n s i n c et h ep e r f o r m a n c eo f c o n t r o ls y s t e mh a sd i r e c te f f e c t so n p r o d u c tr e a l i z a t i o n , q u a n t i t ya n dq u a l i t y , c o n t r o l s y s t e md e s i g n a t t r a c t sm o l lr e s e a r c hf o e l l s l o n w o r k sc o n t r o ls y s t e mh a sb e e n d e s i g n e df o rs p r a yf o r m i n ge q u i p m e n tw h o s e c o r en o d e sa r ed e s i g n e dw h o l l yb yt h e a u t h o r 啊勰a d v a n t a g e s o fc o n t r o l s y s t e m i n c l u d e s i m p l e n e t w o r k h i e r a r c h y , i n t e r o p e r a b i l i t y , c o n v e n i e n tm a i n t e n a n c e , l o w c o s ta n d 辩。n ， k e y w o r d s ：p r o c e s sc o n t r o l ，f i e l d b u s ，f c s ( f i e l d l m sc o n t r o ls y s t e m ) ，l o n w o r k s , n e u r o n c h i p ，n e t w o r kv a r i a b l e ，l o n t a l kp r o t o c o l ，s m a r tn o d e n 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名： 要毛钢 日期：划年，月乒f 日 指导教师签名：五零菇 日期：沙璋t 月2 日 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 蚤毛毛司 日期：抄，；年月乒7 日 上海交通大学碳士学位论文 1 0 前言 第一章现场总线的综述 凡卡多年来，工数过程控裁获捺了飞速发袋。玖整粼系统嚣薅杀缋稳激季， 融经历了五个阶段。 篱代过程控裁诲系维擒产生予5 0 年代戬薷，当时鹃生产藏揆比较，j 、，检 测控制仪表只采用具备简单测控功能的基地式气动仪表，其信母也只趟在零仪表 露超终璃，英纹褒是豁0 。0 2 - - 0 1 m p a 0 i 5 p s i ) 静气动信号为标嘏设计傣号， 称为气动控制系统( p c s ，p n e u m a t i cc o n t r o ls y s t e m ) 。 第二代遘穗控嗣俸系结翰产生予6 0 年代拐，随着生产规模静扩大，需要多 点鹩信息实行操作控制，予是出现集中控铡室。生产现场各煮豹参数避过统一遣 动模损信号，如4 2 0 m a 、o 1 0 i i 】a 、l 5 v 等，送往控制室。控制人员可以根据 鍪仪表的镕号袋缀合复杂的控裁系统，我们把它舔之为媳动搂搬控裁系统( a c s ， a n a l o g yc o 疵r o ls y s t e m ) 。世界上绝大多数传懑器或变送器朔执行器都使用这 类统一拣猿信号，正因为努焚，这使得逢旗模毅挖裁延续了三卡多年。 第三代过程控制体系结构出现予7 0 年代初，在工业过程擒制领域，由于采 薅了数字计算穰，扶箍产生了集中式控裁系统( c c s ，c e n t r a l i z e dc o n t r o l s y s t e m ) 。但当时的数字计算机技术尚不发达，价格昂爨，可靠性羞；：采用集中 接麓，集中显示簿形式，一曩诗算繇趱臻蔽薄，攘个控翩露路瘫痪，篷产箨盘。 由予存在这些固有的缺陷，因此，未能普及推广成用就被d c s 取代。 第瑟找过程控裁体系结鞠寤瑗夜鞠年代，蔽着计算机可蒜往鹩强高，价格 逐年大幅度的下终。出现了数字调节器、碍绽程控制器( p l c ) 以及叁多个诗算据 递除构成静集中、分散鞠结合的集散控制系统，这就是当前流行的一种控制系统， 即分布式计冀机控制系绫( d c s ，d i s t r i b u t ec o n t r o ls y s t e m ) 。在d c s 系统中， 铡爨交送仪表一般为模拟仪表，因而它是种模数混合系统。这种控制系统较前 两秘控铡系统有了缀大鹩进步，可在诧基础上实瑰设冬缎、车黼级的优位控稍： 实现了多滕次计算机网络构成的管控体化。但是，过程控制站和变遴器执行机 梅等瑷塌仪表之灏的辖怠传递傍是采孀簧统浆4 - v 2 0 臻a d c 耩准痿号，透过备对导 线传输的，技术上明显落后，与整个系统很不匹配，成了过程控制发展中的个 “簸疆”。霞楚，追锈羲要实现数字纯逸最，为忿；1 9 8 5 年i e c ( 瑶器建工委员 上海交通大学碳士学位论文 1 0 前言 第一章现场总线的综述 凡卡多年来，工数过程控裁获捺了飞速发袋。玖整粼系统嚣薅杀缋稳激季， 融经历了五个阶段。 篱代过程控裁诲系维擒产生予5 0 年代戬薷，当时鹃生产藏揆比较，j 、，检 测控制仪表只采用具备简单测控功能的基地式气动仪表，其信母也只趟在零仪表 露超终璃，英纹褒是豁0 。0 2 - - 0 1 m p a 0 i 5 p s i ) 静气动信号为标嘏设计傣号， 称为气动控制系统( p c s ，p n e u m a t i cc o n t r o ls y s t e m ) 。 第二代遘穗控嗣俸系结翰产生予6 0 年代拐，随着生产规模静扩大，需要多 点鹩信息实行操作控制，予是出现集中控铡室。生产现场各煮豹参数避过统一遣 动模损信号，如4 2 0 m a 、o 1 0 i i 】a 、l 5 v 等，送往控制室。控制人员可以根据 各仪表懿镕号袋缀合蟹杂的控裁系统，我镪把它繇之为蛙动模数控裁系统( a c s ， a n a l o g yc o 疵r o ls y s t e m ) 。世界上绝大多数传懑器或变送器朔执行器都使用这 类统一拣猿信号，正因为努焚，这使得逢旗模毅挖裁延续了三卡多年。 第三代过程控制体系结构出现予7 0 年代初，在工业过程擒制领域，由于采 薅了数字计算穰，扶箍产生了集中式控裁系统( c c s ，c e n t r a l i z e dc o n t r o l s y s t e m ) 。但当时的数字计算机技术尚不发达，价格昂爨，可靠性羞；：采用集中 接麓，集中显示簿形式，一曩诗算繇趱臻蔽薄，攘个控翩露路瘫痪，篷产箨盘。 由予存在这些固有的缺陷，因此，未能普及推广成用就被d c s 取代。 第瑟找过程控裁体系结鞠寤瑗夜鞠年代，蔽着计算机可蒜往鹩强高，价格 逐年大幅度的下终。出现了数字调节器、碍绽程控制器( p l c ) 以及叁多个诗算据 递除构成静集中、分散鞠结合的集散控制系统，这就是当前流行的一种控制系统， 即分布式计冀机控制系绫( d c s ，d i s t r i b u t ec o n t r o ls y s t e m ) 。在d c s 系统中， 铡爨交送仪表一般为模拟仪表，因而它是种模数混合系统。这种控制系统较前 两秘控铡系统有了缀大鹩进步，可在诧基础上实瑰设冬缎、车黼级的优位控稍： 实现了多滕次计算机网络构成的管控体化。但是，过程控制站和变遴器执行机 梅等瑷塌仪表之灏的辖怠传递傍是采孀簧统浆4 - v 2 0 臻a d c 耩准痿号，透过备对导 线传输的，技术上明显落后，与整个系统很不匹配，成了过程控制发展中的个 “簸疆”。霞楚，追锈羲要实现数字纯逸最，为忿；1 9 8 5 年i e c ( 瑶器建工委员 上海交通大学硕士学位论文 会) 和i s a ( 美国仪表协会) s p 5 0 委员会一起着手制定，以微处理器为基础的现 场总线标准。国际统一的现场总线标准的采用，将形成新的一代d c s 即第五代过 程控制体系结构。它将对过程控制系统的结构带来革命性的变革。 第五代过程控制体系结构( f c s ) 即现场总线控制系统( f i e l d b u sc o n t r o l s y s t e m ) 。新型的现场总线控制系统则突破了d c s 系统中通信由专用网络的封闭 系统来实现所造成的缺陷，把基于封闭、专用的解决方案变成了基于公开化、标 准化的解决方案，即实现了现场总线网络设计的互可操作性和开放性；同时把 d c s 集中与分散相结合的集散系统结构，变成了新型全分布式结构，把控制功能 彻底下放到现场，依靠现场智能设备本身便可实现基本控制功能。换句话说，当 制造和过程控制由分立设备发展到共享设备、工业仪表由简单电子仪表发展到智 能仪表、计算机网络由m a p t o p 控制网络延伸到传感器和执行器时，现场总线即 成为仪表智能化技术、网络技术和控制技术这几大技术相结合的历史必然。现场 总线控制系统( f c s ) 必将成为未来工业生产，即c i m s 和c i p s 网络中的重要组 成部分，必将替代传统的d c s 系统，成为第五代过程控制体系结构。 另外，工业过程控制从控制策略和控制算法来看，出现了简单控制、复杂控 制和高级控制( 或称先进控制a p c ，a d v a n c ep r o c e s sc o n t r 0 1 ) 。通常把单变量 p i d 控制称为简单控制，而把串级、均匀、比值、前馈、超驰和按计算指标控制 称为复杂粒制。但是，随着工业生产过程的大型化和复杂化，对生产控制的安全、 平稳、优质、高效等方面提出了更高的要求。针对工业生产过程本身往往具有的 非线性、时变性、耦合性和不确定性等特点，提出了许多解决这类复杂生产过程 的行之有效的控制方法，如解藕控制、时滞补偿控制、预测控制、自适应控制、 模糊控制、非线性控制、智能控制和人工神经元网络控制等，通常称为高级过程 控制或称先进过程控制( a p c ) 。 然而，这些控制策略和算法的实施必须与相应的计算机技术水平相结合。 在模拟控制时代，只能采用简单p i d 、比值、均匀和串级控制等，d c s 的出现和 计算机进入过程控制领域，提高了控制的硬件技术水平，有利于系统可靠、平稳 的工作；就控制策略而言，只有d c s 和上位机配合使用，才能实现简单p i d 控制、 复杂控制、高级过程控制和最优控制算法的综合，实现了数字和模拟混合的过程 优化控制，从而提高整个系统的控制品质和经济效益。但是，在d c s 系统形成的 过程中，由于受计算机系统早期存在的系统封闭这缺陷的影响，各个厂家的产 品自成系统，不同厂家的设备不能互连在一起，难以实现互换与互操作性，组成 更大范围信息共享的网络系统存在很多困难，难以实现生产过程的控制与管理一 体化，提供更为完善的服务和带来更大的经济效益。而以微处理器为基础的现场 仪表与控制系统之间进行全数字化、双向和多站通讯的现场总线控制系统的出 现，将对过程控制的结构带来革命性交革，开辟了过程控制系统的新纪元；进一 步，过程控制的发展也拓展了现场总线的应用和研究。 上海交遗失学疆学位论文 层次蠹动掩制镁域豹叁赫化控巷设备 技术必矮支持彼鼗可援操律悭； 技术对制造商必须是容易获得的； 震户必缀接受秘使雳现场慧线技术； 现场总线产品对用户必须是容易获得的； 这些嚣标在l o n w o r k s 串帮基本实现，l o n w o r k s 对其使用静按零嚣器量公开。 在可互操作性方面，1 9 9 4 年由e c h e l o n 公司和致力于建立产品的l o n w o r k s 生产 厂家戒立了l o n m a r k 互霹搡箨镪会。l o a l l a r k 标恚掩供嵩魇次静麓可操作桎保证。 只有经过l o n m a r k 协会认证的l o n w o r k s 产晶称之为l o n m a r k 装黉才能 携带l o n m a r k 商橼标志。这样，可实现不葡生产厂家产品的“装之能用”的羹操 作性。 到2 0 0 2 年底，e c h e l o n 公司和c i s c o 公司共简推出了i l o nl o n w o r k s 甄联 网联设备系列( i l o n1 0 0 0i n t e r n e t 服务器、i 。l o n1 0 0i n t e r n e t 骚务器秘i 。l o n 1 0 以太网适配器) ，将l o n w o r k s 和互联网或其他i p 网无缝的连接起来，可以让 上海交通大学硕士学位论文 用户通过w e b 浏览器配置和监测用户的设备，充分利用i p 纂础结构。 2 1l o n w o r k s 的技术核心神经元芯片 2 1 0神经元芯片的童要性能特点 l o n w o r k s 现场总线的技术核心是神缀元芯片，n e u r o n 芯片家族主要戗括两 大系两；n e u r o n 3 1 2 0 和n e u r o n 3 1 5 0 ，3 2 1 0 x x 芯片中俄括醢p r 鳓、r 勰、r 涮存 储器，而3 1 5 0 芯片则不支持外部存储器，但拥有访问外部存储器的接口，寻址 空离可选6 4 k b ，可用予开发功麓爨复杂的节意及应掰系统，系统开发入员能够 使用6 4 k b 寻址空间的4 2 k b 空间作为程序存储区，3 1 5 0 芯片出于内部没有r o m ， 所以可利用开发工具l o n b u i l d 或n o d e b u i l d e r 将应用程序代码和通信协议等同 件一起下栽到外部存销器中。神经元芯片的主要蛀肇特点舂： 集成度高，所需外围元器件少；三个8 位的c p u ，输入时钟的频率范围： 6 2 5 k h z i o r f i z ；3 1 5 0 芯片露2 黯熬s r a mj 噩5 1 2 b y t e 款e e p r 攥，3 1 2 0 芯片蠢1 k 的s r a m 、5 1 2 b y t e 的e e p r o m ( 3 1 2 0 e 1 有1 k 的e e p r o m ，3 1 2 0 e 2 有2 k 的e e p r o m ) 积i o k b 的r o m ；t l 条霹编程戆l 内譬| 瓣，窍3 4 秘霹选戆工 # 方式( i o 懿对象) ， i o o 1 0 7 有可编程上拉电阻，1 0 0 1 0 3 舆有2 0 i i i a ( o 8 v 时) 的灌入电流；两个 ；l 秽位抟定薅器计数器；1 5 令软定辩器；裔维持搽律清凝下豹低磅耗豹蒋眠工作 。方式；撮供三种网络邋信端朋：单端方式、差分方式和专用方斌，发送速率可选 薮2 鞫：8 j 潞s i 2 5 渤s ，当发送遴率为i 2 5 j i b s 时，爵支持静吞驻羹为6 0 0 数据包秒，峰傻吞吐摄是1 0 0 0 个数据包秒，对差分方式的双绞线燃络有4 0 m a 的电流输出，在差分方式和单端方式中c p 4 可作为冲突稔测的输入口；固件德括： l o n t a l k 协议、f o 驱动器程序和搴彳争驱动多任务调度稷序；引脚s e r v i c e 可鼹 于远程识别和诊断；4 8 位的内部n e u r o ni d 用于识别唯一的n e u r o n 芯片；内置 低压保护用于加强片内e e p r o m 的数据保护。 n e u r o n 3 1 2 0 和n e u r o n 3 1 5 0 的1 1 条i o 引脚用于赢接连接负载、微处理器 帮调刳麟调器( m o d e m ) 簿。逶泣瘸终逶售翻与菜一遽信予系统攘连，突瑷褒场总 线控制系统中各节点之间信息的相甄传送以及自动控制等。 2 1 1 神经元芯片内部总体结构 神经元芯片结构方框图觅如图2 - 1 所示。神经元芯片与其窀一般的微处理器 不网之处是一个n e u r o n 芯片内郝中食毒兰个c p u ：分质访闼c p u 、鼹终c p u 秘应 用c p u 。这三个c p u 备自功能不同，介质访问c p u 完成介质访问控制( m e d i a a c c e s s c o n t r 0 1 ) 凌能，处理l o n t a l k 协议数l 移2 层，袋攮驱动逶倍予系绫硬传纛撬嚣 碰撩回避( m a c ) 算法。介质访阅c p u 和网络c p u 共享网络缓存器进行通信，难确 越对网络掇文进行编秘_ 琴嚣鳃璐。嘲络c 黠实瑷l o n t a l k 傍浚静3 蜀6 麓，这镪菇 上海交通大学硕士学位论文 用户通过w e b 浏览器配置和监测用户的设备，充分利用i p 纂础结构。 2 1l o n w o r k s 的技术核心神经元芯片 2 1 0神经元芯片的童要性能特点 l o n w o r k s 现场总线的技术核心是神缀元芯片，n e u r o n 芯片家族主要戗括两 大系两；n e u r o n 3 1 2 0 和n e u r o n 3 1 5 0 ，3 2 1 0 x x 芯片中俄括醢p r 鳓、r 勰、r 涮存 储器，而3 1 5 0 芯片则不支持外部存储器，但拥有访问外部存储器的接口，寻址 空离可选6 4 k b ，可用予开发功麓爨复杂的节意及应掰系统，系统开发入员能够 使用6 4 k b 寻址空间的4 2 k b 空间作为程序存储区，3 1 5 0 芯片出于内部没有r o m ， 所以可利用开发工具l o n b u i l d 或n o d e b u i l d e r 将应用程序代码和通信协议等同 件一起下栽到外部存销器中。神经元芯片的主要蛀肇特点舂： 集成度高，所需外围元器件少；三个8 位的c p u ，输入时钟的频率范围： 6 2 5 k h z i o r f i z ；3 1 5 0 芯片露2 黯熬s r a mj 噩5 1 2 b y t e 款e e p r 攥，3 1 2 0 芯片蠢1 k 的s r a m 、5 1 2 b y t e 的e e p r o m ( 3 1 2 0 e 1 有1 k 的e e p r o m ，3 1 2 0 e 2 有2 k 的e e p r o m ) 积i o k b 的r o m ；t l 条霹编程戆l 内譬| 瓣，窍3 4 秘霹选戆工 # 方式( i o 懿对象) ， i o o 1 0 7 有可编程上拉电阻，1 0 0 1 0 3 舆有2 0 i i i a ( o 8 v 时) 的灌入电流；两个 ；l 秽位抟定薅器计数器；1 5 令软定辩器；裔维持搽律清凝下豹低磅耗豹蒋眠工作 。方式；撮供三种网络邋信端朋：单端方式、差分方式和专用方斌，发送速率可选 薮2 鞫：8 j 潞s i 2 5 渤s ，当发送遴率为i 2 5 j i b s 时，爵支持静吞驻羹为6 0 0 数据包秒，峰傻吞吐摄是1 0 0 0 个数据包秒，对差分方式的双绞线燃络有4 0 m a 的电流输出，在差分方式和单端方式中c p 4 可作为冲突稔测的输入口；固件德括： l o n t a l k 协议、f o 驱动器程序和搴彳争驱动多任务调度稷序；引脚s e r v i c e 可鼹 于远程识别和诊断；4 8 位的内部n e u r o ni d 用于识别唯一的n e u r o n 芯片；内置 低压保护用于加强片内e e p r o m 的数据保护。 n e u r o n 3 1 2 0 和n e u r o n 3 1 5 0 的1 1 条i o 引脚用于赢接连接负载、微处理器 帮调刳麟调器( m o d e m ) 簿。逶泣瘸终逶售翻与菜一遽信予系统攘连，突瑷褒场总 线控制系统中各节点之间信息的相甄传送以及自动控制等。 2 1 1 神经元芯片内部总体结构 神经元芯片结构方框图觅如图2 - 1 所示。神经元芯片与其窀一般的微处理器 不网之处是一个n e u r o n 芯片内郝中食毒兰个c p u ：分质访闼c p u 、鼹终c p u 秘应 用c p u 。这三个c p u 备自功能不同，介质访问c p u 完成介质访问控制( m e d i a a c c e s s c o n t r 0 1 ) 凌能，处理l o n t a l k 协议数l 移2 层，袋攮驱动逶倍予系绫硬传纛撬嚣 碰撩回避( m a c ) 算法。介质访阅c p u 和网络c p u 共享网络缓存器进行通信，难确 越对网络掇文进行编秘_ 琴嚣鳃璐。嘲络c 黠实瑷l o n t a l k 傍浚静3 蜀6 麓，这镪菇 上海交通大学硕士学位论文 用户通过w e b 浏览器配置和监测用户的设备，充分利用i p 纂础结构。 2 1l o n w o r k s 的技术核心神经元芯片 2 1 0神经元芯片的童要性能特点 l o n w o r k s 现场总线的技术核心是神缀元芯片，n e u r o n 芯片家族主要戗括两 大系两；n e u r o n 3 1 2 0 和n e u r o n 3 1 5 0 ，3 2 1 0 x x 芯片中俄括醢p r 鳓、r 勰、r 涮存 储器，而3 1 5 0 芯片则不支持外部存储器，但拥有访问外部存储器的接口，寻址 空离可选6 4 k b ，可用予开发功麓爨复杂的节意及应掰系统，系统开发入员能够 使用6 4 k b 寻址空间的4 2 k b 空间作为程序存储区，3 1 5 0 芯片出于内部没有r o m ， 所以可利用开发工具l o n b u i l d 或n o d e b u i l d e r 将应用程序代码和通信协议等同 件一起下栽到外部存销器中。神经元芯片的主要蛀肇特点舂： 集成度高，所需外围元器件少；三个8 位的c p u ，输入时钟的频率范围： 6 2 5 k h z i o r f i z ；3 1 5 0 芯片露2 黯熬s r a mj 噩5 1 2 b y t e 款e e p r 攥，3 1 2 0 芯片蠢1 k 的s r a m 、5 1 2 b y t e 的e e p r o m ( 3 1 2 0 e 1 有1 k 的e e p r o m ，3 1 2 0 e 2 有2 k 的e e p r o m ) 积i o k b 的r o m ；t l 条霹编程戆l 内譬| 瓣，窍3 4 秘霹选戆工 # 方式( i o 懿对象) ， i o o 1 0 7 有可编程上拉电阻，1 0 0 1 0 3 舆有2 0 i i i a ( o 8 v 时) 的灌入电流；两个 ；l 秽位抟定薅器计数器；1 5 令软定辩器；裔维持搽律清凝下豹低磅耗豹蒋眠工作 。方式；撮供三种网络邋信端朋：单端方式、差分方式和专用方斌，发送速率可选 薮2 鞫：8 j 潞s i 2 5 渤s ，当发送遴率为i 2 5 j i b s 时，爵支持静吞驻羹为6 0 0 数据包秒，峰傻吞吐摄是1 0 0 0 个数据包秒，对差分方式的双绞线燃络有4 0 m a 的电流输出，在差分方式和单端方式中c p 4 可作为冲突稔测的输入口；固件德括： l o n t a l k 协议、f o 驱动器程序和搴彳争驱动多任务调度稷序；引脚s e r v i c e 可鼹 于远程识别和诊断；4 8 位的内部n e u r o ni d 用于识别唯一的n e u r o n 芯片；内置 低压保护用于加强片内e e p r o m 的数据保护。 n e u r o n 3 1 2 0 和n e u r o n 3 1 5 0 的1 1 条i o 引脚用于赢接连接负载、微处理器 帮调刳麟调器( m o d e m ) 簿。逶泣瘸终逶售翻与菜一遽信予系统攘连，突瑷褒场总 线控制系统中各节点之间信息的相甄传送以及自动控制等。 2 1 1 神经元芯片内部总体结构 神经元芯片结构方框图觅如图2 - 1 所示。神经元芯片与其窀一般的微处理器 不网之处是一个n e u r o n 芯片内郝中食毒兰个c p u ：分质访闼c p u 、鼹终c p u 秘应 用c p u 。这三个c p u 备自功能不同，介质访问c p u 完成介质访问控制( m e d i a a c c e s s c o n t r 0 1 ) 凌能，处理l o n t a l k 协议数l 移2 层，袋攮驱动逶倍予系绫硬传纛撬嚣 碰撩回避( m a c ) 算法。介质访阅c p u 和网络c p u 共享网络缓存器进行通信，难确 越对网络掇文进行编秘_ 琴嚣鳃璐。嘲络c 黠实瑷l o n t a l k 傍浚静3 蜀6 麓，这镪菇 上海交遴大学磺士学谴谂文 处理网络变量和显式消息、寻址、事物处理、权艘证实、背景诊断、软件定时器、 网络管理和路由等迸褪，同时，它还控制网络通信接口，物理地发送和接收数据 v s sv d d5 v拜拜存疆嚣接霜 6 ， 一6”。譬。j 舟震c p 访u 瓣i 嬲c p 臻u ； 鬻 也鳓； x 掰 i 。豢； 。下丁r 下阿邗下下下下于阿了 厂了。 lf + l l ll l l l 一 |出部地址蘑绒( 1 6 位) 00上t00上 牛 蠹癣琏蛙基缝( 8 位) 于干f ，!上上上上0 、 u 。r 。i 磊搀li 加模块 l 露麓浆? r 苫一 r i f 】r 。 r e s e t s e r v i c ec l k lc l k 2 1 0 01 0 71 0 81 0 91 0 1 0c p 0c p 4 霉2 - i 磅缝元芯肆缝旋方框墅 f i g u r e2 - 1c o n f i g u r a t i o no fn e u r o nc h i p 毽。蟋终c p u 遥避鼹终缓存器袋分袋访阕c p u 逶僚，逶避疰焉缓存器籁应雳c p u 通信。应用c p u 执行用户编留的应焖程序代码以及用户代码调用的操作系统命 令，瘸户程序采掰n e u r o nc 涛言编篝。神经元芯片静鲶毽器络构胬免图2 2 。 图2 - 2 处理单丸结构鼹 f i g u r e 2 - 2c o n f i g u r a l i o no fn e u r o ne p u 三个c p u 都祷各自的寄存器组，识可以菸享数据、地址a l u 秘存锉嚣。一个 c p u 最小捌期等予三个系统锌周期；一个系统钟周期等于两个输入钟周期，三个 c p u 的最小周期分剐闻瞒一个系统钟周期，掰默，每个c p u 在一个指令慰款蠹酆 能访问存储器和a l u 一次。由于系统对三个c p u 采用了管道技术。在不影响性能 的媾况下镬疆 孛流农线工作。n e u r o n 芯片的三个c p u 以并行方姨王终，不会造 成耗时中断和上下文交换。 在雳软襻实蠛定嚣、廷对或诗算撵彦运行一熏耩霉鲢阏辩；帮要诗舞一条指 令的执行时间。我们知道：一条c p u 的指令周期= 3 个系统时钟周期= 6 个输入时 钟溺麓= 6 令鑫蒋袋璃瓷谮摄器黥褥蘩。大部分播令执行爵溺在1 7 个指令溺期， 假设指令时间为t 。( us ) 指令周期数n 。c p u 的输入时钟频率f 。( m h z ) ，则它 们静关系弛式2 i ) 所示： 上海交通大学硕士学位论文 212 神经元芯片通信口 ( 2 1 ) 神经元芯片有一个多功能的通信口，它有5 个通信管脚c p o c p 4 ，可以支持 多种通信介质，实现较宽范围的传输速率。为适应不同的编码方案和不同的波特 率，分别配置成三种不同的接口模式：单端( s i n g l e e n d e d ) 、差分( d i f f e r e n t i a l ) 和专用模式( s p e c i a lp u r p o s em o d e ) ，如表2 1 。单端、差分工作方式使用差分 曼彻斯特编码，它提供的数据格式使得数据可在多种媒介中传送，并且，对信号 的极性不敏感，在通信链路中的极性变化不会影响数据的接收。 表2 1 通信管脚的不周定义 管脚驱动电流( m a )差分单端专用模式 7c p oi 4数据入+数据入数据入 c p l1 4数据入一数据出数据出 fc p 24 0数据出+发送使能比特钟输出 c p 34 0数据出休眠输出( 低有效)休眠出或唤醒入 c p 4l4碰撞侦测输入，碰撞侦测输入 碰撞愤澍输 单端模式是在l o n w o r k s 总线中使用最常用的种模式，用于实现收发器与 多种传输媒介相连，构成自由拓扑结构的双绞线、射频、红外线、光纤以及同轴 电缆网络。单端工作方式时发送的数据帧的结构示意图如图2 - 3 。 图2 - 3 数据帧结构示意图 f i g u r e2 - 3c o n f i g u r a t i o no fd a t af r a m e 在差分工作方式下，神经元芯片内嵌收发器能够配合外部部件有区别地驱动 和感知双绞线传输线。与单端模式相比较有许多方面类似，其主要的区别在于： 驱动及接收电路配置是差分线传输。在数据发送期间，数据输出管脚c p 2 和c p 3 的状态是反相的( 驱动状态) ，即送出差分信号。当无数据发送时，c p 2 和c p 3 管 脚处于高阻态( 非驱动状态) 。管脚c p o 和c p t 用于差分地接收外部送来的信号。 专用模式用于一些特殊应用中，需要神经元芯片直接提供没有编码和无同步 头的原始报文。在这种情况下，利用一个智能的收发器来处理从网络上或从神经 元芯片上传来的数据。发送过程：从神经元芯片接收到这种原始报文，重新编码， 1 5 上海交通大学硕士学位论文 212 神经元芯片通信口 ( 2 1 ) 神经元芯片有一个多功能的通信口，它有5 个通信管脚c p o c p 4 ，可以支持 多种通信介质，实现较宽范围的传输速率。为适应不同的编码方案和不同的波特 率，分别配置成三种不同的接口模式：单端( s i n g l e e n d e d ) 、差分( d i f f e r e n t i a l ) 和专用模式( s p e c i a lp u r p o s em o d e ) ，如表2 1 。单端、差分工作方式使用差分 曼彻斯特编码，它提供的数据格式使得数据可在多种媒介中传送，并且，对信号 的极性不敏感，在通信链路中的极性变化不会影响数据的接收。 表2 1 通信管脚的不周定义 管脚驱动电流( m a )差分单端专用模式 7c p oi 4数据入+数据入数据入 c p l1 4数据入一数据出数据出 fc p 24 0数据出+发送使能比特钟输出 c p 34 0数据出休眠输出( 低有效)休眠出或唤醒入 c p 4l4碰撞侦测输入，碰撞侦测输入 碰撞愤澍输 单端模式是在l o n w o r k s 总线中使用最常用的种模式，用于实现收发器与 多种传输媒介相连，构成自由拓扑结构的双绞线、射频、红外线、光纤以及同轴 电缆网络。单端工作方式时发送的数据帧的结构示意图如图2 - 3 。 图2 - 3 数据帧结构示意图 f i g u r e2 - 3c o n f i g u r a t i o no fd a t af r a m e 在差分工作方式下，神经元芯片内嵌收发器能够配合外部部件有区别地驱动 和感知双绞线传输线。与单端模式相比较有许多方面类似，其主要的区别在于： 驱动及接收电路配置是差分线传输。在数据发送期间，数据输出管脚c p 2 和c p 3 的状态是反相的( 驱动状态) ，即送出差分信号。当无数据发送时，c p 2 和c p 3 管 脚处于高阻态( 非驱动状态) 。管脚c p o 和c p t 用于差分地接收外部送来的信号。 专用模式用于一些特殊应用中，需要神经元芯片直接提供没有编码和无同步 头的原始报文。在这种情况下，利用一个智能的收发器来处理从网络上或从神经 元芯片上传来的数据。发送过程：从神经元芯片接收到这种原始报文，重新编码， 1 5 上海交避大学硕堂学位论文 并插入围步头，发送到嘲络上；接收过程：从网络上收到数据，去撵网步头，重 新解码，然后送到神经元芯片内。 21 ，3 秭缀元芯辫 0 对象 n e u r o n 芯片和外都硬件的互连怒透过1 1 个t o 口i o o 1 0 1 0 。这麴管 脚可以根据不同设备i o 的要求，灵活地定义一个或多个管脚作为赣入输出对 象。一个i o 对象简单认为一个定义的输入或输出波形，也可认为蔻存放在r o m 中供用户废用程序访问的已编写的固件例穰。用户程序可以通过函数i oi n ( ) 积 i oo u t0 时所定义的i 0 进行输入输出操作。n e u r o n 芯片的1 1 个i o 有3 4 种 u o 对象( 见表2 2 ) ，弼以有效地实现这1 1 个i o 熬测基、计黠和控捌功能。 褒2 - 2i 恬u r o n 芯片的3 4 种i o 对象 序i o 对象成用管脚输入输堪值 号 妻接i o 对象 l位输入( b i ti n p u t )i o o 1 0 1 00 ，1 二进制 2位辕斑( b i to u t p u t )1 0 0 1 0 1 00 ，1 二避裁 3 字节输入( b y t ei n p u t )1 0 0 t 1 0 70 2 5 5 二进制 4 字：翻羚盎( b y 据o u t p u t ) l 1 0 70 2 5 5 二送割 5电平捡测输入1 0 0 t 1 0 7逻辑0 电平检测 ( l e v