（检测技术与自动化装置专业论文）基于lonworks技术的家居网络系统.pdf

基于l o n w o r k s 技术的家居网络系统 摘要 本文首先介绍了国内外智能家居的发展现状和前景，着重介绍了 l o n w o r l 【s 在智能家居中的应用及其特点。 接着提出了智能家居网络的系统结构，并从硬件和软件的角度分 别对两种智能节点( h 0 s t b a s e d 和n 即r o nc h i p - b a s e d ) 的基本电路、 应用软件、通信软件进行了设计。在阐述设计中，分析了【舢w o r l 【s 的通信协议l o n t a l l 【和n - e u r o n 芯片( 3 1 2 0 和3 1 5 0 ) ，学习了节点开发 工具n o d e b u i l d c r 和n e u r o nc 编程语言。 利用l o n m a l 【c r 组网工具，采用网络变量和显式报文技术将智能 节点连接成网络，模拟智能家居网络系统，既可以利用组态软件 1 1 1 t 0 u c h 控制和观察系统，并且可以现场操作网络节点。 关键字：l 0 n w o r k s智能节点d e b u i l d 盯网络变量 i n t o u c h t h eh o u s en e t w o r ks y s t e mb a s e do nt h e l o n w o r k st e c h n o l o g y a b s t r a c t f i r s t l y t h ep a p e rs t a 嘧t h ei n t e l l i g e n tf a m i l y sd e v e l o p m e n t s i t l _ 眦i o na n d 仃e n da ta b m a da n dh o m 峨s t r e s s i n gl o n w o f k s 丘e l d b u s t e c l l l l o l o g y ，f e a t i l r ea n da p p l i c a t i o n s e c o n d l y m ep 印c rg i v e s 也ei n t e l l i g e mf 撕l y ss y s t e ms 协l c t u r e a n di ti n t r o d u c e st h ed e s i g no ft 、o “n d so f 血e 1 1 i g e n tn o d e s ( h o s t b a s e d a n dn e u r o nc 1 1 i p - b a s o d ) 丘d mh a r d w a r e 弛ds 0 8 w a r e 鹤p e c t s ，i n c l u d i n g b a s i cc i r c u i t s ，a p p l i c a t i o ns o f t 、) l ，a r ca n dc 0 姗毗u n i c a t i o ns o r w a r e i nt h e p e r i o do fi n t r o d u c i n gd e s i g n ，m ep a p e r 龃a l y s e st h ec o 姗u n i c a t i o n p r o t o c o ll o n t a l k ，t 、) l ，ok i n d so fn 朗r o nc 1 1 i p s ( 3 1 2 0a n d3 1 5 0 ) ，d e v i c c d c v e l o p m e n tt o o ln o d e b u i l d e r 锄dn e u r o ncp r o 铲a n 瑚燃l a l l g u a g e f u n l l 锄o r c ，a c c o r d i n gt 0n e 咐o r kv a a b l e s 弛de x p l c c i tm e s s a g e ， m ei n t e l l i g e n t 缅 n i l y sn e h 釉r ki sc o 咖c t e db yl o n m a k c r 劬1 t h i s 加【o d e lo fi n t e l l i g e n t 锄l ys y s t 锄c a nb ec o n t r o l l e d 勰dw a t c h e dn o t o n l v 丘o m 也eh u m a n m a c h i n ei n t c r f 犯et o o l1 1 1 t o u c hb u ta l s oi n 也ef i e l d b yh u m a no p e r a t i o n k e yw o i s ：l o n w o r b i n t e l l i g e n tn o d e s n 0 d e b u i l d c r n 咖o r kv a r i a b l e si n t o u c h 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：鱼i 盟鸶 日期： 堑曼：12 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：鲎巍骘日期：兰堕! ：1 2 导师签名：盈2 鱼： 日期：塑j ：生。挚 d ， 北京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 随着科学技术的迅猛发展，世界迎来了信息化时代。目前，把信息技术自动 化技术与计算机技术结合起来应用于建筑及住宅，于是就出现了智能建筑及住 宅智能住宅，或称智能家居，本章主要介绍智能家居的基本概念，现状和发展 前景及其系统结构。 1 1 智能家居的基本概念 智能家居“。，首先要在一个家居内建立一个通信网络，为家庭信息提供必要 的通路，在家庭网络的操作系统的控制下，通过相应的硬件和执行结构，实现对 所有家庭网络上的家电和设备进行控制和监测。其次，它们都要通过一定的媒介， 构成与外界的通信通道，以实现与家庭以外的世界沟通信息，满足远程控制、监 测和交换信息的需求。最后，目的是满足人们对安全、舒适、方便和绿色生存环 境的需求。 智能化住宅是指通过家庭总线把家庭内的各种与信息相关的通信设备，家用 电器和家庭保安装置都并入到网络中，进行集中或异地的监视控制及家庭事务性 管理，并增强家居生活的安全性，可以节约各种能源及资金。 2 0 世纪8 0 年代初，随着电子技术在家用电器中的大量应用，开始了住宅电 子化。2 0 世纪8 0 年代中期，将家用电器，通信设备与安保设备独立的功能综合 为一体后，形成住宅自动化。2 0 世纪8 0 年代末，通过总线技术进行监视，控制 与管理住宅内的各种设备的通信，包括家电，安保等设备。智能住宅的电气设计 要求需要满足以下三个条件： ( 1 ) 具备家庭总线网络 ( 2 ) 通过家庭总线系统提供各种服务功能 ( 3 ) 能够连接其他住宅和外部世界 1 2 智能家居的现状和发展前景 1 2 1 国外智能家居 在国际上，智能家居在2 0 世纪8 0 年代初开始兴起，现在已经有了很大的发 展。美国、欧洲、澳大利亚、日本等国家纷纷提出e h s 、e m 等家庭网络协议。 北京邮电大学硕士研究生学位论文 由于c a n 、p r o f m u s 、f f 、k m w o r l ( s 等现场总线的产生以及其在实践中的成 功，促使了家居网络的发展，以l 舢w o r l 【s 网络为基础的家居网络的发展尤为明 显。在国际上，掀起了家居网络的发展热潮，有关的技术也取得了巨大的发展。 1 2 2 国内智能家居 我国从2 0 世纪8 0 年代末引入智能住宅的概念。专业智能家居厂家正在增 长，比较知名的产品有e n j o y s m a r t 易居家庭自动化系统，引进新加坡技术的 1 r c a s l l r e w a y 宝路家庭智能化系统，交大住宅网络智能控制数据终端n d t 等。智 能家居专业厂家对控制网络技术掌握较好，开发智能家居系统较为完整，且扩充 性好，专业化模块化是共同特点。 我国发展智能家居系统的必要性： 随着科学技术的不断进步，各种家用电器品种繁多，功能日新月异。然而， 传统的家用电器均独立工作，造成许多功能的重复、浪费和控制复杂性等很多问 题，因而建立家居网络系统非常必要。家居网络系统是指将家居内部所有的设备 和应用系统通过智能家居网络；连接成一体，实现安全、经济、舒适和方便等指 标综合平衡的家居系统，它是计算机、通信和控制等相关技术与传统家居系统相 结合的产物。 我国发展智能家居系统的问题“。： 目前，能成功集成h n s ( 家居网络系统) 的解决办法还不清晰，有两个问 题需要解决： 第一，目消费者市场的组网技术及其器件的价格。 第二，能提供可靠的自重构应用集成的系统设备和器件还没有很好的解决 方法，这些设备应互相配合、互操作性、标准化。 在这种形势下基于l o n w o d 岱的f c s 网络系统应运而生，采用l 舢w o f l ( s 技 术组建，不仅在设计过程中便利了硬件设计，减少了软件开发的复杂性，解决了 智能化、可靠性、准确性等问题，而且由于简化了系统结构，也很大程度上减少 了系统的总体投资费用和安装、调试、维护等工作量。 1 3l o n w o r k s 简介 l o i l w o r k s ( l o c a lo p e r a t i n g n e 啪o r k s ) 总线技术是由美国e c h e l o n 公司推出 并由m o t o r o l a 和t o s h i b a 公司共同倡导，于2 0 世纪9 0 年代初正式推出的一种现 场总线标准。e d 圮l 公司开发了l 舢w o r k s 技术，并且为l 0 n 总线设计和成品 2 北京婚电大学硕士研究生学位论文 化提供了一套完整的开发平台。其通信协议l d n t a l l 【支持o s i ，i u 订的所有七层模 型，这是【o n 总线最突出的特点。【舢刚k 协议通过神经元芯片上的硬件和固件 实现，提供介质存取、事务确认和点对点的通信服务。应用程序采用面向对象的 设计方法，通过网络变量把网络通信的设计简化为参数设置，大大缩短了产品开 发周期。 高可靠性、安全性、易于实现和互操作性，使得w o 一| 【s 产品应用非常广 泛。它广泛应用于过程控制、电梯控制、能源管理、环境监视、污水处理，火灾 报警和空调控制、交通管理、家庭网络自动化等领域。 【舢【w o r k s 技术适用于h n s 主要基于l 舢w o r l 【s 如下的特点“。： ( 1 ) 网络拓扑：有星型、总线型、环型及自由型，可以根据家居的不同结构采 用不同的连接方式，从而降低布线的复杂性、工作量，提高可靠性和可维 护性。 ( 2 ) 通信媒介：可以用任何媒介进行通信，包括双绞线、电力线、光纤、同轴 电缆、无线电波、红外等。在同一网络中可以根据具体要求采用有线，无 线等方式，也可以保留原来的电力线系统，避免重复布线，资源浪费，方 便用户使用。 壤 ( 3 ) 开放性与互操作性：网络协议l o n t a l l 【开放，符合国际标准组织( i s o ) 模 型，并对任何用户平等，任何制造商的产品都可以实现互操作，方便不同 商家家电产品的使用。 ( 4 ) 网络结构：可以是主从式、对等式或者客户机服务器式结构。具有配套的 节点、收发器、路由器等开发工具、调试、安装设备，集成化设备使系统 调试简单易行。 ( 5 ) 网络通信采用面向对象的设计方法，使网络通信的设计简化成参数设计， 增加了通信的可靠性，降低了开发难度，缩短了研发时间。 ( 6 ) 通信速率可达1 2 5 m h ，s ，有效距离1 3 0 m ，7 8 k b s 双绞线，直线通信距离可 达”0 0 m ，一个测控网络上节点可达3 2 0 0 0 个，无论是通信距离，通信速 度，还是连接节点个数都完全能满足现在及未来家居需求。 ( 7 ) 网络节点间为逻辑连接，使系统增加，删除节点简单易行，而且任何一个 节点故障不会影响到其他节点，系统稳定性得到保障。 ( 8 ) 改善了c s m a ，采用p 坚持c s m a ，这样在家居网络负载很重时，不会导 致网络瘫痪。 ( 9 ) 根据不同家电的功能要求，选用不同节点，编写相应程序，将物理节点连 接到家居网络中，不用对物理网络结构进行更改。 这些特点满足了家居网络的所有功用，使l o n w o r 】k s 技术在家居网络应用中 北京邮电大学硕士研究生学位论文 表现出比其他网络更大的优势，尤其是它的突出特点：开放性、统一性，互操作 性，从而在家庭自动化领域中得到更广泛的应用。 1 4 本课题主要研究的内容 本课题主要研究的内容包括以下三个方面：1 l o n w o r l 蹬现场总线智能节点 的设计2 l o n w o r k s 网络的组网技术3 人机界面设计 l o n w o r l ( s 现场总线智能节点的设计主要是完成两种智能节点的设计，包括 王，o 外围电路设计( 模拟数字和模拟信号的家用电器) ，收发器电路设计，服务 电路和复位电路设计，还有主要的三个节点的软件代码编写。这是本课题的研究 基础。 l o n w o r l 【s 网络的组网技术主要是利用网络变量和显式报文技术，用 l o n m a k 盯工具将三个智能节点连接成一个实际的网络，实现节点间的互相通信。 这部分是课题的主要研究方面。 人机界面设计主要是完成在p c 机上控制和观察各个节点的工作状况，主要 利用h f r o u c h 组态软件完成此部分工作。 4 北京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章l o n w o r k s 网络的系统结构 根据l 棚w o d 【s 技术特点结合家居网络的内部结构和目前现有的硬件设备， 本课题设计出了家居网络的模拟系统结构。 2 1 系统整体结构 本课题设计的k n w o r l b 网络采用总线型结构，p c 机用于上位机，l 0 n 总 线上连接3 个设备：f t 3 1 2 0 控制板，f t 3 1 5 0 控制板，和由i 肌沮l o a 和g i z m 0 4 开发板组成的节点。系统结构图如下： 图2 1 系统硬件结构图 结构图说明：上位监控机是一台带有l o n w o d 笃适配器的p c 机，在l 0 n w 硎| 【s 总线上挂接有3 个硬件节点。由u m l o a 和g i 锄0 4 开发板组成的节点相当于 进入房间的一个总控制节点，也是一个与其他两个节点起同等作用的温度感应节 点，主要完成显示本节点信息和控制其他两个节点的状态；f t 3 1 5 0 控制板模拟 家庭内各个房间的灯节点和温度节点；f t 3 1 2 0 控制板模拟家庭内各种发送数字 信号和模拟信号的电器。 在本系统中主要包括家居网络中的照明系统，温度系统和通过模拟与数字信 号通信的家电设备。设备间的物理传输介质是双绞线，通信协议采用l 0 n w o r l ( s 技术的l o n t a l l 【协议。 5 北京邮电大学硕士研究生学位论文 2 2l o n w o r k s 总线协议 2 2 1l o n t a i k 协议标准 l 0 n w o r l 圆技术使用的通信协议是l 0 1 1 _ t a i k 协议，该协议符合国际标准组织 ( i s 0 ) 定义的开放系统互连( o s i ) 模型。表2 1 总结了l o n t a l k 协议在0 s i 参考模型中的每层提供的服务 引。 表2 1l o n t a i k 协议的各层功能 o s i 层目的提供的服务c p u 应用层应用兼容性l 0 n m a r l 洱对象，配置特性，标准网络变应用c p u 量，文件传输 表示层数据翻译网络变量，应用消息，网络接口网络c p u 会话层远程操作请求响应，鉴别，网络服务网络c p u 传输层端对端通信应答消息，非应答消息，双重检查网络c p u 网络层 寻址点对点寻址，多点之间广播式寻址，路网络c p u 由信息 链路层介质访问以及组帧，编码，可预测c s m a ，冲突避免，m a c c p u 组帧 优先级 物理层物理连接特定传输媒介的接口，调制方案m a c c p u ( 1 ) 物理层：物理层定义了在通信信道上位流的传输。物理层确保了一个源设 备发送的位流准确地被目的设备所接受。l o n t a l k 协议是基于传输介质的， 多个物理层协议支持不同的通信介质。 ( 2 ) 数据链路层：数据链路层定义介质访问方法和确保有效利用单一信道的数 据编码。介质访问控制层( m a c ) 是数据链路层的一部分。使用o s i 各层 协议的标准接口和链路层的其他部分进行通信。局域网中存在多种介质访 问控制协议，使用最广泛的是载波多路监听( c s m a ) ，l o n t a l l 【协议的 m a c 是该协议的一种改进。它采用可预测p - 坚持c s m a ，在保留c s m a 的优点的同时，克服了它在控制网络中的不足。 ( 3 ) 网络层：网络层定义了来自源设备的报文是如何选择路由到达一个或多个 目的的设备。网络层定义了设备名称和地址，还定义了当源设备和目的设 备不在同一信道上时，如何确定报文路由。 ( 4 ) 传输层：传输层确保可靠的报文传输。报文可以用一种确认服务方式来进 6 北京邮电大学硕士研究生学位论文 行数据交换，即源设备等待来自接收设备的确认信号并且当未收到确认信 息时重发报文同时，传输层还定义了由于丢失了确认保温重发时，如何 排除重发报文 ( 5 ) 会话层：会话层对较低层数据交换加以控制。它支持远程操作，使得客户 可以对远程服务提出请求，并接收对请求的响应。 ( 6 ) 表示层：表示层定义报文数据的编码报文被编码为网络变量，应用报文 或外部帧。用标准化网络变量类型s n 、广r s 支持网络变量的互操作 ( 7 ) 应用层：应用层定义为一种低层交换数据的公共语义解释，使不同的应用 程序中网络变量改变时，均能自动将更新的网络变量值下传或上传。 2 2 2l o n t a l k 协议的命名机制和寻址方式 一 神经元芯片命名 神经元芯片具有一个特有的4 8 位标识( 卜h nm ) ，n 棚伽m 由芯片生 产厂家唯一确定，并且终生不变。因此，n e i l r o nd 可以作为神经元芯片的名字， 唯一地区别于其他的神经元芯片羽。 一寻址地址 每个k n w o r b 节点都在物理上和一个信道相连，信道就是数据包的物理传 输介质，一个l 舢w o b 网络由一个或多个信道组成，多个信道之间通过路由器 连接。 l 0 n t a l 】( 地址唯一地标识了功n t a l l 【数据包的源节点和目的节点，可以被路 由器用来在两个信道之间选择性地传输数据包。 为了简化路由，k n t a m 协议定义了一种使用域( d o m a i n ) ，子网( s u b n e o 和节 点地址( d ea d d r e 路) 的分级编址方式，这种编址方式可以编址整个域，单个子网 或单个节点。为了增强对多个节点的编址，i 舢t a l k 协议定义了另一种使用域和 组地址的编址方式。 域是h 1 t a l l ( 的第一级地址，它是分布在一个或多个信道上的一系列节点的 集合。通信只能在同一个域中进行，因此一个域构成了一个实际的网。子网是包 含在同一个域中一系列节点的集合，一个子网最多包含1 2 7 个节点，每个域最多 包含2 5 5 个子网，一个子网的所有节点必须在相同的网段上。 组是同一个域中所有节点的逻辑集合。与子网不同的是，节点可以任意分组 7 北京邮电大学硕士研究生学位论文 而不考虑它们在域中的物理位置。 节点地址是指每个节点在子网中被赋予的一个7b i 协的节点号，因此一个子 网最多包含1 2 7 个节点，一个域最多包含3 2 3 8 5 个节点副。 表2 2 节点有五种寻址方式 地址格式目标地址长度( 字节数) 域( 子网：0 ) 域内所有节点3 域，子网子网内所有节点 3 域，子网，节点子网内的特定节点 4 域，组 组内所有节点 3 域，n e u f o n特定节点 9 2 3l o n w o r k s 网络开发过程 在l 0 n w o f l ( s 网络开发的过程中，主要是节点开发和组网技术。 节点开发主要有节点的硬件电路设计和节点的应用程序开发( 图2 2 表示了 节点开发的过程) 。 步骤图说明：首先确定家居系统所实现的功能，根据此系统功能分成三个硬 件节点实现，标识每个节点的功能，定义三个节点的通信接口，采用d e b u i l d e r 软件工具进行节点的应用程序开发，将应用程序下载到节点中测试功能。当单个 节点的功能实现后，将所有节点连网。 北京邮电大学硕士研究生学位论文 图2 - 2 节点开发步骤图 9 北京邮电大学硕士研究生学位论文 组网技术主要由网络集成和人机交互操作组成。网络集成的步骤如下： ji d e n t i f y a r c h i t e c t u r e s s e l e c tn e t 霄o r k c o m p o n e n t s p 1 a nt h en e t w o r k l i 奄e t w o r k 【卜6 “l l 上 c o 衄i s s i o n n e t 霄o r k i 叩l e m e n tt h en e t 霄o r k 上 t e s ta r i d v e r i f yn e t 霄o r k 上t o p t i m i z e n e t - o r k t e s ta n do p t i m i z e d o c u m e n t n e t 们r k 土 m a i n t a i n n e t _ o r k d o c 岫e n ta n dm a i n t a i n 图2 3 网络设计步骤图 网络集成工具采用l o n m a l 【e r 并且利用l n sd d es e r v e r 将l w o r 】l 【s 网络与 人机操作界面连接起来。 骤。 本章小结 本章总体上介绍了课题中设计的l w o r l 【s 网络系统的框架和具体设计步 l o 北京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章节点硬件结构设计 3 1l o n w o r k s 智能节点开发方式 l 0 n w 硎b 节点可以分为两大类： 一类是以神经元芯片( n e l | l o nc l l i p ) 为主处理器的节点( n e u 啪d ! l i p _ b 够c d ) 这类节点利用n 删r o n 芯片完成所有的工作( 包括通信和用户应用程序) ，节点 中不再包含其他处理器。这类节点结构简单，成本低，但功能有限。 另一类是以神经元芯片为从处理器的节点( h o s t - b 勰e d ) ，这类节点利用 n 帅n 芯片完成通信任务，而且用户的应用程序由其他的处理器来完成。节点 结构图如下：主处理器一般由其他类型的微处理器( 如单片机，d s p 等) 组成， 而神经元芯片用做从处理器，这一类节点结构复杂，成本较高，但功能强大。 图3 1h o s t b a s c d 节点结构图 7 以下分析第一种节点的开发方式。 这种节点主要包括：n 叫啪芯片，外部存储器，收发器，晶振，电源，i o 调理电路，节点的基本结构如图： 北京邮电大学硕士研究生学位论文 图3 2 基于神经元芯片的节点结构图7 】 神经元芯片加上收发器构成一个典型的现场节点，负责现场设备的通信和简 单的数据处理任务。此种节点的开发方式主要有两种： 第一种是基于n 蛳n 芯片的开发。这种节点的开发方式比较灵活，可以根 据实际需要配置片外的程序存储空间r a m ，甚至可以扩展一部分i o 口。但是 有可能造成和其他厂商产品的互换性和互操作性等问题； 第二种是基于控制模块的开发。这种开发方式比较简单，用户可以任选一家 公司的控制模块，根据其口设计外部电路，实现各种信号的采集或输出。这 种开发方式周期短，信号格式规范，产品的互操作性和互换性比较强，但由于控 制模块里集成了容量固定的程序存储器和r a m ，因此会对用户开发应用程序造 成一定的限制。控制模块的节点结构图如下： 图3 3 基于控制模块的节点结构图 北京邮电大学硕士研究生学位论文 由于基于n e i 咖芯片的开发需要设计耦合电路，信号调理电路和收发器电 路，并且e c h e l 蚰对于这些电路的p c b 布板有特殊的规则，开发成本高，因此 本课题采用基于控制模块的方式开发节点，这样可以避免以上电路的设计和调 试，开发时间短 3 2n e u r o n 芯片介绍 n e u r o n 芯片有3 1 2 0 和3 1 5 0 两大系列，是蛔w o f k s 技术的核心。它既进行 通信的管理，同时还具有输入和输出控制的能力。其内部框架图如图所示： 井鄹存储量扩晨意线 图3 - 4 n 舢o n 芯片内部方块图 1 9 】 3 1 2 0 与3 1 5 0 的区别在于3 1 5 0 支持扩展外部存储器( a a 1 5 ) ，适合更 为复杂的应用，而3 1 2 0 不支持外部存储器，本身带有r o m 。 北京邮电大学硕士研究生学位论文 表3 13 1 2 0 和3 1 5 0 的比较 n e 孤阳- 芯片 3 l s o 3 1 2 03 1 2 0 e i 3 t 2 硼强 凹u 教 3 333 既剥m ( 字节) 5 1 2 5 1 2l 毗弭2 0 8 r m ( 字节2 0 4 si o mi 肆2 0 4 8 r o m ( 字节) o 1 0 2 4 01 0 2 4 01 0 2 4 0 外部扩展存罐罄接口有 无无无 1 6 位定对器，计敦嚣 2z 22 封蓑 方形艰列直播双列直插双耐直插 管脚散 轴 3 23 23 2 处理单元 神经元芯片内部有3 个处理器单元：m a c 处理器，网络处理器和应用处理 器。神经元芯片内部集成了3 个看门狗定时器，另外还有一个发送速率在 6 1 0 b p s 一1 2 5 m b p s 的独立于介质的收发器。在神经元芯片中集成了强大的通信 功能和现场采集控制功能于一体，因此，一个神经元芯片加上收发器就是一个智 能控制网络中独立的控制单元。 图3 5 处理器结构和存储区分配 神经元芯片内有3 个8 位流水线作业的c p u ，介质访问控制c p u 处理 b n t a l l 【7 层协议的第1 第2 层，包括驱动通信子系统的硬件和执行m a c 算法。 网络c p u 处理l 0 n t a l l 【协议的第3 第6 层，包括处理网络变量寻址事务、权限 证实、背景诊断、软件计时器、网络管理和路由等，周时还控制网络通信端口、 物理的发送和接收数据包。应用c p u 执行用户用n e 嘲c 语言编写的代码以及 用户代码调用的操作系统命令，3 个c p u 分别通过片内的网络缓存器和应用缓 存器进行通信。芯片提供了o 1 0 共11 个管脚，通过对其编程可设定为3 4 种不同的对象，可直接连接各种传感器、a d 、执行器等。c p o - c p 4 组成的网络 通信端口用以连接收发器，实现网络的通信功能，它有三种工作方式，分别是差 1 4 北京邮电大学硕士研究生学位论文 分，单端和专用工作方式。 对单端和差分工作方式采用差分曼彻斯特编码，差分曼彻斯特编码所提供 的数据格式使得数据可在多种媒介中传输。 存储器 m 1 5 0 和f ”1 2 0 的内部存储器结构如表3 2 ： f t 3 1 5 0 内部的o 5 k 的e e p r o m 用来存放网络配置和地址表，独一无二的 4 8 位的n e u m nd 码，用户应用程序代码和一般只读的数据，2 k 静态r a m 包 括堆栈段，应用程序和系统程序的数据区，i 舢t a l l 【协议的网络缓冲区和应用缓 冲区。 3 1 5 0 最大存储寻址空间是6 4 k ( 1 6 条地址线) ，处理器可以通过外部的存 储器接口访问的寻址空间是5 3 9 3 2 字节，其中6 1 4 4 字节作为内部映射。1 6 k b 的外部存储器用于存储l 0 n w o r l 【s 操作系统，其中包括媒体访问控制处理器和网 络处理器的系统固件和支持应用程序的管理程序。剩余的外部存储器用于存储用 户编写的应用程序和附加的应用程序读写数据区和附加的网络缓冲区和应用缓 冲区。3 1 5 0 内部没有r o m ，而3 1 2 0 内部有l k b 的r o m 。 表3 23 1 5 0 和3 1 2 0 的存储器结构 f f f f1 kr e s e r v c ds p a c ch l t 锄a lf f f f1 kr 器e e d s p a c e i n t a m a l f c o of 0 rf c o of o r m 铋0 r ym 印p c dm 锄o r ym a p p 。d i oi o f b f f2 5 k r 鹤e r v e di n t a = l l a l f b f f3k e e p r o mh l t c 】m a l f 2 0 0 s p a c e f o o o f 1 f f0 5 ke e p r o mk t 舶a le f f f2 kr a mi n t 锄a l f o o o e 8 0 0 e f f f2 kr a mi l 】t 咖a le 7 f fu 眦v a i l a b l eh n 锄a l e 8 0 0e 4 0 0 e 7 f f4 2 ko f m 锄0 r ye x t 锄a l 8 3 f flk e e p r o mi n “釉a l 4 0 0 0 s p a c ca v a i l 曲l e t o 8 0 0 0 t h eu s e f 3 f f f1 6 kn e u r o ne x l 啪a i u n a v a i l a b l e 1 1 1 t e m a l 0 0 0 0丘衄w a r e a n d5 f f f2 4 k bn e 啪nh l t e n l a l r e s e r v c d s p a c e 0 0 0 0 f i m w a ( r o m ) n e u r o n 芯片固件如图3 - 6 ，包括：a n s 扼i a7 0 9 1 a 1 9 9 9 ( i 舢t a l k 协议栈) ， i ，0 驱动程序，操作系统，运行库。 1 5 北京邮电大学硕士研究生学位论文 i ，od r i v e r sr 瑚国e l 蜥c s o p e r a t i n gs y s t 锄 a n s 腮队一7 0 9 1 a 1 9 9 9s t a c k 图3 6n e u r o n 芯片固件 输入输出电路 n e u r o n 芯片有1 1 个双向i ，o 管脚1 0 m 1 0 1 0 ，这些管脚可以根据不同的外部 设备i o 的要求灵活地配置输入输出方式。i ，o 口的1 1 个管脚图示： _ 一1 0 0 _ 一1 0 1 o 童 i i 饿 峰 0 5 - _ 瞄 + 1 0 7 1 0 8 1 0 9 i d o 加m a 弧蛳脚圃嘲m 蝴哪咖哟- 图3 7 n e w o n 芯片的1 1 个的管脚内部图1 9 1 1 0 4 - 1 0 7 可以通过编程设置成上拉电流源( h j 曲c l i 悯ts i n k ) ，i o o 1 0 3 带 有高电流( 2 0 n 认) 接收，1 0 0 - 1 0 l o 带有r r l 标准的迟滞输入，1 0 0 - 1 0 7 带有低 电平检测锁存。 神经元芯片带有两个片内定时计数器。定时计数器l 称为多路选择定时 计数器( n l u l 垃p l 取佃嘣，u m 盯) 。它的输入可通过一个多路选择开关，从1 0 4 - 1 0 7 四个i 口选择一个，输出可连接至1 0 0 。每个定时，计数器包括：可以被c p u 读出的1 6 位锁存器，1 6 位计数器。 一时钟系统 n 删芯片的输入时钟是由片内的震荡器通过外部晶振而产生的。n 锄r o n 芯片内部的分频器将输入时钟进行二分频，以提供一个片内对称的系统时钟。 n 蝴芯片在低电压下的工作时钟为1 0 m h z 6 2 5 m h z ，有效输入时钟为 1 0 m h z ，5 m h z ，2 5 姗z ，1 2 5 瑚和6 2 5 k h z 。 睡眠，唤醒机制 n e u 姗芯片可以通过软件设置进入低电压的睡眠模式。在这种模式中，系 统时钟，使用的程序时钟和计数器关闭，但是使用的状态信息( 包括n n 芯 1 6 北京邮电大学硕士研究生学位论文 片内部的r o m ) 被保留，当有以下的条件转换时，正常的操作系统被启动： 1 i o 管脚的输入( 可屏蔽) ； 2 通信接口( 可屏蔽) ； 3 s e i c ep i n 信号； s e n r i c e p i n s e n ，i c ep i n 是n e u r o n 芯片中的一个非常重要的管脚。在节点的配置，安装 和维护的时候都需要使用此管脚。该管脚既能输入也能输出，当其作为输出引脚 驱动l e d 时，不同的l e d 状态指示了不同的节点工作状态，如表l 所示。当 l e d 保持为亮时，表示该芯片没有应用代码或者已坏，l e d 以l 2 的频率闪烁 表示该芯片处于未配置状态，l e d 为暗表示该节点处于已配置状态。当其作为 输入时，n e 伽芯片会自动在网络上发送含有n n 芯片4 8b i t si d 值信息的 网络管理消息，用于网络配置。 表3 3 节点状态表 节点状态服务引脚电路l e d 非应用或非配置亮 未配餐闪烁 已配置，硬件脱机熄灭 已配置熄灭 为完成输入输出功能，该管脚输入输出一7 6 h z 的频率，5 0 的占空比复用。 当s e n r i c ep i n 没有连接l e d 和上拉电阻时，s e r v i c ep i n 有一个片内可选的上拉 电阻以保证输入是无效状态。下图是s e n ，i c e p i i l 的电路。 啪乒丑 图3 - 8s e r v i c e p i i l 电路 一w a t c h d o g 定时器 n e u m n 芯片为防止软件失效和存储错误，包含三个w a t c h d o g 定时器( 每个 c p u 一个) ，如果应用软件和系统没有定时刷新这些w a 汹d o g 定时器，整个 n e u r o n 芯片将自动复位。w a t c h d o g 定时器的复位周期依赖于n e 啪n 芯片的输入 时钟频率，例如在输入时钟频率为l o m h z 时，w a l c h d o g 定时器周期是0 8 s 。 当n e u r o n 芯片处于睡眠状态时，所有的w a t c h d o g 定时器被禁止。 通信 n e u r o n 芯片可以支持多种通信介质。最为广泛的是双绞线，其次是电力线， 1 北京邮电大学硕士研究生学位论文 还有红外、同轴电缆、无线电等。本课题中使用双绞线。 3 3 硬件模块f t 3 1 2 0 3 3 1 硬件框图 圆= 二 1卜 f ( 4 0 删z ) l c i 量2 一 ：i 箜! ! ：! ：! ? ； 姒x 5 3 9 ny 1卜 i o ( i o o 1 0 】j n旷 c o n n e c t o r f t 3 1 2 0薛 圈l 0 2 。圊 i 滤波电路i 匡望筐卜 幽m 国t 怒警 【s u p p l y 广一 图3 - 9f t 3 1 2 0 控制板的硬件总体结构图 结构图说明：f t 3 1 2 0 控制板节点主要是模拟家庭内的发送模拟和数字信号 的家电，在设计中通过在a d 转换器的某一模拟输入口输入一模拟电压，然后从 n a 转换器的输出口观察输出的数值是否与a d 的输入值一致，这样来检测节点 是否正常工作。 3 3 2 模拟量节点设计 3 3 2 1a d 转换器m a ) ( 1 8 6 输入通道采用m a x l 8 6 芯片进行a 仍转换。m a x l 8 6 芯片是由美国m a x i m 公司提供的，它内含8 通道多路切换开关、高带宽跟踪保持器、1 2 b 逐次逼近式 d 转换器、串行接口电路等，具有变换速率高、功耗低等特点。该器件自带 4 0 9 6 v 参考基准源，本身就是一完整的单片1 2 b 数据采集系统。其4 线串行接 1 8 北京邮电大学硕士研究生学位论文 口可直接连接到s p i ，q s p i 和m ic f l a 丽他器件而无需外加逻辑，因此与a 融啪n 芯片连接相当方便m a x l 8 6 芯片具体管脚定义如下： mh 知n o 玎o 1 8 c h o c h 7帅 n 娴蚋x n 口v 铬 g 姗e s u p 脚v o 昭9 e 协- 5 v 吖a g 帕 t t i 删5 l _ 岫帅i n p l 工刚朝日s 删m w s h 惦e m a x l 8 6 f h 一 x 1 也幽1 0 u a ( m 哪 1 0哥丽 科b 噼b l n e r 锄啪甜n # 村删m 雠n 油nn 岫嫡帅s 删f h t 邮r 罾甘e l ，- b l - 时 狮p l l 妇h e n 帅ic a n d s 甜o n m o d e f 黼瀚燃勰德罐琵僦者旨激耀。嚣焉锶象恕器 蚓n ge 帕喇c o 呷钟铀帕n 川邑 i s o 删。咕嘏舯呻慷帅鲫惦e d w m a 珥e c 鼬m 耐町嘲 n 目q n c ：警”“”“”“”9 “”诎嘲g 帕岫 b o i n i n 叫r o r s l l g b n 洲c a w 翻j o 惜d l 6 f a m s 自恻d 蛔a p 幢。瞳b b d 州哪a t m or 蹦h l g 鲥g e d s c l k h 帅锕驴9 m n o 日埘丑1 西br - 。h 磁嚣黧裟慧茹黼：黼翟畿。：茹船搿：邕徽拦器器：器r蚺幻ra怕c瞅p日跏bdmesbdi栩h砷npedancehc8b恸l刚甘州mod田 s 可蚪。和虮叫c a b b d o c 蛔d h 碰u 怡啪帕钟时s c l k祷 黼嚣忠挈”“”“。“西8“”西8蚺。” 最篡：笳：嬲。：踹船：焉嚣乒怒患翟毓勰盅麓产”“”v r，嚏幛5upp啊vot聃+sv5 图3 - l om a x l 8 6 具体管脚定义 其中主要引脚有己吾、s c l k 、d i n 和d o u t 四个引脚，这四个引脚在a d 转 换过程中的时序图如下： 西眍圈疆圆 登国n n 兀n n n n 秘1 1 f l n n 1 1 nn 门秘r j n 几一f 1n 1 n n n 几n n _ 塑囵习3 亟亟亘i 叵 f 茧亟画画j 口? ” “圆匣匝西匣亘亘豳西囹圆匝匝匝亘 眦鞠翻麟u c 喇锥器删旺q 盯1 图3 1 1 数据转换时序图 当西有效时，在时钟s c l k 的每一个上升沿把一个最高位为“1 ”的控制字的 各位送入输入移位寄存器，控制器接受到控制字节后，选择控制字中给定的模拟 通道并在s c l k 下降沿启动转换。其控制字格式如表3 - 4 ： 表3 - 4m a x l 8 6 的控制字格式 ld 7ld 6id 5id 4 d 3 id 2id lld ol s t a r tls e l 2s e l l is e l olu n i b i ps g l d i fp d llp d oi s t a r t l 当吾变低后的第一个逻辑l ，定义控制字节的开始；s e l 2 ，s e l l ， s e i o _ o 恿道地址选择，0 0 m c h o ，l o o c h l ，0 0 1 c h 2 ，1 0 1 c h 3 ，0 1 0 - c h 4 ， 1 9 北京邮电大学硕士研究生学位论文 1 1 0 - c h 5 ，0 1 1 c h 6 ，1 1 1 c h 7 ；u n i b m 单双极性选择，0 双极性，1 单极性： s g l 仍i f - 单端，差分选择，o 差分，1 一单端；p d l ，p d o 一选择时钟和关断方式， o o - 全关断，0 1 ，快速关断，1 0 内部时钟方式，1 1 外部时钟方式。 3 3 2 2d a 转换器m a ) 【5 3 9 m a x 5 3 9 是一种采用5 v 单电源供电低功耗电压输出型的1 2 位串行数模转 换器。它具有接口简单、转换时间短、功耗低、体积小等特点。i i a x 5 3 9 采用自 校正结构，其偏置电压、增益和线性度等参数在出厂前均己微调，因此，无需其 它外接元件与外部调整。m a x 5