（检测技术与自动化装置专业论文）基于嵌入式系统的lonworks总线智能节点的研究与实现.pdf

摘要 摘要 随着智能建筑和智能小区的不断发展，l o n w o r k s 网络在全球的建筑控制设 备领域里已成为一个公认的行业标准，得到了世界各地数千个厂家的支持：但是 在扩展性方面，产品比较单一，只有神经元芯片且它的可扩展i o 口数量有限， 其他外设产品都需要投入大量的人力物力进行二次开发。这里我们提出基于嵌入 式系统的l o n w o r k s 总线智能节点的设计方法，研制出一种基于嵌入式系统，并 支持t c p i p 协议及智能建筑领域l o n w o r k s 总线传输控制协议的通用智能控制 器。 本文详细阐述了智能控制器的设计思路和实现方法，该控制器采用模块化设 计，选用基于a r m 9 2 0 t 内核的工业级新型微控制器a t 9 1 r m 9 2 0 0 作为嵌入式智能 节点控制器的c p u ，具有r s 2 3 2 、r s 一4 8 5 总线接口、人机交互模块、通用i o 模块、a d 与d a 转换模块、以太网接口等功能。在人机交互模块中，采用了一 款新颖的大规模液晶显示控制芯片s i d l 3 5 0 6 来设计l c d 显示模块，该模块占用 体积小、功耗低、功能强、性能好，具有高解像度，可用于8 0 0 6 0 0 显示场合， 能很好的对存储的图形数据进行显示，并配有触摸屏输入和语音报警的功能。在 通用i o 模块中，采用i o 扩展芯片g m 8 1 6 6 来扩展1 o 口，系统可根据不同的 控制对象选用相应的功能模块，编写相应的1 0 口驱动程序。本设计完成了 a t 9 l 跚9 2 0 0 与n e u r o n3 1 5 0 芯片的通信接口设计，最后介绍了嵌入式智能控制 器与l o n 网的连接以及嵌入式智能节点在住宅小区智能化系统中的应用。 整个系统数据处理速度快、性价比高、软硬件可裁减、用户界面友好，功能 齐全，可满足不同用户的控制需求。系统所选用的器件全都是工业级器件，可在 恶劣环境下工作。 关键词：智能建筑；l o n w o r k s 总线；嵌入式系统；智能控制器：智能节点 奎三些奎兰三兰罂圭兰竺兰吝 a b s tr a c t a l o n gw i t ht h ei n t e l l i g e n c eb u i l d i n ga n di n t e l l i g e n c eu p t o w nu n i n t e r r u p t e d d e v e l o p m e n t ，l o n w o r k sn e t w o r ks u p p o r th a v i n ga l r e a d yb e c o m eau n i v e r s a l l y a c c e p t e di n d u s t r ys t a n d a r d ，h a v i n gg o t s e v e r a lt h o u s a n d sw o r l d e v e r y w h e r e m a n u f a c t u r e r si nc o n t r o ls y s t e mf i e l di nt h ew h o l ew o r l db u i l d i n g b u ti nt h ea s p e c t e x p a n d i n gn a t u r e ，p a r a l l e ls i n g l eo fp r o d u c t ，t h eo u t s i d es e t su pap r o d u c to t h e ro n l y t h en e u r o nc h i pa n di t se x p a n s i o ni om o u t hq u a n t i t yi sl i m i t e d ，r e q u i r i n gt h a tt h e m a n p o w e ra n dm a t e r i a lr e s o u r c e st h r o w i n gi n t oag r e a tq u a n t i t yc a r r i e so u tr e p e a t e d e x p l o i t a t i o n t h el o n w o r k sb u si n t e l l i g e n c en o d ed e s i g np r o c e d u r e sb a s e do n e m b e d d e ds y s t e mt h a tw eb r i n gf o r w a r dh e r e ，d e v e l o p so u to n ek i n d o ft h e i n t e l l i g e n c ec o n t r o l l e rb a s e do ne m b e d d e ds y s t e m ，s u p p o r t i n gt h et c p i pp r o t o c o l a n dt h el o n w o r k sb u st r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o li nt h ef i e l do fi n t e l l i g e n c e b u i l d i n g t h ep a p e re x p o u n d e dt h ed e s i g nt r a i no ft h o u g h ta n dr e a i j z a t i o nm e t h o do ft h e i n t e l l i g e n c ec o n t r o l l e r t h ec o n t r o l l e rw a st u r n e dt oa d o p tm o d u l a r i z a t i o nd e s i g n ， s e l e c ta n du s ean e wm o d e lt i n yc o n t r o l l e ra t 9 1 r m 9 2 0 0b a s e do na r m 9 2 0 tc o r e i n d u s t r yl e v e la sc p u o ft h ei n t e l l i g e n c en o d ec o n t r o l l e r i th a sr s 一2 3 2a n dr s - 4 8 5 b u si n t e r f a c e ，h u m a n - c o m p u t e ri n t e r a c t i o nm o d u l e ，i om o d u l e ，a da n dd a u a u s i t i o nm o d u l e e t h e m e ti n t e r f a c ea n ds oo n 【nh u m a n - c o m p u t e ri n t e r a c t i o n m o d u l e ，h a sa d o p to n el a r g es c a l en e wa n do r i g i n a lt od e s i g nt h el c dd i s p l a ym o d u l e c o m i n gl i q u i dc r y s t a ld i s p l a yu n d e rt h ec o n t r o lo fe h i ps i d l 3 5 0 6 ，t h a tm o d u l e o c c u p a n c yv o l u m ei ss m a l l ，t h ep o w e rd i s s i p a t i o ni sl o w ，t h ef u n c t i o ni ss t r o n g ，t h e f u n c t i o ni sg o o d ，h a v eh e i g h tu n t y i n gi m a g ed e g r e e ，m a yb eu s e df o r8 0 0x6 0 0 d i s p l a yo c c a s i o n ，t h ev e r yg o o de n e r g ya r t w o r kd a t at om e m o r yc a r r i e so u td i s p l a y , m a t c h e st h ef u n c t i o no ft o u c h i n gs c r e e n i m p o r t i n ga n dp r o n u n c i a t i o nw a r n i n g t o g e t h e r i nt h ei om o d u l e ，a d o p ti ot oe x p a n dt h em o u t hc o m i n gt oe x p a n di 0c h i p g m 8 1 6 6 ，s y s t e mm a ys e l e c ta n du s et h ec o r r e s p o n d i n gf u n c t i o nm o d u l ea c c o r d i n gt o d i f f e r e n tc o n t r o l l e dm e m b e r , c o m p i l ea n dc o m p o s et h ec o r r e s p o n d i n gi om o u t hd r i v e r t h e p a p e ra c c o m p l i s h e d t h ec o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e d e s i g n b e t w e e nt h e a t 9 1 r m 9 2 0 0a n dn e u r o n3 1 5 0c h i p s f i n a l l yt h ep a p e ri n t r o d u c e dt h ec o n n e c t i o no f e m b e d d e di n t e l l i g e n c ec o n t r o l l e ra n dl o nn e t , a n dt h ea p p l i c a t i o no fe m b e d d e d i n t e l l i g e n c en o d ei nu p t o w ni n t e l l e c t u a l i z e ds y s t e m e n t i r es y s t e md a t ah a n d l i n gs p e e di sq u i c k , n a t u r ep r i c ec o m p a r e sh i g i i l y , s o f t h a r d w a r ec a nc u t sd o w n , c o n s u m e ri n t e r f a c ef r i e n d s h i p ，c o n t r o l l i n go f a l li nr e a d i n e s s ， s a t i s f i e dd i f f e r e n tf u n c t i o nc o n s u n l e - tn e e d c o m p o n e n ts e l e c t e da n du s e db ys y s t e m a l li sn i li n d u s t r yl e v e lc o m p o n e n t m a yw o r ku n d e ra d v e r s ec i r c u m s t a n c e s k e yw o r d s ：i n t e l l i g e n c eb u i l d i n g ；l o n w o r k sb u s ；e m b e d d e ds y s t e m ；i n t e l l i g e n c e c o n t r o l l e r ；i n t e l l i g e n c en o d e h f 广东工业大学工学硕士学位论文 独创性声明 秉承学校的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师 的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 和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包含本 人或其他用途使用过的成果。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。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 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，特此声明。 指导教师签字： 论文作者签字： 万妖 及f 室撼 2 0 0 7 年岁月2 0 日 7 4 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景及现实意义 l o n w o r k s 网络在全球的建筑控制设备领域里己成为一个公认的行业标准。 l o n w o r k s 网络得到了世界各地数千个厂家的支持，用在建筑控制设备工业的方 方面面，比如，工作人员出入、电梯、能源、消防监控系统、供暖通风空调设 备、照明、仪表设备、安全防范系统的管理。但是在扩展性方面，许多大的厂商 虽然留有l o n w o r k s 接口，但需要进行二次开发。产品也比较单一，只有神经元 芯片且它的可扩展i o 口数量有限( 只有1 1 个) ，其他外设产品都需要投入大量 的人力物力进行二次开发。协议方面l o n w o r k s 没有完全开放，只开放了总线协 议。协议的技术支持方面还不到位，节点的注册信息注册周期长。这里我们提出 基于嵌入式系统的l o n w o r k s 总线智能节点的设计方法，构造能实现智能建筑内 呈分布式特征的众多异构子系统问数据共享与集成的信息管理平台，基于该信息 管理平台的异构子系统之间协调互动的智能化程度更高；研制出种基于嵌入式 系统，并支持t c p i p 协议及智能建筑领域l o n w o r k s 总线传输控制协议的通用智 能控制器。在此基础上真正实现智能建筑领域内测控管体化。其关键技术是设 计基于嵌入式系统的具有r s 2 3 2 、r s 4 8 5 总线接口、人机交互界面、通用i o 模块、支持t c w i p 协议和报警信息的实时通信、显示的通用智能控制器，实现 智能建筑在更高层次上的信息集成和智能化，攻克目前智能建筑信息集成度和智 能化程度不高的技术瓶颈。所带来的优点显著，特色鲜明，如信息集成度高、智 能化程度高、分布式的数据库、容错性强和冗余度高、开放性好、可扩展性强等。 l o n w o r k s 网络( l o c a lo p e r a t i n gn e t w o r k 局部操作网络) f l 】是由美国 e c h e l o n 公司在1 9 9 1 年推出的一种通用的，开放式的互动测控网络，可与多家 厂商的现有产品及不同网络通讯协议设备组网的网络控制系统。与当前已有的几 种现场总线技术相比，l o n 网以其特有的突出特点：统一性、开放性以及互操作 性，成为实际上的现场总线推荐标准。l o n t a l k 的全部7 层协议的介质访闯方式 为p - pc s m a ( 预测p 一坚持载波监听多路复用) ，采用网络逻辑地址寻址方式，优 先权机制保证了通讯的实时性，安全机制采用证实方式，因此能构建大型网络控 制系统。e c h e l o n 公司推出的n e u r o n 神经元芯片实质为网络型微控制器，该芯 广东工业大学工学硕士学位论文 片强大的网络通讯处理功能配以面向对象的网络通讯方式，大大降低了开发人员 在构造应用网络通讯方面所需花费的时间和费用，而可将精力集中在所擅长的应 用层进行控制策略的编制。 车今，全世界已有5 6 个国家和地区的2 0 0 0 多个公司在使用l o n w o r k s 技术 及其产品，我国也有十几家公司推出了自己的基于l o n w o r k s 的产品。l o n w o r k s 网络的应用不仪仅局限于某个特殊领域，它已广泛应用于各主要控制领域包括厂 房自动化、生产过程控制、楼宇及家庭自动化、农业、医疗和运输业等。 嵌入式系统口1 是指嵌入式计算机( e m b e d d e dc o m p u t e r ) 及其应用系统，是指 嵌入于各种设备及应用产品内部的计算机系统，它主要完成信号控制的功能，体 积小，结构紧凑，可作为一个部件埋藏于所控制的装胃中，它提供用户接口、管 理有关信息的输入输出、监控设备工作，使设备及应用系统有较高智能和性价比。 嵌入式系统由嵌入式硬什与嵌入式软件组成，硬件以芯片、模板、组件、控制器 形式埋藏于设备内部，软件是实时多任务操作系统和各种专_ f | j 软件，一般固化在 r 伽或闪存中。软硬件可剪裁，适用于对功能、体积、成本、可靠性，功耗有严 格要求的计算机系统中。 嵌入式系统主要应用于各种信号处理与控制，目前已在国防、国民经济及社 会生活各领域普及应用，用于企业、军队、办公室、实验室以及个人家庭等各种 场所。在工业中，各种智能测量仪表、数控装置、可编程控制器、控制机、分布 式控制系统、现场总线仪表及控制系统、工业机器人、机电一体化机械设备、汽 车电子设备等广泛采用微处理器、控制器芯片级、标准总线的模板级及系统嵌入 式计算机。 1 2 论文的主要研究内容 本课题研究开发基于嵌入式系统的l o n w o r k s 总线智能节点控制器。该控制 器采用模块化设计，选用基于a r m 9 2 0 t 内核的工业级新型微控制器a t 9 1 r m 9 2 0 0 作为嵌入式智能节点控制器的c p u ，具有r s 一2 3 2 、r s - 4 8 5 总线接口、人机交互 模块( l c d 显示、触摸屏控制、音频报警) 、通用i 0 模块、a d 与o a 转换模 块、以太网接口以及嵌入式c p ua t 9 1 r m 9 2 0 0 与神经元芯片的通信接口，可根据 不同的控制对象选用相应的功能模块，编写相应的i o 口驱动程序，从而满足不 同的控制要求。该系统具有数据处理速度快、精度高、系统可靠性高等优点。整 第一章绪论 个系统性价比高、用户界面友好、操作简单、维护方便，系统所选用的器件全都 是工业级器件，可在恶劣环境下作业，功能齐全，可满足不同用户的控制需求。 本文共分五章，各章内容安排如下： 第一章：绪论 简要介绍了本课题研究的背景、现实意义及主要内容。 第二章：l o n w 0 r k s 技术介绍 概括介绍了l o n w o r k s 控制网络的结构和特点，并且从理论的角度对l o n g o r k s 现场总线技术的核心产品，如神经元芯片、l o n t a l k 协议、n e u r o nc 语言等进行 了详细的阐述和分析。 第三章：基于a r m 9 的嵌入式智能控制器的设计 首先概述了系统总体设计方案，然后详细介绍了嵌入式核心系统设计、存储 模块设计、人机交互模块设计、通信模块设计。 第四章：智能控制器的数据采集与输出模块设计 详细介绍了智能控制器的数据采集与输出模块设计，主要有数字量输入、输 出模块；a d 转换接口：d a 转换接口设计。 第五章：嵌入式智能节点的开发与应用 首先介绍了l o n w o r k s 智能节点的分类，然后详细介绍了a t 9 1 r m 9 2 0 0 与 n e u r o n3 1 5 0 芯片的通信接口设计、嵌入式智能控制器与l o n 网的连接以及嵌入 式智能节点在住宅小区智能化系统中的应用。 广东工业大学工学硕士学位论文 第二章l o n w o r k s 技术 2 1l o n w o r k s 技术的特点 l o n 现场总线是美国e c h e l o n 公司于1 9 9 1 年推出的局部操作网络( l o c a l o p e r a t i o nn e t w o r k ) ，为全分布式测控系统提供了很强的实现手段。为了支持l o n 总线，e c h e l o n 公司开发了l o n w o r k s 技术，它为l o n 总线设计提供了一套完整的软、 硬件平台。目前采用l o n w o r k s 技术的产品已经广泛应用在楼宁、电力、交通、能 源等自动化领域，l o n 总线也成为当前最流行的现场总线之一【3 】。 l o n w o r k s 技术具有如下特点i l l ： 1 开放性：网络协议开放，对任何用户平等； 2 通信媒介：可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，而且在同一网络中可有多种通信媒介： 3 互操作性：l o n w o r k s 通信协议l o n t a l k 是符合国际标准化组织( i s o ) 定义 的开放互连( 0 s i ) 模型，任何制造商的产品都可以实现互操作； 4 网络结构：可以是主从式、对等式或者客户服务式结构； 5 网络拓扑：有星形、总线型、环形以及自由形； 6 网络通信采用面向对象的设计方法：该方法称之为“网络变量”，它使网络 通信的设计简化成为参数设置，增加了通信的可靠性； 7 通信速率可达1 2 5 m b s ，有效距离为1 3 0 m ；7 8 k b s 的双绞线，通信距离长 达2 7 0 0 m ，通信的每帧有效字节数可从0 到2 2 8 个字节； 8 l o n w o r k s 网络控制技术在一个测控网络上的节点数可达3 2 0 0 0 个： 9 提供强有力的开发工具平台l o n b u i l d e r 与n o d e b u i l d e r ； 1 0 l o n w o r k s 技术核心元件n e u r o n 芯片内部装有3 个8 位微处理器和 l o n t a l k 通信协议，n e u r o n 芯片具备通信和控制功能； 1 1 l o n t a l k 协议使用改进的c s m a c d 介质访问控制协议，称为“预测p 支持、 时间片c s m a c d ”这样，在网络负载很重的情况下，都不会导致网络瘫痪。 2 2l o n w o r k s 技术核心一神经元( n e u r o n ) 芯片 l o n w o r k s 技术的核心是神经元芯片，神经元( n e u r o n ) 芯片使用c m o sv l s i 4 第二章l o n w o r k s 技术 技术，允许运行价格低廉的控制网络。神经元芯片包括3 1 2 0 和3 1 5 0 两大系列，开 始由m o t o r o l a 和t o s h i b a 公司生产，后由c y p r e s s 半导体公司和t o s h i b a 公司生产。 其中，3 1 2 0 不支持外部存储器，本身带有r 叫、e e p r o m ，速度最高为4 0 m h z ：3 1 5 0 支持外部存储器，适合更为复杂的应用，速度最高为2 0 _ f l t z 。图2 一l 为神经元芯片 的结构框图【4 1 。 v s s v 叫 旧信l 旧c p ul 旧c p u | l e e p r 叫il 舢ll r o m 3 1 2 1 有x xl _ 。 i 。 fi 。 i 。 fi ll 。 0 、 ， 定时及控制士1 n e u r o n时钟 应用i o 模块 网络通信口 i d 定时器( 收发器) t t t t tttt t r e s e ts e r v i c ec l k ic l k 21 0 0 1 0 91 0 1 0c p 0 c p 4 图2 - 1 为神经元芯片的结构框图 f i g 2 - 1s t r u c t u r eo fn e u r o nc h i p 2 2 1n e u r o n 芯片的主要性能特点 n e u r o n 芯片的主要性能特点1 5 】： 1 ) 高度集成，所需外部器件较少； 2 ) 三个8 位的c p u ，输入时钟可选择范围：6 2 5 k h z - - l o m h z ： 3 ) 片上存储器： 4 ) 1 1 条可编程i 0 引脚( 有3 4 种可选的工作方式) ： 5 ) 两个1 6 位的硬件定时器计数器，1 5 个软定时器； 6 ) 休眠工作方式：这种工作方式能在维持操作的情况下降低电流损耗； 广东工业大学工学硕士学位论文 7 ) 网络通信端口有三种方式供选择：单端方式、差分方式和专用方式； 8 ) 固件包括l o n t a l k 协议、i 0 驱动器程序、事件驱动多任务调度程序； 9 ) 服务引脚：用于远程识别和诊断： 1 0 ) 4 8 位的内部i d 用于唯一识别n e u r o n 芯片，内置低压保护以加强对片内 e 2 p r a m 的保护。 2 2 2n e u r o n 芯片的o p o 结构 图2 2 所示的n e u r o n 芯片三个处理器在系统固件中各有独特的功能【6 j 。 图2 2 芯片内三个处理器和存储器的结构框图 f i g 2 - 2s t r u c t u r eo ft h r e ec p u sa n dm e m o r yo nc h i p ( 1 ) 介质访问控制处理器m a c 主要控制七层网络协议中的1 2 层，它包 括驱动通信子系统的硬件以及执行避免冲突的算法。介质访问控制处理器和网络 处理器通过共享存储区中的网络缓存区进行通信。 ( 2 )网络处理器n e t 主要控制网络协议中的3 6 层，它处理网络变量进 程、寻址、事务处理、权限证实、背景诊断、软件计时器、网络管理和路由等功 能。网络处理器使用共享存储器中的网络缓冲区同介质访问控制处理器通信，使 用共享存储器中的应用缓冲区同应用处理器通信。在更新共享缓冲区的数据时， 用硬件信号来仲裁对共享缓冲区数据访问的冲突。 ( 3 ) 应用处理器a p p 主要执行用户代码和为用户代码调用的操作系统服 务。大部分应用程序使用的编程语言是n e u r o nc ，它派生于a n s ic ，并为适应 分布式控制应用作了优化和扩展。主要的扩展包括以下几部分： 一个内部多任务调动程序，它允许程序员以自然的方式描述事件驱动的 任务，同时按优先级控制这些任务的执行。 一个用于将i 0 对象直接映射到处理器i 0 的声明语句。 能够定义网络变量这种n e u r o nc 语言的新对象，每当给这类变量赋值时， 6 第二章l o n w o r k s 技术 其值能自动通过网络传输。 可定义毫秒及秒级定时器对象，每当定时事件到就可激活用户任务。 一个运行函数库，调用时可执行事件检查、管理输入输出活动、通过网 络发送接收消息及控制n e u r o n 芯片功能等。 2 2 3n e u r o n 芯片的应用i 0 对象 n e u r o n 芯片通过1 1 只引脚( 1 0 0 “1 0 1 0 ) 与指定的外部硬件相连，称这1 1 只引脚为应用i 0 i n 。其中1 0 0 1 0 3 带有高电流( 2 0 m a ) 接收；1 0 4 1 0 7 可以通 过编程设置成上拉；1 0 0 1 0 1 0 带有t t l 标准的迟滞输入；1 0 0 1 0 7 带有低电平检 测锁存。如图2 3 所示。 1 0 0 1 0 1 1 0 2 1 0 3 工0 4 1 0 5 1 0 6 1 0 7 1 0 8 1 0 9 1 0 1 0 囫吸收电流2 0 m a 圈可编程上拉电阻 图2 3n e u r o n 芯片的引脚 f i g 2 - 3p i no fn e u r o nc h i p 采用n e u r o nc 语言，可以定义一个或多个引脚作为输入输出对象。一个y o 对象简单讲就是一个定义的输入或输出波形，也可看作存放在r o m 中供用户应 用程序访问的已编写的固件例程。用户程序可以通过i oi n ( ) 或i oo u t ( ) 系统 调用来访问这些y o 程序，并在程序执行期间完成输入输出操作。n e u r o n 芯片 有两种：n e u r o n3 1 2 0 x x 和3 1 5 0 ，在3 1 5 0 芯片的系统映象( s y s t e mi m a g e ) 中存 放3 4 种不同的i o 对象，3 1 2 0 芯片则把3 4 种y o 对象存放在r o m 映象( r o m i m a g e ) 中。 2 2 4n e u r o n 芯片的存储器 神经元芯片存储器类型有以下几种： 7 广东工业大学工学硕士学位论文 ( 1 ) e 2 p r o m ：各种类型的神经元芯片都有内部e 2 p r o m ，其包括：网络配置 和寻址信息：惟一的4 8 位神经元芯片标识码；用户应用程序代码和常用数据。 e 2 p r o m 中的用户代码在程序控制下写入和擦除，两者的总时间是2 0m s 字节， 可以在数据不丢失情况下向e 2 p r o m 写入1 0 0 0 0 次。 3 1 2 0 x x 神经元芯片的e 2 p r o m 存储安装详细信息( 网络地址和通信参数等) 和由l o n b u i l d e r 或n o d e b u i l d e r 开发工具产生的应用程序；3 1 5 0 神经元芯片的 e 2 p r o m 存储安装详细信息，其应用程序代码可以存储在片上e 2 p r o m 或外接存储 器。 ( 2 ) r a m 用来存储以下数据：堆栈段应用和系统数据；l o n t a l k 协议网络 缓冲区和应用缓冲区。只要神经元芯片维持加电状态，r a m 状态就会保持( 甚至 在s l e e p 方式下) ，当芯片复位( r e s e t ) 时，r a m 内容清除。 ( 3 ) 所有3 1 2 0 x x 神经元芯片包括l o k 字节的r o m ? 3 1 5 0 芯片无r o m 。r o m 用来存储神经元芯片固件，包括：l o n t a l k 协议；事件驱动任务调度器；应用函 数库。 ( 4 ) 外部存储器：3 1 5 0 芯片不包括片上r o m ，可以允许寻址5 9 3 9 2 个字节 的外部存储器。外部存储器存储：应用程序和数据( 可多达4 3 0 0 8 个字节) ：神 经元芯片固件和保留空间( 1 6 3 8 4 个字节) 。其中4 3 0 0 8 个字节也可包括网络缓 冲区和应用缓冲区。 2 2 5n e u r o n 芯片的通信端口 n e u r o n 芯片有一个功能强大的通信端口，它提供的五个管脚通过配置可与多 种介质接口连接，应用较广泛的有双绞线、电力线，另外还有无线( r f ) 、红外、 光纤、同轴电缆等。通信端口可工作在以下三种模式之一：单端、差分和专用工 作模式，以实现较宽范围的数据传输速率。其通信引脚配置如表2 一l 所示。 8 第二章“州w o r k s 技术 表2 1 通信端口管脚特性 t a b l e2 - 1t h ec h a r a c t e r i s t i ct a b l eo fc o m m u n i c a t i o np o r t 管脚驱动电流m a差分模式单端模式专用模式 c p o 1 4数据输入+ 数据输入数据输入 c p l1 4数据输入一 数据输出数据输出 c p 24 0数据输出+数据发送使能位时钟输出 c p 34 0数据输出一睡眠输出睡眠输出或唤醒输入 c p 4 1 4 冲突检测冲突检测帧时钟输出 2 2 6n e u r o n 芯片的时钟、复位及服务管脚 2 2 6 1 时钟信号接口 神经元芯片有两种时钟接口输入方式：单端和双端。单端主要应用于集成晶 振输入，集成晶体振荡器内部封装好了振荡电路和晶体，加上电源，就可以在输 出端得到稳定的时钟信号。双端输入方式是利用神经元芯片内部的振荡电路，外 接晶体产生时钟信号的。神经元芯片有很宽的输入时钟频率范围，可在6 2 5k h z 到1 0m h z 之间。有效的输入时钟频率是：1 0m h z ，5m l t z ，2 5 删z 。1 2 5m h z 和6 2 5 k h z i s 。时钟频率的精确度必须在土1 5 或更高，以确保各个节点能比特同步。 双端1 0m h z 时钟信号的产生电路如图2 4 所示。 e 嬲c l k 2 图2 - 4 时钟信号产生电路 f f i g 2 - 4t h ec i r c u i to fp r o d u c i n gc l o c ks i g n a l 9 广东工业大学工学硕士学位论文 2 2 6 ，2 复位电路 n e u r o n 芯片外接复位电路是为满足特定的应用需要，例如存储器接口设计对 复位电路的特殊要求，有些收发器也会将其某些额外的要求放在外接的复位电路 上来实现。 在复位电路中，应用一个低压保护器件( l v i ：l o wv o l t a g ei n t e r r u p t ) 与神经元芯片的r e s e t 管脚相连。l v i 电路在此的作用是在系统电源出现电压抖 动或未完全掉电的情况下，检测电压v d d 是否低于规定的工作电压，如果低于则 l v i 电路就会把复位电路拉低到有效低电平，这时n e u r o n 芯片就重新开始初始化。 m c 3 4 t 6 4 为m o t o r o l a 公司生产的集成l v i 芯片。原理图如图2 - 5 所示。 v c c 爿 3 卫c s e t t 丰c 图2 5 系统复位电路 f i g 2 5t h er e s e tc i r c u ito ft h es y s t e m 2 2 6 3 服务引脚 神经元芯片的服务管脚输入和漏极丌路输出交替，频率是7 6h z ，波形占空 比是5 0 。当其作为输出时，它能吸收2 01 1 1 a 电流用于驱动一个l e d 。在神经元芯 片固件的控制下，该引脚主要用在节点配置、安装以及维护等过程中。当节点有 应用但还未配置网络地址信息时，l e d 闪烁，频率为0 5h z ：当节点处于非应用或 未配置的情况时，l e d 常亮；当节点己配置或者硬件脱机时，l e d 处于常灭状态下 。1 。典型的服务管脚电路如图2 6 所示。 v c c l e d 图2 - 6 服务管脚连接电路 f i g 2 - 6t h ec i r c u i to fs e r v i c ep i n 1 0 第二章l o n w o r k s 技术 2 2 7n e u r o n 芯片的存储器映像 神经元芯片中的软件可以分成三类：系统映像、应用映像和网络映像f 5 1 。 系统映像包括l o n t a l k 协议、n e u r o nc 库函数以及任务调度程序。在n e u r o n 3 1 2 0 x x 芯片中，系统映像软件存储在片内的i o k b 的r o m 中；在n e u r o n3 1 5 0 芯 片中，系统映像软件存储在片外的r o m 或闪存中。 应用映像包括n e u r o nc 编译应用程序产生的对象代码和应用程序指定的有 关参数，这些参数可以由网络管理工具查询。在n e u r o n3 1 5 0 芯片中，应用映像 通常是编程写入外部的r o m 中，也可以通过下载，写入到外部的e 2 p r o m 或闪存 中。在n e u r o n3 1 2 0 x x 芯片中，应用映像软件下载到片内的e 2 p r o m 中。 网络映像定义节点与网上其它节点的关系，给定节点在网上的唯一行为。它 由4 部分组成：节点地址分配、网络变量的连接信息以及消息标签的连接信息、 安装时要设置的网络l o n t a l k 协议的参数以及应用程序的配置变量。 2 3l o n w o r k s 通信核心一网络变量与显式报文 l o n w o r k s 网络上的节点可以使用网络变量( 隐式消息) 和显示报文进行互 相间的通信。使用网络变量比较简单，但是数据长度是固定的；使用显示报文可 以容易的构成长度在0 2 2 8 b 的变长度报文，但是编程比较复杂。这两种通信方 式各有各的优点，可以混合起来使用。 2 3 1 网络变量 一个网络变量n v ( n e t w o r kv a r i a b l e s ) 是节点的一个对象，可以定义为输 入也可以定义为输出网络变量，每个节点可定义6 2 个到4 0 9 6 个网络变量。当一 个网络变量在一个节点的应用程序中被赋值后，l o n t a l k 协议将修改了的输出网 络变量新值构成隐式消息，透明地传递到可与之共享数据的其他节点。由于应用 程序不必考虑发送和接收的问题，因而用它开发网络应用系统比较方便，开发周 期短。 节点间共享数据，是通过连接输出网络变量到数据类型相同的输入网络变量 来实现，而且网络变量的连接是在网络安装时借助l o n b u i l d e r 管理器或 l o n m a n a g e rl o n m a k e r 安装工具才能完成网络变量的连接。 广东工业大学工学硬士学位论文 网络变量可以是整数、布尔数或字符串。为增加网络的互操作性，l o n t a l k 协议中定义的标准网络变量( s n v t ) 提供给节点相互之间明确的网络接口，而极 大地提高了节点产品的互操作性：节点可以很方便地安装到不同类型的网络中， 只要网络变量的类型匹配，就可以逻辑地与网上其它节点建立连接，并保持节点 应用的网络配置独立性。 网络变量最基本的定义为： n e t w o r k i n p u to u t p u tt y p ei d e n t i f i e r = i n it i a l v a l u e 说明： n e t w o r k 网络变量的关键词； i n p u to u t p u t 输入和输出网络变量，两者选一； t y p e网络变量的类型； i d e n t i f i e r 定义的网络变量名称： i n i t i a l v a l u e 网络变量的初始值。 例如： n e t w o r k i n p u tu n s i g n e d s h o r t d e a d _ l i n e = 3 ，定义了一个 u n s i g n e ds h o r t 类型的输入网络变量d e a d _ l i n e ，初始值为3 。 2 3 2 显式报文 由于网络变量的数据长度一经确定就不能改变，且最多只有3 1 b ，所以限制 了它的使用。显式报文的数据长度是可变的，最长可以是2 2 8 b ，它还提供有请 求响应机制：某个节点发出请求消息能调动另一个节点作出相应的响应，从而 实现远程过程调用。 显式报文必须使用一个预定的对象来构造，然后使用显式函数以及预定事件 来处理这些显式报文。显式报文的构造是用m s g o u t 对象来实现的，其结构如下： t y p e d e fe n u m ( f a l s e ，t r u e b o o le a n ： t y p e d e fe n u m a c k d ，u n a c k d r p t ，u n a c k d ，r e q u e s t s e r v i c e t y p e s t r u c t b o o l e n p r i o r i t y o n ；如果是优先级，p r i o r i t y _ o n 的值是 t r u e ，默认值是f a l s e m s g t a gt a g ；报文标签 i n t c o d e ： 报文代码 第二章l o n w o r k s 技术 i n td a t a m a x d a t a b o o l e na u t h e n t i c a t e d s e r v l c e t y p e s e r v i c e ； m s g o u t a d d rd e s t a d d r n t s g _ o u t ； 报文数据( 可选项) 需要报文鉴别，该值为t r e e ， 默认为f a l s e 服务类型( 默认是应答服务) 查m s ga d d r h 文件( 可选项) 节点使用报文标签( m e s s a g et a g s ) 发送和接收显式报文。每个节点有一个 默认的输入报文标签a s gi n 。在网络安装时，必须建立输入和输出报文标签之 间的连接，这样报文才能被发送至正确的节点。报文代码是报文的标识码，每个 显式报文必须有个代码，这样，接收程序就可以根据标识码来解释报文的内容。 发送报文用m s gs e n d0 来实现，其语法定义为： v o i dm s g s e n d ( v o i d ) ： 该函数使用m s g _ o u t 对象发送报文，既无参数也无返回值。 取消一个发送报文用m s g _ c a n c e l0 来实现，其语法定义为： v o i dm s g _ c a n c e l ( v o i d ) ： 该报文取消用m s g o u t 对象构造的未发送的报文，以便空出相关的缓存器用 于构造另一个报文。同样，该函数既无参数也无返回值。如果报文己构成，但在 任务退出之前未使用m s g s e n d 0 发送。那么该报文自动取消。 程序可以通过预定事件接收报文，如w h e n ( m s g _ a r r i v e s ) 。m s g _ a r r i v e