（电力电子与电力传动专业论文）基于lon网络接口变频器的研究.pdf

a b s t r c a t a b s t r a c t f i e l d b u st e c h n o l o g yi s c o m p u t e rt e c h n o l o g y , c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n d c o n t r o lt e c h n o l o g yf o rac o m p r e h e n s i v ea n di n t e g r a t e d ，a n di t se m e r g e n c ec o n t r o l a r e a sh a dar e v o l u t i o n a r yc h a n g e ，t h ef o r m a t i o no fan e w t y p eo fn e t w o r ki n t e g r a t i o n l o n w o r k sf i e l db u si sak i n do fo p e n r e l i a b l en e t w o r ko fl o c a lo p e r a t i o n s i th a sb e e n u s e di ni n d u s t r i a l p r o c e s s e s ，b u i l d i n g ，f a m i l y , e n e r g ya n do t h e ra u t o m a t i o n l o n w o r k sf i e l db u ss y s t e mw i l lb ea b l et oa c h i e v eo n s i t ei n t e r n e ta c c e s st ot h e e x e c u t i n ga g e n c yo ft h er e m o t ec o n t r 0 1 i nt h i sp a p e r , i n t e l l i g e n tb u i l d i n gi sc u r r e n t l yu s e di nm o r el o n w o r k sf i e l d b u s c h a r a c t e r i s t i c so ft h ei n d e p t hr e s e a r c hb a s e dv v v fm o t o rc o n t r o lc o n d u c t e das t u d y a n a l y z i n gt h eo n - s i t eb u sa n dt h ep o s s i b i l i t yo fc o n v e r s i o nt e c h n o l o g i e si sp r o p o s e d w h i c hi sb a s e do nl o n w o r k sn e t w o r ki n t e r f a c et ob u i l dt h ei n v e r t e rc o n t r o ls y s t e m p r o g r a m t h eu s eo fl o n w o r k st e c h n o l o g yt os o l v et h ei s s u eo fr e m o t em o n i t o r i n g d a t at r a n s m i s s i o nd e s i g n e de x t e r n a lc i r c u i tt os o l v et h ep r o b l e mo fd a t aa c q u i s i t i o n a n dp r o c e s s i n g c r e a t eas m a r tt r a n s d u c e rn o d e sa n dc o m m u n i c a t i o nt os o l v et h e p r o b l e m a n dt ou s el a b o r a t o r ye x p e r i m e n t sl o n w o r k sp l a t f o r m ，b u i l tb a s e do nt h e l o n w o r k sf i e l d b u s t e c h n o l o g y t ot h e d r a i n a g es y s t e m ，t h r o u g h s i m u l a t i o n e x p e r i m e n t s t o v e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo ft h i ss y s t e m m a n - m a c h i n ei n t e r f a c eb y w o n d e r w a r e si n t o u c hc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ed e s i g nh a sb e e nc o m p l e t e db yt h e s e c o n d p r o v i d e dt h r o u g ht h ee c h e l o nn e t w o r ki n t e r f a c ec a r da n dd y n a m i cd a t a e x c h a n g el n sd d e s e r v e rs o f t w a r e ，h u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c ef r o mt h el o n w o r k s n e t w o r k ，g a t h e ri n f o r m a t i o n ，c a na l s oc o n t r o lc o m m a n d ss e n tt ot h ec o n t r o ln o d eo n t h en e t w o r k ，w h i l et h ec o m p l e t i o no ft h ec o r r e s p o n d i n gc o n t r o lt a s k s k e yw o r d s ：l o n w o r k sf i e l db u s ；c o n v e r t e r ；i n t e l l i g e n tn o d e ；r e m o t em o n i t o r i n g ； m a n m a c h i n ei n t e r f a c e i i 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，除了文中特, 翔j d n 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，也不包含为获得南昌大学或其他教育 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谢意。 一张掏研”绷。7 膨日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南昌大学 有关保留、使用学位论文的规定， 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，允许论文被查阅 和借阅。本人授权南昌大学可以将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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 一瑚：葛彳：乙 签字日期：j 厂年卜月p 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 翩瑚：牡 签字日期： 氓年i 、，月 日 1 电话： 邮编： 第一章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 进入二十世纪以来，工业控制自动化技术经历了两次革命。一次是二十世纪 五六十年代从气动控制到模拟信号为主的自动化仪表系统；第二次是二十世纪七 八十年代集散控制系统( d i s t r i b u t ec o n t r o ls y s t e m ，d c s ) 的出现。d c s 将计算机 应用于控制系统，用分散i o 模板替代控制室仪器，将分散的测量点通过计算机 进行集中监控。进入二十世纪九十年代，工业控制领域正在发生巨大的变化，即 基于现场总线的控制系统( f c s ) 。 2 1 现场总线系统采用数字信号传递信息，可以实现一条线路上传递多组信号， 同时可为多个设备提供电源，现场设备之外不再需要a d 、d a 转换器，极大的 简化了系统，节约了资源。其中较有影响的总线标准：c a n 、f f 、c o n t r o l n e t 、 h a r t 、l o n w o r k s 等。其中l o n w o r k s 总线以其支持o s i r m 七层模型、支持多 种通信媒介且易于实现等诸多优点，在其中脱颖而出。， 变频器技术的发展也得益于微电子和电力电子技术以及异步电动机控制理 论的发展，当然也和市场需求的巨大推力有关，交流变频调速装置取代直流调速 装置已经成为必然。新一代的变频器有微处理器的支持，除了能完成电动机变频 调速的基本功能，还具有内置的可编程、参数辨识及通信等功能。变频器在现场 总线系统中，可以作为通信的从站和传动执行装置。 通过l o n w o r k s 现场总线技术我们可以将计算机技术、通信技术和控制技术 很好的结合起来，从而实现远程控制变频器调速。基于l o n w o r k s 网络接口的远 程变频调速系统具有许多优点，突出表现在以下几个方面： ( 1 ) 在控制室既可了解现场仪表的工作状况，也能对其进行参数调整；远 程变频调速，监控人员无须亲临现场就可以对系统进行变频调速。 ( 2 ) 本系统具有人工智能，可以在参数设定之后，对现场的数据及时修正 处理，无需监控人员干涉。 ( 3 ) 通过远程监控可以实现现场运行数据的实时采集和快速集中，具有一 定的时间确定性和较高的实时性，及时获得现场监控数据，具有故障自我诊断， 报警功能。为故障的诊断节约了大量的时间。 第一章绪论 1 2 研究现状 1 2 1l o n w o r k s 现场总线技术 现场总线是应用在生产现场的，在测量控制设备之间实现双向、串行、多点 通信的数字通信系统。基于现场总线的控制系统被称为现场总线控制系统。现场 总线把通用或专用的微处理器嵌入传统的测量控制仪表，使之具有数字计算和数 字通信能力，采用一定的媒体作为通信总线，如双绞线、同轴电缆、光纤、无线 红外等，按照公开、规范的通信协议，在位于现场的多个设备之间以现场设备与 远程监控计算机之闯，实现数据传输和信息交换，形成适应实际需要的自动化控 制系统。 基于现场总线的控制系统是一个开放的、全分布的通信网络，它作为智能设 备的联系纽带，把挂接在总线上、作为网络节点的智能设备连接成网络系统，并。 通过组态进一步构成自动化系统，实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、 显示、监控、优化和测量、控制一管理一体化的综合自动化功能。 l o n w o r k s 现场总线技术是由美国e c h e l o n 公司于1 9 9 1 年推出，由于其自身 的优势所在和e c h e l o n 公司的不断努力，使得l o n w o r k s 技术目前己成为一种开 发周期短、见效快、深受用户欢迎的现场总线系统之一。 l o n w o r k s 技术的最大优势：一是具有高可靠性、安全性、易于实现和互操 作性；二是利用其微处理器接口程序软件还可以开发出各种低成本的网关；三是 l o n w o r k s 技术的不断推广促成了神经元芯片的低成本，而芯片的低成本又返过 来促进了l o n w o r k s 技术的推广应用，形成了良好循环。l o n w o r k s 现场总线有 很强的丌放性即互操作性，使多种网络的互连变得非常容易。利用高性价比的网 关将也使多种网络的互连变得非常容易。利用l o n w o r k s 技术，工厂的设计者和 系统集成者将不再担心它们的网络会变得过时。在性能、可靠性等方面， l o n w o r k s 技术满足并超过了现场总线、设备总线、传感器总线等的要求。 1 2 2 交流电机控制技术 现代工业生产及社会发展的需要推动了交流调速的飞速发展。现代控制理论 的发展和应用、电力电子技术的发展和应用、微机控制技术及大规模集成电路的 发展和应用，为交流调速的飞速创造了技术和物质条件。电气传动的p w m 控制 技术是调速传动的关键技术之一，是电气传动自动控制领域研究的热点。p w m 控制技术是对脉冲的宽度进行调制的技术。即通过对一系列脉冲的宽度进行调 制，来等效地获得所需要波形包含形状和幅值。即利用半导体开关器件的导通与 关断把直流电压变成电压脉冲序列，并通过控制电压脉冲宽度或周期以达到变压 2 第一章绪论 的目的，或者控制电压脉冲宽度和脉冲列的周期以达到变压变频目的来控制电机 的转速。 在众多的交流感应电动机控制技术当中，矢量控制应用最普遍的一种高性能 的控制方法。矢量控制的基本思想是，通过空间矢量坐标变换及磁场定向的方法， 将多变量、强耦合的交流电动机模型转换成类似于直流电动机的等效模型，是在 同步旋转坐标下的定子电流的两个相互垂直分量一磁链分量和转矩分量能近似 的分别独立地控制转矩和转子磁链，从而获得类似于直流电动机的宽范围调速性 能。 1 3 论文的主要工作 本文所研究的课题内容是基于l o n w o r k s 网络接口变频器的研究。即通过 l o n w o r k s 现场总线技术特点，利用神经元芯片的通信和单片机的数据处理，变 频器挂接在l o n 总线上，从而实现远程控制和及时的信息处理。针对着一课题， 本文着重研究了以下几个方面： ( 1 ) l o n w o r k s 现场总线技术，本文针对l o n 网络控制的核心技术进行了深 入的研究，利用实验室的l o n w o r k s 实验平台搭建了基于l o n 网络接口的变频器 控制系统，进行了给排水系统的试验。 ( 2 ) 设计了基于l o n w o r k s 现场总线技术的智能节点，利用了n o d e b u i l d e r 开发平台设计了智能节点的硬件，利用n e u r o nc 进行了软件编程。 ( 3 ) 对变频调速系统的原理进行了深入的研究，对变频调速系统进行了系 统搭建。基于条件所限，本课题中没有自制变频器，而是根据需要，选择了实验 室现有的通用变频器。 ( 4 ) 对系统的数据采集部分进行了软件设计。对整个系统运用i n t o u c h 组态 软件进行了人机界面的设计。 ( 5 ) 对基于l o n w o r k s 现场总线技术的给排水系统进行了实验模拟，验证 了系统的可行性。 第二章基于l o n w o r k s 网络接口的变频器控制系统总体结构 第2 章基于l o n w o r k s 网络接口的变频器控制系统总体结构 本课题设计的基于l o n w o r k s 网络接口变频器的控制系统是由三部分组成： l o n w o r k s 网络、智能节点、电机的控制单元组成。其总体结构如图2 1 所示。 在基于l o n w o r k s 网络接口变频器的控制系统中，l o n w o r k s 总线部分由核心控 制模块、i l o n 6 0 0 路由器、组成的外围电路；智能节点是由a i 模块、d i 模块、 d o 模块组及相关的传感器处理单元构成；执行器由变频器、电动机和水泵及其 相关的机械传动装置组成； 图2 1 基于l o n w o r k s 网络接口的变频调速系统总体结构 通过基于l o n w o r k s 网络的变频控制系统总体结构可以看出，本系统的变频 器及数据处理部分上是l o n w o r k s 网络下的一个智能节点，因此本课题研究的一 个重要内容是基于l o n w o r k s 网络控制技术中智能节点的创建。 4 第二章基y - l o n w o r k s 网络接口的变频器控制系统总体结构 l o n w o r k s 技术的核心技术是神经元芯片和l o n t a l k 协议。由于神经元芯片 的处理能力有限，所以在本系统的设计中，神经元芯片只作为通信的处理单元。 对采集来的模拟信号，将通过单片机来处理。 在基于l o n w o r k s 网络的变频控制系统中，变频器将采用艾默生公司生产的 e v l 0 0 0 系列。这样可以大大节约系统开发的时间，以便有充足的时间放在智能 节点的开发上。在实际操作过程中，变频器和l o n w o r k s 网络的连接是本课题的 又一个核心部分。如何解决网络接口问题，对以后研究l o n w o r k s 现场总线具有 重大的意义。 根据现有的资料，以及查阅相关的文献资料，迄今为止还没有看到任何发表 的文章是关于l o n 网络控制变频器的。因为一般情况下，对l o n w o r k s 网络应用 最多的是在智能楼宇方面。在选取本课题时，出于两种情况考虑：一是在实验室 有相关的l o n w o r k s 总线开发平台，可以利用现有的资源。二是随着智能建筑的 逐渐增多及l o n w o r k s 网络在智能小区上的应用，必将涉及到给排水的问题。变 频器在供水系统的中可以节约大量的电能，经过这么多年已经得到验证。如果把 供水系统挂靠在l o n w o r k s 网络，不仅可以节约财力，而且也可以为监控带来方 便。 在本系统中用的开发语言是n e u r o nc ，它是专门为神经元芯片设计的编程 语言。可以说是神经元芯片开发最为重要的应用程序。利用n o d e b u i l d e r 开发平 台，可以方便地设计智能节点。 本文将在第三章从神经网络的结构开始介绍，到n e u r o nc 编程。在第四章 通过介绍变频控制的原理到选用合适的变频器。第五章是关于智能节点的开发。 第六章是搭建系统基于l o n w o r k s 网络接口控制变频器在给排水中的应用。第七 章是关于人机界面的开发。 第3 章l o n w o r k s 现场总线 第3 章l o n w o r k s 现场总线 局部操作网络( l o c a lo p e r a t i n gn e t w o r k ，l o n w o r k s 网络) ，简称l o n 网络， 是美国e c h e l o n 公司于2 0 世纪9 0 年代初推出的一种现场总线技术，它是用于开 发监控网络系统的一个完整的就是平台，并具有现场总线技术的一切特点。 l o n w o r k s 网络系统有智能节点组成，每个智能节点可具有多种形式的i o 功能， 节点之间可通过不同的传输媒体进行通信，并遵守o s i 的7 层模型。l o n w o r k s 技术包括监控网络的设计、开发、安装和调试等一整套方法，使用多种专用的硬 件设备和软件程序。可以满足未来发展多监控网络的要求。l o n w o r k s 主要包括 以下几个方面的内容【8 】【1 7 】【1 8 】： a 神经元专用芯片 b l o n t a l k 通信协议 c l o n b u i l d e r 和n o d e b u i l d 开发工具 d 系列产品，如收发器、路由器、串行l o n t a l k 适配器、控制模块等 3 1l o n 控制网络结构 l o n w o r k s 控制网络结构包括五个部分：网络协议( l o n t a l k ) 、网络传输介 质、网络设备、执行机构和管理软件。其中，网络设备包括智能测控单元、路由 器和网关等；执行机构包括传感器、变送器等；管理软件包括l o n t a l k 开放式通 信协议，并为设备之间交换控制状态太信息建立了一个通用的标准。在l o n t a l k 协议的协调下，以往那些孤立的设备将融为一体，形成一个网络控制系统。 l o n t a l k 是面向对象的网络协议，支持o s i 七层协议，设备节点之间的数据传递 通过网络变量的互联实现。神经元芯片( n e u r o nc h i p ) 是除了l o n t a l k 协议之外 的又一个技术核心产品。它不仅是l o n w o r k s 总线的通信处理器，同时也可以作 为采集和控制的通用处理器，l o n w o r k s 技术中所有关于网络的操作实际上都是 通过它来完成的。l o n w o r k s 网络结构图如图3 1 ： 6 第3 章l o n w o r k s 现场总线 图3 1l o n w o r k s 控制网络结构图 3 1 1 l o n 控制网络的节点 节点又被称为智能设备，它是带有神经元芯片、l o n t a l k 协议收发器、存储 器、电源和外围电路。节点能进行现场数据采集和处理的、并且具有可靠网络通 信功能的现场智能装置。节点是物理节点的抽象，例如网卡接口卡、路由器、应 用设备节点等都是节点。节点可以分为两种类型：基于芯片的和基于主机的节点。 ( 1 ) 基于芯片的节点 神经元芯片是一组复杂的v l s i 器件，一个神经元芯片包含应用c p u 、i o 处单元和通信处理器。利用神经元芯片完成所有的工作( 包括通信和用户应用程 序) ，节点中不再包含其它处理器，这类智能节点称为基于神经元芯片的节点； 结构如下图( a ) 。 ( 2 ) 基于主机的节点 由于神经元芯片的运算能力有限，对于一些复杂的控制如带有p i d 算法的 单回路、多回路，其控制就跟不上了。这种智能节点称为基于芯片的节点。如图 ( a ) 所示；而采用基于主机的结构就可以解决，它只利用n e u r o n 芯片完成通信 工作，丽用户的应用程序由其他的处理器( 如微处理器、微控制器或p c 机) 来完 成，这种智能节点称为基于主机的节点【2 1 1 4 9 】；如图( b ) 所示。 7 第3 章l o n w o r k s 现场总线 ( a ) 基于芯片的节点( b ) 基于主机的节点 图3 - 2 基于芯片和主机的节点 3 1 2 路由器 路由器是用来连接不同通信介质的l o n 网络，它是一个特殊的节点，由两个 神经元芯片组成。也用来控制网络交通，增加信息通量和网络速度。通信媒介是 节点( 设备) 之问信息传输的物理介质，包括双绞线、电力线、无线射频、红外线、 同轴电缆和光纤等。 3 1 3 网络协议 设备在运行程序的同时适时发布信息。由于这些程序不是同步运行，也可能 有多个设备试图同时对话。因此设备之间的信息传递需要以一系列的规则和进程 的形式加以组织。这些规则和进程称为通信协议，简称协议。l o n w o r k s 总线技 术采用l o n t a l k 协议。l o n t a l k 协议遵循o s i 参考模型。由于n e u r o n 芯片的协议处 理与通信媒体无关，因而能支持多种通信媒体。 3 1 。4 网络管理工具 在l o n 总线中，需要一个网络管理工具，当单个节点建成以后，节点之间需 要互相通信，这就需要一个网络工具为网络上的节点分配逻辑地址，同时也要将 每个节点的网络变量和显式报文连接起来。一旦网络建成并萨常运行后，需要对 其进行维护。网络系统中的上位机需要了解所有节点网络变量和显式报文变化的 情况。网络管理工具的主要功能有：网络安装、网络维护、网络监控。 3 2l o n l o n t a i k 协议 l o n t a l k 协议【3 】【4 】【9 】【2 0 l 是l o n w o r k s 系统的核心。它固化于神经芯片中，是直接 8 第3 章l o n w o r k s 现场总线 面向对象的网络协议。该协议提供一整套通信服务，使得一个设备的应用程序可 以在不了解网络拓扑、名称、地址或其它设备功能的情况下发送和接收网络上其 它设备的报文。l o n t a l k 协议能提供端到报文确认、报文认证、打包业务和优先 传送服务，提供网络管理服务的支持，并允许远程网络管理工具与网络设备进行 交互。 1 9 9 3 年，美国e c h e l o n 公司推出了l o n w o r k s 新技术，提供了开放的底层通信 网络即局部操作完了，称为l o n t a l k 协议。采用神经芯片的网络节点含有l o n t a l k 协议固件，使得网络节点可以可靠地通信，完成各种功能。网络节点是相互独立 的，可以做到在任一节点发生故障时，不会影响整个网络工作，从而提高了系统 的可靠性和可维护性；另外，由于各街道具有本地存储和处理能力，系统的安全 性很高，并且在系统规模大时避免网络通信的冲突和网络速度的局限性。 l o n t a l k 协议符合i s o o s i 参考模型的七层体系结构，即含有物理层、链路层、 网络层、传输层、会话层、表示层和应用层，是套完整、安全、有效的通信协 议系统。各层的具体功能见表3 1 。 表3 。1l o n t a l k 协议的各层功能 层次o s i 层次服务l o n t a l k 提供的服务处理器 7 应用层 网络应用 标准网络类型 应用c p u 6 表示层数据表示网络变量，外部帧传输 网络处理器 5 会话层远程遥控请求响应，认证，网络管理网络处理器 4 传输层端对端可靠传输应答，非应答，点对点及双重网络处理器 检查 3 网络层传输分组地址，路由网络处理器 2 链路层链路层帧结构帧结构，数据解码，c r c 错m a c 处理器 误检查 m a c 介质访问可预测c s m a ，冲突避免，优 子层 先级 1 物理层电路连接介质，电气接口m a c 处理器 ( 1 ) 物理层：物理层定义了在通信信道上位流的传输。物理层确保一个源设备 发送的位流准确地被目的设备所接收。l o n t a l k 协议时基于传输介质的， 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。物理层的位流被分割成数据帧，数据链路层定义源设备发送数据 帧的时刻，目的设备如何接收数据帧以及检测传输错误，同时还定义了优 ，先级机制以确保重要信息的传送。 9 第3 章l o n w o r k s 现场总线 网络层：网络层定义了来白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。 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 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报文重发时，如何 排除重发报文。 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，并接收请示的响应；它还定义了一个认证协议， 使得报文接收者确认发送者是否有权发送报文。 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 v t s 支持网络变量的互操作。 应用层：应用层定义为种底层交换数据的公共语义解释，使得不同的应 用程序中为了变量改变时，均能自动更新的网络变量值下传( 发送) 或上 传( 接收) 。应用层还定义了一个文件传输协议，用来传输应用程序间的 传输流。 3 3 神经元芯片 l o n w o r k s 技术的核心是神经元芯片【2 】【1 4 】【15 1 ，神经元( n e u r o n ) 芯片使用 c m o sc l s i 技术可以运行价格低廉的控制网络。n e u r o n 芯片主要有两大系n - m c l 4 3 1 2 0 和m c l 4 3 1 5 0 两大系列芯片。3 1 2 0 芯片中包括e 2 p r o m 、r a m 、r o m 存储器，而3 1 5 0 芯片中无内部r o m ，但拥有访问外部存储器的接口，寻址空间 可达6 4 k b ，可用于开发更为复杂的应用系统。神经元3 1 5 0 系列芯片内部结构如图 3 3 所示。 1 0 ) ) ) ) ) 3 4 5 6 7 ( ( ( ( ( 第3 章l o n w o r k s 现场总线 外舂i ：存访器扩腿总线 v s ：v d d ( 仅3 1 5 0 ) 1 6 ，6 三 2jl jljl r ( ) m 介顼访 n 约i如j f 】 e 2 p r o m r a 6 日c p u c p uc p um 3 1 3 咴x 为 ，j 付 jlj j 。- j 工 。ijl l lj 0 。 lj i 。l 1 6 p 内蕊 1 lj 1建豫忿跬 1 1r 1 jl 1r 1r j jl1 1 s 弦海黼 11 -1f 迩8 垃弦矧1_ 1r 1地蚶愆线 n e u l o n 列络遵f 矗 j l d 时钟定时器随川i 尬接妇 ( 收毖：| ： ) tffftfff千f 千 r e s e ts e r v i c e c l k l c 1 1 【2 1 0 0 1 0 7 1 0 8 1 0 9i o l oc p 4 图3 3 神经元31 5 0 系列芯片内部结构 3 3 1 神经元芯片的处理单元 神经元芯片有3 个c p u ，每个c p u 各自分工不同。分别为m a c ( 通信处理器 c p u l ) 、网络处理器( c p u 2 ) 和应用处理器( c p u 3 ) 。c p u l 是媒体访问控制处 理器，处理l o n t a l k 协议的第一层和第二层，这包括驱动通信子系统硬件和执行 m a c 算法。c p u l 和c p u 2 用共享存储区中的网络缓存区进行通信，正确地对网 上报文进行编解码。c p u 2 是网络处理器，它实现l o n t a l k 协议的第三层到第六层， 这包括处理网络变量、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。同时，它还控制网络通信端口，物理地址发送和接收数据包。 c p u 3 是应用处理器，它执行用户编写的代码以及用户代码调用的操作系统命令。 在大多数的应用中，使用的编程语言是n e u r o nc 。神经元芯片的三个处理器和存 储器的结构图如图3 4 所示： i ! 兰坚! ! 竺兰j 图3 4 神经元芯片处理器结构及存储区分配 3 3 2 神经元芯片的i 0 神经元芯片通过它的1 1 个可编程i o 4 3 嫣1 。这些引脚可以根据不同外部设备 第3 章l o n w o r k s 现场总线 i 0 的要求，灵活配置各种输入输出方式。采用n e u r o nc 语言，编程人员可以定 义一个或多个引脚作为输入输出对象。在程序运行中用户程序在i oi n 0 和i oo u t ( 1 的系统调用中对这些对象执行实际的i o 操作，并且11 个可编程的i o 引脚具有3 4 种可选的工作方式。下面简要介绍这些i o 对象。 ( 1 ) 位输入( b i ti n p u t ) ：1 0 0 1 0 1 0 可以分别地设置为单个位输入端1 ：3 。 这些输入可用于传送来自外部逻辑点t t l 电平兼容的逻辑信息，并且在应用程序 控制下可以动态地在输入和输出之间改变位端口信号方向。 ( 2 ) 位输出( b i to u t p u t ) ：1 0 0 1 0 1 0 7 i 脚可以分别地设置为单个位输入或 输出器。这些输出可以用来驱动外部c m o s 电平兼容的逻辑、开关管、继电器和 显示灯等。1 0 0 1 0 3 的输出大电流能使这些引脚直接驱动许多i o 设备。在应用程 序控制下，可以动态地在输入和输出之间改变位端口的信号方向。 ( 3 ) 位移输入( b i t s h i f ti n p u t ) ：若干相邻的引脚可以设置为串行输入， 且序号低的引脚被用作时钟序号高的研究用于1 6 位串行数据传输。也就是说， 1 0 0 ，1 0 1 ) 、 1 0 2 ，1 0 3 ) 、 1 0 4 ，1 0 5 ) 、 1 0 6 ，1 0 7 ) 、 1 0 8 ，1 0 9 ) 、可以分别作为位移 输入对，i o o 、1 0 2 、1 0 4 、1 0 6 、1 0 8 向外设提供时钟( 由芯片驱动) ，奇数引 脚输入串行数据。位传输率可设置为1 ，1 0 或1 5 k b s ，这个对象可用于具有移位 寄存器的外部逻辑传输数据。 ( 4 ) 位移输出( b i t s h i f to u t p u t ) ：若干相邻的引脚可以设置为串行输出， 且序号低的引脚为时钟，序号高的引脚用于1 6 位串行数据输出。也就是说 1 0 0 ，1 0 1 ) 、 1 0 2 ，1 0 3 、 1 0 4 ，i 0 5 、 1 0 6 ，1 0 7 ) 、 1 0 8 ，1 0 9 可以分别作为位移输 出对，其中1 0 0 、1 0 2 、1 0 4 、1 0 6 、1 0 8 向外设提供时钟( 由芯片驱动) ，奇数引 脚输出串行数据。位传输率在输入时钟为1 0 m h z 时，可设置为1 ，1 0 或1 5 k b s 。 该对象用于向具有移位寄存器的外部逻辑输出数据。 ( 5 ) 字节输入( b y t ei n p u t ) ：1 0 0 1 0 7 7 i 脚可以设置为字节输入v i ，用于 读取0 2 2 5 的整数，该对象可作为某输出a s c i i 码，或一次输出8 为数据的设备接 口。字节端口方向可以再应用控制下动态地在输入和输出之间改变。 ( 6 ) 字节输出( b y t eo u t p u t ) ：1 0 0 1 0 7 引脚可设置字节输出口。该对象可 用于驱动需要a s c i i 数据的设备，或一次输入8 位数据的设备。字节端口方向可 以再应用控制下动态地在输入和输出之间该变。 ( 7 ) 双斜率输入( d u a l s l o pi n p u t ) ：双斜率输入对象用一个定时器计数器 控制和度量双斜率积分式a d 转换器的积分周期。该定时器计数器提供控制输出 信号( 1 0 0 、1 0 1 ) 并输入比较器的输入信号( 1 0 4 1 0 7 ) ，输出信号控制一个未 知输入电压和参考电压之间转换的模拟开关，如图3 5 所示。 1 2 第3 章l o n w o r k s 现场总线 卜i o o 控制输出 卜i o l 1 0 2 1 0 3 1 0 4 来自1 0 5 比较器- 1 0 6 斗1 0 7 1 0 8 1 0 9 1 0 10 图3 5 双斜率输入对象 该定时器计数器的输入引脚有外部比较器驱动，比较器比较积分输出与参 考电压的差值，比较器的高电平输入表示a d 转换的结束。 ( 8 ) 分频输出( e d g ed i v i d eo u t p u t ) ：这个输出对象作为一个分频器在1 0 0 或1 0 1 引脚提供输出频率信号，该频率信号时1 0 4 1 0 7 引脚上输入信号( 同步信 号) 的分频信号。分频器输出信号频率等于输入信号频率n ，n 的取值范围为l 6 5 和5 3 5 当取0 值时，迫使输出停止并终止定时器计数器。 ( 9 ) 边沿记录输入( e d g e l o gi n p u t ) e d g e l o g 输入对象可以度量输入脉冲连 续为低电平或高电平的周期，并将其存储在用户定义的存储单元，其存储数值表 示两个输入信号边沿的时钟周期数。这个对象可用于分析一个人要宽度的输入脉 冲。 ( 1 0 ) 频率输出( f r e q u e n c yo u t p u t ) ：定时器计数器可设置具有5 0 占空 比的连续方波发生器，这个对象可以用来驱动频率电压变换器以产生模拟输出。 该对象使用1 0 0 、1 0 1 输出频率信号。 ( 1 1 ) 串行全双工传输( n e u r o w i r e ) ：1 0 8 i o l o 弓i 脚可以设置为串行双向 端口。n e u r o w i r e 对象可配置为两种模式：主控模式和被控模式，如图3 6 所示。 i oo i o7 l o8 l o9 i o10 时钟 数据输出 数据输入被控 i oo i o7 i o8 l o9 i o1o 图3 6n e u r o w i r ei o 对象 第3 章l o n w o r k s 现场总线 在n e u r o w i r e 主控模式下，1 0 8 为时钟信号( 由神经芯片驱动) ，1 0 9 为串行 数据输出，i o l o 为串行数据输入，1 0 9 和i o l o 的数据输入输出在时钟控制下保持 同步。神经元芯片可以实现与外设之间的同步全双工串行通信。1 0 0 1 0 7 引脚的 任一作为可选端，允许多个n e u r o w i r e 设备连接到三总线。时钟速率可以作为1 ， 1 0 或2 0 k b s 。 在n e u r o w i r e 被控模式下，1 0 8 是由外部主控制器驱动的时钟端，1 0 9 为串行 数据输出，1 0 1 0 是串行数据输入。1 0 1 1 0 7 中的任一端可被指定为时间溢出引脚。 在指控和被控方式下，每次都可以传输多达2 5 5 位数据。n e u r o w i r e 对象可用于如 a d ，d a 转换器的外部设备，以及显示器等。 ( 1 2 ) 触发计数输出( t r i g g e r e d c o u n to u t p u t ) ：如图3 7 所示的触发器输出 对象可以通过定时计数器产生有效的输出，输出脉冲维持的有效时间可以通过 指定的同步输入信号的下降沿( 或上升沿) 的数量来控制。1 0 0 1 0 1 可以作为触 发对象的输出引脚。当1 0 0 为输出引脚时，指定的同步输入信号可以是1 0 4 1 0 7 中的人一个；当1 0 1 为输出引脚时，只允许1 0 4 作为同步输入信号引脚。 输出引脚在程序的控制下产生输出电平信号，同时定时计数器对同步输入 引脚的输入信号进行计数，当输入信号上升沿( 或下降沿) 数量到达一个程序预 先给定的值后输出电平信号结束。 - 一 1 0 0 触发信呈一m 。 1 0 2 1 0 3 -1 0 4 - 1 0 5 同步信号 -1 0 6 1 0 7 i o s 1 0 9 i o l 0 图3 7 触发器输出对象 3 3 3 存储器 神经元芯片存储器类型有以下几种： ( 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： 1 4 第3 章l o n w o r k s 现场总线 a 网络配置和寻址信息； b 惟一的4 8 位神经元芯片标识码； c 用户应用程序代码和常用数据。 ( 2 ) r a m 用来存储以下数据： a 堆栈段应用和系统数据； b l o n t a l k 协议网络缓冲区和应用缓冲区。 ( 3 ) 所有3 1 2 0 神经元芯片包括1 0 k 字节的r o m ，3 1 5 0 芯片无r o m 。 a l o n t a l k 协议 b 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 ，可以寻址5 9 3 9 2 个字节的外部 存储器。 神经芯片中的软件可以分为三类：系统映像、应用映像和网络映像。 ( 1 ) 系统映像 系统映像包括l o n t a l k 协议、n e u r o nc 动态库和任务调度器。在n e u r o n 31 2 0 系列芯片中，系统映像软件驻留在片上1 0 k br o m 中；在n e u r o n 3 1 5 0 芯片中，这 部分软件位于外接r o m 存储器或f l a s h 存储器中。对于n e u r o n 315 0 芯片，系统由 l o n b u i l d e r 和n o d e b u i l d e r 开发工具提供。利用l o n b u i l d e r 和n o d e b u i l d e r 开发工具， 用户可以生成包含系统映像的i n t e l h e x 或m o t o r o l a s 记录文件，因此可以对 e p r o m 或f l a s h 存储器编程。 ( 2 ) 应用映像 应用映像包括n e u r o nc 编译器产生的用户应用程序的代码和其他特定应用 参数，这些参数可以被网络管理工具查询，它们包括： 固定的和字标识数据的网络变量： 程序标识符； 可选的自标仪和自文档数据； 地址表项数量； 网络缓冲器数量和大小； 应用缓冲器数量和大小： 接收处理记录数量； 目标神经芯片输入时钟速率； 收发器类型和比特率。 在n e u r o n 3 1 5 0 芯片中，通常将应用映像进行编程并输入外接r o m ，或通过 网络下载到e e p r o m 或f l a s h 存储器；在n e u r o n 3 1 2 0 系列芯片中，应用映像被下 载到片上e e p r o m 存储器，l o n b u i i d e r 和n o d e b u i l d e r 支持创建应用映像。 第3 章l o n w o r k s 现场总线 应用映像的数据结构主要有： 一个固定的只读结构，其大小与节点上的应用程序无关； 一个网络变量固定表列，每个网络变量的数据项由节点定义； 可选的字标识和自文档信息来描述节点和节点的网络变量。 ( 3 ) 网络映像 网络映像包括l o n w o r k s 节点的地址配置，连接网络的绑定信息、网络上节 点间的报文标识在安装节点时设置的l o n t a l k 协议的参数，以及应用程序的配置 变量。网络管理工具通常在安装节点是将网络映像通过网络下载到片上e e p r o m 存储器。对于简单网络，节点可以更新自身的网络映像。 网络映像数据结构有： 一个包括节点所在域数据项的域表； 一个包括节点对应网络地址