（电气工程专业论文）lonworks现场总线智能io节点的设计与实现.pdf

j e 塞室通太堂童些亟茔焦监塞 垒墨至基堡至 a b s t r a c t a b s t r a c t ：t h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to fal o n w o r k si n t e l l i g e n tn o d ei s d i s c u s s e di nt h i sp a p e r f i r s t l y , t h el o n w e r k st e c h n o l o g yd e v e l o p m e n ti no u rc o m p a n y a n di t sa d v a n t a g ea r ed e s e r i b c ds i m p l y s e c o n d l y , t h ed e v e l o p m e n tt o o l su s i n gi nt h e n o d ed e v e l o p i n gp r o c e s si sb r i e f l yi n t r o d u c e d p a r t i c u l a r l yt h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n t a b o u tt h eh a r d w a r ea n dt h es o f t w a r ei sd e s c r i b e di n t h i sp a p e r , a l s oi n c l u d i n gt h e p r o c e s so ft h ep l u g - i n t h r o u g he x p a n d i n gt h ev op o r t so ft h en e u r o n3 1 5 0c o n t r o l m o d u l e ，t h i sn o d ec a nb eu s e dw h e r eal o to f a c q u i r i n ga n dc o n t r o l l i n gd a t aa r en e e d e d f i n a l l y , t h ee x p l a i no ft h el o n w o r k st d 7 , h n o l o g yi su s e du t h ec o n t r o l l e ds y s t e mo ft h e b u l i d i n g k e y w o r d ：l o n w o r k s t h ei n t e l l i g e n c en o d en e u r o ncp l u g - i n 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通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， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：年 月 日签字日期：年月 e t j 塞套煎盘堂主些亟堂僮论塞独创焦直明 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和取得的研 究成果，除了文中特别加以标汪和致谢之处外，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交通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。 学位论文作者签名： 签字日期：年月日 致谢 本论文的工作是在我的导师吴命利副教授的悉心指导下完成的，吴命利副教 授严谨的治学态度和科苎二的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢吴 老师对我的关心和指导。 在撰写论文和工作期间，燕飞、李进、时兵等同事和同学对我论文中智能节 点的设计工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 拙塞銮煎太堂童些亟土堂焦监塞l直 引言 l o n w o r k s 技术是美国e c h e l o n 公司推出的先进的开放式的控制网络平台技 术。l o n w o r k s 控制网络是智能控制网络，具有开放性和互可操作性。它的开发工 具完整，基础技术和器件配套。其产品更是具有智能化，在实现点对点的控制策 略方面更具有其独到的优势。 l o n w o r k s 控制网络最先应用于楼字自动化并成为其主导网络技术，随着技术 的发展和应用的深化，它不论是技术上、体系上、应用上都有了很大的突破，目 前已应用于各个领域，成为一种适应性强的控制网络。“3 从我国现阶段控制网络的发展来看，l o n w o r k s 技术适用于我国的国情，如果 能够很好的利用该技术必将加速我国的控制网络的发展和进步。 韭塞銮 道盘堂童些硒堂焦逾塞 2l o n w o r k s 技术概述 2 1l o n w o r k s 现场总线简介脚啪埘 l o n w o r k s 现场总线由美国e c h e l o n 公司予1 9 9 3 年推出，由于其开放的网绍 操作系统、标准的网络通信协议，丰富的介质接口模板、支持多种介质之间相互 通信等特点，在工业控制领域得到了广泛响应。e c h e l o n 公司的网络技术基础架 构的基础是l o 埔o r k s 设备两络平台。l o n w o r k s 设备采用分布式对等通信，即网 络上的每个设备都能在不依赖于其他设备的情况下，独立地接收、发送和处理网 络信息。这意味着l o n w o r k s 控制网络上的每个设备都可以进行决策和信息处理， 而不依赖于计算机、网关、可编程逻辑控制器( p i c ) 或其他形式的中央处理器或 控制器。采用对等式的体系结构在增强可靠性的同时减少l o n r k s 网络的总成本。 l o n w o r k s 设备之问采用一种开放的、标准的、众所周知的协议或语言通信， 这就是a n s i e i a c e a - 7 0 9 1 吨。这个通信协议已经被许多其他标准组织所采纳， 包括i e e e1 4 7 3 ( 列车控制) 、s 跏i ( 半导体制造设备) 和i f s f ( 欧洲加油站) 等。传统上，控制网络使用封闭式的协议和系统，这样的网络一旦安装，网络的 任何变化( 增加节点或者替换备件) 都使用户受制于该网络的唯一提供商。而对 于开放式的l o n w o r k s 网络来说，丰富的产品和服务供应商使得用户可以自由地进 行选择。 l o n w o r k s 平台被设计成可以在多种通信介质上工作。如双绞线收发器( 用于 在铜线上传输信号) 、电力线收发器( 用于在楼字或者设备的输电主干线上传输 信号) 及用于光纤、无线、红外、同轴电缆等多种收发器。这种灵活性使得l o n w o r k s 网络可广泛的用于全世界工业、商业、家庭、政府和公共设施等应用中。 l o n w o r k s 技术充分利用了互联网的基础结构将一个局部的现场设备控制网络 变成是一个广域网或局域网的信息技术应用的一部分，提供了一个端到端的应用 方案。在这个端到端的架构上使各种增值服务相继产生。比如，连锁便利店的统 一管理。通常，这些小的便利店有节能和防盗方面的应用需求，并且这些店的数 目庞大，遍及城市的大街小巷。通过将这些小店的控制网络连到互联网上，公司 总部便可以及时获取有关信息和资料。其应用结构如图卜l 。 2 韭 塞銮垄太堂圭些亟堂焦盈塞 图1 - 1l o n w o r k s 技术应用系统结构 在这个应用系统结构中，l o n w o r k s 技术嵌入了现场设备中，使设备与设备之 问保持对等的、平坦的通讯结构。周时，这些控制网络又通过各种互联网的连接 设备，比如l o n w o r k s i p 路由器、网关、w e b 服务器以及s o 舻x 醯l 接口将控制网 的信息通过互联网接入某个数据中心或运营商主持的企业数据库。通过l n s 控制 网络操作系统建立上层的企业解决方案，同时与信息技术的应用褶结合，比如， 于e r p 和c i i m 等应用相结合。正因为有了这样一个基础架构，一些服务供应商便 可以利用这一平台向最终用户提供各种增值服务。 2 - 2 国内l o n w o r k s 技术应用情况“” l o n w o r k s 控制网络技术由于其突出的特点，因而一经介绍到国内，便受到不 少开发商和用户的关注，目前国内从事l o n w o r k s 开发的主要单位约l o 家左右， 产品品种数百个，应用领域涉及到楼宇、智能小区、交通运输轻工、制药、石 油，电力、天然气、灯光控制、机电一体化等各个领域。实践证明，l o n w o r k s 控 制网络适合我国国情。它的技术适应性、系统开放性、产品互可操作性、开发平 台配套性以及产品高性价比是其得以发展和广泛应用的重要条件。 我国l o n w o r k s 控制网络的发展走了一条兼容创新发展的道路，其特点是：技 术上采用l o n t a l k 协议和成熟的l o n w o r k s 技术；产品上采用成熟的元器件，自行 设计开发；系统上面向应用开发典型系统。我国l o n w o r k s 控制网络的发展己形成 了自己的特点。 面向市场，开发兼容的、适合国情的l o n w o r k s 控制网络，是我国l o n w o r k s 开 j e 瘟銮亟盔堂童些亟堂鱼迨塞 发商选择的产品发展途径。我国l o n w o r k s 控制网络产品已初步形成了特色。 产品体系 目前，l o n w o r k j 控制网络主要是走开发智能节点的道路，这些节点的技术是 工业控制计算机和d c s 过程通道模板技术的发展，所不同的是解决了通信和分散 安装的问题。这条路也是目前一些现场总线控制系统所走的路。 节点软件模块 我国l o n w o r k s 开发商在节点软件开发上取得了可喜进展，在满足l o r f i m a r k 规 范的前提下，扩展了工控功能，开发了更适合于工业控制的节点软件模块，从而 进一步扩大了l o n w o r k s 控制网络的应用。 产品系列化、组合化 我国l o n w o r k s 控制网络的开发，秉承和发展了我国仪器仪表行业成功的经 验，采用了系列化、组合化的设计技术。有关人员通过论述了现场总线控制网络 的系列化、组合化设计以及应用嵌入式技术的“智能节点”的设计问题，并通过 实践证明，系列化、组合化设计提高了产品的工程化水平。当前，我国双绞线传 输的l o n w o r k s 系列产品已较完整，其智能控制模块，测控节点，网络节点的品种 己基本齐全。 l o n w o r k s 是一种先进、适用的控制网络技术，近两年来，新技术不断发展， 应用领域迅速扩大。l o n w o r k s 技术进入我国以来，技术、产品、应用都取得了发 展，国产l o n w o r k s 产品和系统形成了特色并在各个领域成功应用。国产l o n w o r k s 控制网络的发展能给人们这样一个启示，那就是选择先进适用的技术，面向市场、 开发兼容的、适合国情的产品，是当前发展民族工控产品的有效途径。 2 。3 技术在楼宇自控中应用k o n w o r k s 的好处 对于一座智能化建筑而言，整个楼宇自控系统要求对各个子系统的设备进行 监视并控制起来，也就是用一个通用的控制网络把他们连接起来，并尽可能的降低 成本。可是楼宇自控系统各子系统的设备各有其特点，且生产厂家也各不相同， 它们有不同的现场控制总线、设备总线、传感器总线、b a c n e t 及多种专用的解决 4 扯豆銮重态 堂主些亟 圭堂焦监 銮 方案，而且这些建筑设备有时还需要和智能建筑中的其他系统如保安防盗、消防 等，发生联系，协调运作，这些系统也有独立的网络结构和通信协议，以一种网 络实现这些设备之间的统一管理和调度在l o n w o r k s 技术出现之前很难实现，但有 l o n w o r k s 技术这项任务很容易实现。因为l o n w o r k s 技术具有两大优势：高性能 低成本的网络接口产品，以及内含三一i - c p u 的超大规模n e u r o n 芯片以及固化的 l o n t a l k 通讯协议。l o n w o r k s 有很强的互连性及互操作性，能够通过网关把不同 的现场总线、异型网络接进l o n w o r k s 网络内，从而增强其功能，构成一个统一的 整体。l o n 再o r k s 技术在楼字自控系统中应用，提高控制设各准确性，可靠性。 5 j e塞銮垣塞堂圭些亟堂僮j 金塞 3l o n w o r k s 总线及其设计环境 3 1l o n 固件介绍帅瑚咖 3 1 1 神经元芯片 l o n w o r k s 技术的最高目标是方便和经济地建立开放控制系统。为了经济标 准化布簧，e c h e l o n 设计了神经元芯片( n e u r o nc h i p ) 。多个神经元联网后，每个 神经元通过为数众多的路径向其他神经元发送信息。每个神经元通常都用于某一 专一功能，但失去任何一个不一定影响网络的整体性能。 神经元芯片之优势在于它的完整性。内嵌协议和处理器免除了在这些方面的 任何开发和编程。参照i s o o s i 模型，神经元芯片固化了前面的6 层协议，用户只 需要提供应用层的编辑和配置。这就使得协议实麓标准化，并使开发和配置较为 容易。 神经元基本上是一个“芯片上的系统”，由多个微处理器，读写存储器( r a m ) 和只读存储器( r o m ) 、通信和i o 接口组成。r o m 中包含操作系统、l o n t a l k 通信协 议和i o 功能数据库系统。芯片有用于装置数据和应用程序的非易失性r 删，两者 都可以从通信网络上下载。每个芯片被赋予一个永久的全世界唯一的4 8 位n e u r o n i d 。有不同速率、存储器类型、容量和接口的许多系列的神经元芯片。一个能全 面实施l o n t a l k 协议的l o n t a l k 固件程序包含在每个神经元芯片的r o l l 中。这使得神 经元芯片能保证在每个装置中公共协议的应用以完全相同的方式实施。这个方法 解决了“9 9 的兼容性”问题，并保i 正l o n w o r k s 装置在同一网络上的连接只需要 很少甚至于不需要额外的硬件。神经元芯片包含了3 个8 位的联机处理器。分别是 介质访问控制处理器、网络处理器和应用处理器。 如图3 1 所示的三个处理器在系统固件中各有独特的功能。 6 丝塞銮遣盔堂童些亟堂焦i 金塞 共享r a m 区 图3 1 处理器结构及存储器分配 口 介质访问控制处理器m a c 主要控制七层网络协议中的r 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 共享存储器中的网络缓冲区进行通信。 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、 事务进程、证实、背景诊断、软件定时器、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。 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。主要的扩展包括一下几部分： 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 o 对象直接映射到处理器i o 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，每当给这个变量赋值时， 其值能够自动通过网络传播。可定义毫秒级和秒级定时器对象，每当定时事件到 7 韭塞窑夔去堂童些亟堂鱼盈塞 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。 3 1 2 收发器 收发器在神经元芯片和l o n w o r k s 网络间提供物理通信接口。这些装置简化了 互可操作的l o n w o r k s 节点的开发，可用于各种通信介质和拓扑。主要的问题是要 知道在任一特定的产品中，哪个收发器能让产品直接互操作。收发器类型不同的 产品仍然能进行互操作，但这要求有路由器。被广泛应用的有双绞线和电力线收 发器，其他还有无线、光纤等其他介质的收发器。 目前，e c h e l o n 开发了第三代智能收发器，i 枷e u r o n 3 1 2 0 、3 1 5 0 核心，使新 的f t3 1 2 0 收发器具有更大的容量及更强的算法，同时又降低了成本，而且节点的 抗干扰性大大增加。 3 1 3l o n w o r k s 节点 连接在网络上得到每个l o n w o r k s 节点通常含有位于适当的机械封装中的神经 元芯片和收发器( 如图3 2 所示) 。随装置的功能而定，也可以有嵌入传感器和执 行器、对外部传统传感器和执行器的输入输出接口、像p c 之类的对主处理器 的接口，或对其他神经元和在路由器中的收发器的接口。由神经元芯片执行的应 用程序体现装置的“个性”，它可常驻在r o m 中或通过网络下载到r a m 中。 8 韭塞窑盈盔堂童些亟堂鱼j 盆塞 图3 - zl o n w o r k s 节点的内部结构 l o n w o r k s 网络中的大部分装置的工作是检测并控制受控的物理系统的组件状 态。它们叫做l o n w o r k s 节点，并且可以有任何形式的嵌入传感器和执行器的输出 接口的组合。装置中的应用程序不仅在网络上发送和接收数据，也可以对检测到 的变量和p i d 回路控制之类的控制逻辑、数据记录和进行编程制作数据处理( 如： 线性化、定标) 。 3 1 4l o n t a i k 介绍 3 1 。4 1l o n t a l k 协议 l o n t a l k 通信协议是l o n w o r k s 技术的核心。该协议提供一套通信服务，使设备 中的应用程序能在网络上对其他装置发送和接收报文而无需知道网络的拓扑、名 称、地址或其他装置的功能。l o n t a l k 协议能有选择地提供端到端的报文确认、报 文证实和优先级发送以便设定有界事务处理时间。对网络管理业务的支持使远程 网络管理工具能通过网络和其他装置相互作用，包括网络地址和参数的重新配置、 下载应用程序、报告网络问题和节点应用程序的起始终止复位。 l o n t a t k 协议遵守i s o 的分层体系结构要求。但l o n t a l k 协议设计用于控制系统 而不是数据处理系统。为了处理网络上的报文冲突，l o n t a l k 使用类似于以太网所 用的“载波监听多路访问( c s m a ) ”算法。l o n t a l k 协议建立在c s m a 基础上，提供 介质访问协议，使得可以根据预测网络业务量发送优先级报文和动态调整时间槽 的数目。通过动态调整网络带宽，被称为预测性p c s m a 协议的算法使网络能在极 高网络业务量出现时继续运行，而在业务量较小时期不降低网络速度。 3 l4 2l o n t a l k 网络变量 l o n t a l k 协议体现网络变量( n 1 ，) 的革新概念。n v 大大简化使多个销售商产品 互可操作的l o n w o r k s 应用程序的设计工作，并方便了以信息为基础而不是以指令 为基础的控制系统的设计所谓网络变量是任何数据项( 温度、开关值、或执行 器位置设定) ，它们是一个特定装置( 设备的) 应用程序期望从网络上其他装置得 到的( 输入网络变量) 或期望提供给其他装置的( 输出网络变量) 。 9 韭塞奎 鎏 盔堂童些 班 堂焦j 金塞 装置中的应用程序根本不需要知道输入n v 来自何处或输出n v 走向何方。应用 程序在输出n v 值变化时，它就只是把这个新值写入一个特定的存储单元。在网络 设计和安装期问会发生一个叫做“捆绑”的过程，通过这个过程配置l o n t a l k 固件， 以确定网上要求n v 的装置组或其他装置的逻辑地址。汇集和发送适当的包到这些 装置。应用程序知道在这个单元总是能找到最新数据。这样，捆绑过程就在一个 装景中的输出n v 和另一个装置或装置组的输入n v 之间逻辑连接，可以看作是“虚 拟线路”，如图3 3 所示。 虚越线路 -由同结工具产生的改变 -无衙改变虚用程序 -可简便地增如，移动和改变节点 图3 - 3l o n t a l k 网络变量的绑定 3 1 4 3l o n t a l k 的特点和优点 总而言之l o n t a l k 协议可从事的多种服务提高了可靠性、安全性和网络资源 的优化。这些服务的特征和优点包括： 支持广泛范围的通信介质，包括双绞线和电力线； 支持可靠通信，包括防范未经授权使用系统； 不论网络规模，提供可预测的响应时间； 支持混合介质和不同通信速度构成的网络； 提供对节点透明的接口； 支持几万个节点但在只有几个节点的网络中同样有效； 允许节点间的任意连通； 允许对等通信，这样就使它可用于分布式控制系统中； 为产品的互可操作性提供有效机制，使来自一个制造商的产品能和其他制 造商的产品共享标准物理量的信息； 实施协议内网络管理问题的解决方案； 3 2l o n 软件介绍乜1 旧m “叭旧嘲 3 2 1h o d e b u il d e r 介绍 e c h e l o n 为用户提供的n o d e b u i l d e r3 开发工具是一个用来开发 l o n w o r k s 设备( 又称节点) 的开发工具，它是一个硬件和软件的平台，针对基于 神经元芯片和e c h e l o n 收发器应用的工具。它包括一个基于w i n d o w s 的软件开发 系统和一个硬件开发平台用于设计和调试、另外还有相应的网络管理工具与它配 套使用。这个新一代的l o n w o r k s 开发工具，由于加入了各种向导，自动生成模版 和代码，同时内置对l o n m a r k 的支持，节省大量开发时间和难度。 下面针对n o d e b u i l d e r3 软件方面的组件和主要特性作一简要介绍； 3 2 1 1n o d e b u i l d e r 自动编程向导 这个工具用来定义设备的外部接口并自动生成一些n e u r o nc 的代码。其 中第二版的n e u r o nc 是一个高级的编程语言，它基于a n s ic 又在此基础上作了 扩展以支持网络通讯，硬件输入和输出接口以及事件驱动。第二版的n e u r o nc 可 生成符合l o n h a r k 标准的设备外部接口这些自动生成的模版和代码为编程人员 节省了大量的开发时间。 3 2 1 2n o d e b u i t d e r 资源编译器 这个工具用来观察和利愚标准的数据类型和功能模式，并且用来定义特定 的数据类型和功能模式。这些类型信息储存在l o n l l a r k 资源文件中，可被资源编 译器、代码向导、n e u r o nc 编译器、l o n m a k e r 集成工具以及p 1 u g i n 向导使用， 这使得所有的工具具有统一的显示方式从而减少了开发的时间。与l o n 胁k 标准 兼容的设备需提供相应的资源文件。 韭塞窑逼盔堂童些亟堂焦 监 塞 3 2 1 3i n s 节点p l u g i n 向导 这个工具可自动生成一个基于v i s u a lb a s i c 的应用程序( 称节点p l u g i n ) 用于指导用户配置、测览、监测、诊断由n o d e b u i l d e r 开发工具所开发生成的设 备。p l u r i n 软件给硬件产品带来极大的实用性。n o d e b u i l d e r3 工具包括了开 发测试、生成节点p l u g - i n 所必须的l n s 的组件。i n s 为控制网络的操作系统， 该l n sp l u g i n 可与任何支持i n sp l u g i na p i 的i n sd i r e c t o r 应用兼容。 n o d e b u il d e r3 工具还包括了其他一系列的产品，包括l o n g l a k e r 集成工具， l n sd d es e r v e r 软件，l r m - i o a 平台( 硬件) ，g i z m o4i o 板等。 3 2 2n e u r o nc 介绍 n e u r o nc 是一种专门为n e u r o n 芯片设计的程序设计语言。它在标准c 的 基础上进行了自然扩展，直接支持n e u r o n 芯片的固化软件，删除了标准c 中一 些不需要的功能( 如某些标准的c 函数库) ，并为分布式l o n w o r k s 环境提供了特 定的对象集合及访问这些对象的内部函数，还提供了内部类型检查，是一个开发 l o n w o r k s 应用的有力工具 3 2 2 1n e u r o nc 与a n s ic 语言的区别 n e u r o nc 严格遵守a n s ic 语言规则，但并不是对a n s ic 的再次实现。 n e u r o nc 与a n s ic 之间存在着如下的一些区别： n e u r o nc 不支持c 语法或操作意义上的浮点运算，但它提供了一个浮点 库，从而允许使用符合i e e e7 5 4 标准的浮点数。 a n s ic 定义s h o r ti n t 为1 6b 或多于1 6b ，定义l o n gi n t 为3 2b 或 多于3 2b ；而n e u r o nc 定义s h o r ti n t 为8b ，l o n gi n t 为1 6b ，在 n e u r o nc 中，i n t 缺省为s h o r ti n t 。如果需要使用3 2b 的值，可以使 用3 2b 有符号整数库。 n e u r o nc 在声明变量时不自动对其进行初始化。 n e u r o nc 不支持将结构体( s t r u c t u r e ) 和共用体( u n i o n ) 作为过程参 1 2 盐塞窒逗盍堂童些亟堂焦监室 数或作为函数的返回值。 n e u r o nc 的网络变量结构不能包括指针。 n e u r o nc 不支持指向计时器、m e s s a g et a g 和i 0 设备的指针。 n e u r o nc 的网络变量名和报文标签被限定在1 6 字符以内。 一些标准c 库函数( 如m e m c p y ( ) 和m e , s e t ( ) 等) 被n e u r o nc 所保 留。n e u r o n c 包括三个标准头文件： 、 、 。 n e u r o nc 包含了一些补充的保留字和语法。这些保留字和语法并不包括 在a n s ic 中。 n e u r o nc 支持来自c + + 的注释格式，作为对传统唪 注释格式的 补充；在格式中，两个斜杠( ) 开始一个注释行。注释在行的末尾 结束，没有结尾标点。 不再使用m a i n ( ) 函数结构，而是代之以由w h e n ( ) 语句和函数组成的 n e u r o nc 程序的可执行对象。一系列的执行总是从一个w h e n 语句开始。 n e u r o nc 不支持在分离的编译单元中包含多个源文件，但支持# i n c l u d e 指令。 3 2 2 2 事件驱动( w h e n 语句) n e u r o n 芯片的任务调度采用事件驱动方式：当一个给定的条件变为真时，与 该条件相关联的一段代码称为任务( t a s k ) 被执行。调度程序允许自定义任务， 该任务作为特定事件的结果而放运行，如输入管脚状态的改变，接收一个网络变 量的新的值或计时器的终止。也可以指定某些任务作为具有优先级的任务，以使 它们能得到优先服务。 事件通过w h e n 语句来定义，一个w h e n 语句包含一个表达式，当表达式为真时， 则表达式后面的代码( t a s k ) 被执行。一旦任务执行完毕，则w h e n 语句的条件事 件被清除，其任务也不再被理睬，直到w h e n 语句被再次检测为真。 定义在w h e n 语句中的事件一般分为两种类型：预定义事件和用户定义事件。 j e 基銮煎盔堂童些硒主堂焦i 佥塞 其中，预定义事件使用编译程序内部固有的关键字。预定义事件的例子包括输入 管脚状态的改变、网络变量的改变、计时器的终止和报文的接收等等。用户定义 事件可以使用任何有效的n e u r o nc 表达式。 调度程序以循环( r o u n d - r o b i n ) 的方式检测以队列形式登录的w h e n 语句； 每一个w h e n 语句都由调度程序检测，如果为真( t r u e ) ，则与其相关联的任务就 被执行；如果讹e n 语句为假( f a l s e ) ，调度程序将继续检查后面的w h e n 语句。 在检查完最后一个w h e n 语句后，调度又返回至队列首部重复执行上述过程。 p r i o r i t y 关键字用于设定一种w h e n 语句。这种w h e n 语句被检测的次数多 于无优先级的w h e n 语句。优先级w h e n 语句在每次调度程序运行时以指定的顺序 被检测。如果任何优先级w h e n 语句被检测为真，则与它相对应的任务就被执行。 然后调度程序又重新回到优先级w h e n 语句队列头，从头开始检测优先级w h e n 语 句。如果任何一个优先级w h e n 语句都没有被检测为真，调度程序才以如前所述的 循环方式检测无优先级的w h e n 语句如果无优先级的w h e n 语句检测为真，它的 任务被执行，然后调度重新回到第一个优先级w h e n 语句处；如果无优先级w h e n 语句也都为假，则调度也返回第一个优先级w h e n 语句处，重新开始上面过程。整 个调度过程可如图3 - 4 所示。 图3 - 4n e u r o n 芯片任务调度 1 4 韭廛窑垣塞堂童些亟主堂焦途塞 使用优先级w h e n 语句时必须仔细考虑，否则优先级w h e n 语句太多的话，将 使无优先级的w h e n 语句被“挂起”，不被执行。 3 2 3l o n w o r k s 网络服务( l n s ) 介绍 l n s 提供了一个紧凑的面向对象的编程模型，它减少了开发时间，主机代 码空间和主机处理要求。l n s 把网络表示为一个对象分级体系，它能提供一整套 服务，包含一系列特性并能报告事件的变化。为了尽可能简化开发，l n s 自动执 行公共的系统任务，例如，它自动发现网络中未经配置的新节点一无需工具主机 做任何事。l n s 管理网络，让开发者有时间专注于它们的应用。 l n s 由两个大组件组成：l n s 网络服务器和in s 网络接口。 用户通过一个为l n s 网络接口的硬件组件与服务器“谈话”，它提供对网络的 物理连接和对l n s 网络接口的通信连接。他们自动根据需要咨询l n s 网络接口以 决定哪个服务器提供一项给定的服务并把要求透明传送。l n so 酬组件提供的硬 件接口如表3 1 所示。 表3 1l n s 网络接口类型 p c c - i o 网络接口带有自由拓扑收发器的i i 型p c 卡，从前为 p c m c i a p c l t a 一2 0 接口p c i 总线，自由组合收发器 p c l t a - 1 0 接口i s a 总线，双绞线收发器 s l t a - i o 适配器串行接口，双绞线收发器 l o n w o r k s 网络服务( l n s ) 体系结构为互可操作l o n w o r k s 网络工具提供基础。 它把客户一服务器体系结构的能力和以组件为基础的软件设计引进控制网络，启 用各种新一代的工具，这些工具能安装、监控和维护l o n w o r k s 网络。其主要优点 如下： 减少网络安装时间与费用 在in s 下，不同的网络安装人员可以同时工作于同一网络而不会相互冲突。他 韭哀銮亟太兰童些 塑 竺焦监塞 们所使用的网络工具都被网络服务器视为其客户。在多个安装人员同时操作的情 况下，l n s 自动跟踪与记录每一个客户的操作，安装人员不必担心网络数据库的同 步问题。如果在开发的网络工具中加入自己的应用特色，还可以使某些安装过程自 动化，进一步减少安装时间与费用。 。 增强数据访问能力 在l n s 环境下，可以方便地创建丰富的人机界面监控与数据采集( 删i s c a 2 d a ) 应用系统。由于其c s 结构，不需要另外增加冗余数据库，用户也不必担 心其程序与网络配置的同步问题l n s 跟踪每一个程序的操作并自动通知它们网 络配置的变化。与在d d e 方式下相比，l n s 为网络变量与消息监控提供了更为丰富 的手段。 透明的i p 网络遥信能力 l n s 允许程序( 工具) 通过i p 网访问l o n w o r k s 网络，任何与l n s 服务器通过 网络相连的工作站都可以像使用本地工具一样使用基于l n s 的工具。用户可以方 便地结合基于in s 的网络与基于i n t e r n e t 的应用程序，创建功能强大的企业级解 决方案。l n s 也允许通过使用现有的l a n 局域网达到网络的高速连接。 。 系统扩大的途径 由于它的客户一服务器设计，l n s 允许系统平稳扩大。使用了模块化的硬件 和软件，用户可以在任何时刻简单地加迸额外的用户或服务器，从而扩大他们的 控制系统。对于终端用户，除了容量和功能的增加外，变化是透明的。 更快的软件开发 l n s 定义一个标准的对象层和一系列接口。这使软件开发者和系统集成商使用 很多现有的软件组件迅速汇编，以p c 机为基础的入删i 、s c a d a 等应用程序和配 置工具。这些软件组件可以在同一个主机上运行或经过l o n w o r k s 网络运行。l n s 也能让开发者把为某项应用而设立的对象，重新应用于另一次应用中。 1 6 j e夏窑逗太堂童些亟堂焦丝塞 4 l o n w o r k s 技术智能节点设计与实现 4 1 总体设计“埘蚴嘲嗍删例咖m “嘲 4 1 1 方案选择 l o n w o r k s 节点是l o n w o r k s 控制网络的基本单元，不同的应用场合对节点的 要求是不一样的，因此，节点的设计开发是比较灵活的。从大的方面看，节点的 设计包括：节点硬件设计、节点应用软件设计和节点调试三个方面。 l o n w o r k s 现场总线智能节点的开发主要有两种方式：基于n e u r o n 芯片的开 发和基于控制模块的开发。其中，基于n e u r o n 芯片的开发方式比较灵活，可以根据 实际控制任务的需要配置片外的程序存储空间和r a m ，甚至可以扩展一部分i 0 口：基于模块的开发比较简便，开发周期短，信号格式规范，产品的互操作性和互换 性比较强，但是由于控制模块里面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。 综合考虑，本节点开发选择第二种方式，即主要以控制模块为核心，对其1 1 个i o 管脚作扩展，其中以i o 舻i 吖作为数据的输入输出，i o8 i 让l o 通过控 制3 8 译码器来作输入输出的地址选择，其中通过缓存器作为数据输入，寄存器 作为数据输出。如图4 - i 所示。 n e u r o n 锁存器 7 4 i s 3 7 3 3 1 5 0 缓冲器 控制模块 7 4 1 s 2 4 4 罨橱鸯 缓冲器 7 4 l s 2 4 4 图4 - i 设计原理图 4 1 2 总体设计思路 通过上面的方案选择，该智能节点的设计流程图如图4 - 2 所示 1 7 图4 - 2 节点设计流程图 4 ，2 节点硬件选型与单元电路设计 4 2 1 设计工具p r o t e i9 9 “小“删 4 2 1 1 原理图设计系统( s c h e m a t i c9 9 ) 原理图设计系统( s c h e m a t i c9 9 ) 主要用于电路原理图的设计，为印制电路 板的设计打好基础。p r l t e l9 9 的原理图编辑器提供高速、智能的原理图编辑手 段，产生高质量的原理图输出结果。它的元件库提供了超过6 万中元件，最大限 度地覆盖了众多的电子元件生产厂家的繁复庞杂的元件类型。元件的连线使用自 动化的画线工具，然后通过功能强大的电气法则检测( e r c ) ，对所绘制的原理图 进行快速检查。所有这一切使得设计工作变得便捷。 p r o t e l9 9 的印制电路板编辑器为用户提供了一条快捷的设计印制电路板的 途径。p c b 编辑器通过它的交互性编辑环境达到了手动设计与自动设计的完美融 合。p c b 的底层数据结构最大限度地考虑了用户对速度的要求，通过对功能强大 的设计法贝i j 的设置，用户可以有效地控制印制电路板的设计过程。对于特别复杂 的、电脑难以自动完成的布线工作，用户可以手动布线。总之，p r o t e l9 9 的印 制电路板编辑器既功能强大又便于控制。 4 2 2 电源电路 在该节点中，外部由2 4 v 直流电源供电，内部需要使用5 v 和1 2 v 的直流电压， 我通过使用l m 7 8 1 2 将外部2 4 v 电压转换为1 2 v ，再通过一个d c - d c l 2 s 5 得到5 v 电 压，这样为电路中的光电隔离器提供了不共地的两个直流电压源。同时，为了保 证电源的质量，又通过多个电容进行滤波，得到高质量的直流电压。具体电路图 如图4 - 3 、图4 4 所示。 图4 - 3 电源电路图 图4 4 滤波电路图 1 9 丝塞 銮 攮 盔堂童 些 亟 土 堂焦j 金 塞 4 2 3 译码电路 如图4 5 所示译码电路。 v c c瑚 1 0 9 胡耍x i c el o l 口 b l n o c ty 0 拂萎 y 4 雾斟荔 图4 - 5译码电路 节点通过控制芯片s n 7 4 l s l 3 8 来作地址的选择。根据需要，我将控制模块泡 i o - 1 0 作为s n 7 4 l s l 3 8 的片选控制信号，。1 08 和1 0 _ 9 作为地址译码信号。以y 1 作为数据输出地址，y 2 、y 3 作为数据输入地址。其中s n 7 4 l s l 3 8 的译码功能表如 表4 i 所示。 表4 1s n 7 4 l s l 3 8 功能表 l n p u l $ e n a b 嵋s o l e c t o u h h i 讧 g 1g 2 ( n o t e l )cbay oy 1y 2y 3y 4y 5y by 7 xhx hhhhhhh h lx x xxh hhhhhhh hlllllh hh hhh h hlllhhlhhhhh h hllhlhhlhhhhh hllhhhhhl hhhh hlhllhhhh lhhh hl hlhh hhh hlh h hlh hlhhhhhhlh hlh h hhhhh hhhl 韭基窆道太芏童些亟圭堂焦盈塞 经由s n 7 4 l s l 3 8 译码后的地址如表4 2 所示 表4 2译码地址表 h _o _ g - ( j ” o - i ， 4 2 4 数据输出电路 数据输出电路图如图4 - 6 所示。 图4 - 6 数据输出电路图 其中，i d 2 为s n 7 4 l s l 3 8 的输出地址y 1 ，通过一个由三极管构成的非门将 其反向，作为s n 7 4 l s 3 7 3 的片选信号( 高电平有效 。其d _ o d7 管脚与控制模块 的i o _ o 1 0 - 7 相连，进行数据信号的传输，当s n 7 4 l s 3 7 3 片选为高电平时，数据输 出qx = d _ x 。否则s n 7 4 l s 3 7 3 的输出为高阻态。 t l p 5 2 1 4 为光电藕和器，电路中起到光电隔离的作用，有效的防止了信号 韭塞銮煎太茎童些亟主堂焦监塞 之间的干扰。结构图如图4 7 。 图4 - 7 光电藕和器 u l n 2 8 0 3 为八n p n 达林顿管，可用于驱动需大电压( 或电流) 的设备。如： 电灯、继电器、打印机等。结构图如图4 8 所示 图4 _ 8 达林顿管管脚连接图 达林顿管工作时需要外接电源，当输入信号为高电平时，其门控为高电平， 达林顿管导通，；当输入信号为低电平时，其门控为低电平，达林顿管不能导通， 输出成高阻态。 4 2 5 数据输入电路 数据输入电路图如图4 - 9 所示。 韭塞銮适盔雯童些塑堂焦纶塞 图4 - 9 数据输入电路图 两片缓存器s n 7 4 l s 2 4 4 为低电平选通，其地址分别为s n 7 4 l s l 3 8 的y 2 、y 3 。 其输出端分别连接控制模块的i o _ o 10 _ - 7 ，当其选通时，输出信号y _ x = a _ x ，外部 信号将传送给控制模块。同样，输入信号也通过t l p 5 2 1 4 ，进行光电隔离，达到 保证信号质量的目的，同时在信号输入端又增加了压敏电阻和0 1 u 的电容，起到 过压保护和滤波的作用。 4 3p c b 板设计 4 3 1 电源质量与分配 在设计印刷电路板时，能给各个单元电路提供高质量的电源，就会使系统的 稳定性大幅度的提高。但如何能提高电源的质量，常用的手段有以下几个： 电源滤波 为提高系统的电源质量，消除低频噪声对系统的影响，一般应在电源进入印 刷电路板的位置和靠近各器件的电源引脚处加上滤波器，以消除电源的噪声，常 用的方法是在这些位置上加上几十到几百微法的电容。 同时，在系统中除了要注意低频噪声的影响，还要注意元器件