（计算机应用技术专业论文）现场总线的应用和管控一体化的研究.pdf

两安建筑科投大学硕士论文 论文题目：现场总线的应用和管控一体化的研究 专业：计算机应用技术 硕士生：陈军 指导老师：席爱民教授 摘要 为提高加油站的技术水平，提高油品销售管理水平和经济效益，实现油品销售的科 学化、管理的现代化，提高加油站在市场竞争中的实力，现在越来越多的单位希望推出 i c 卡加油站管理系统。其要点是使用i c 卡代替油票和现金，与电脑加油机联机，建成 集加油控制，油站信息管理，公司信息管理于一体的i c 蚩自动售油系统。 本论文首先简单介绍了一下论文内容的基本概况，然后重点介绍了l o n w o r k s 现场 总线和基于神经元芯片( n e u r o nc h i p ) 的智能控制器的开发过程，最后由此建立加油 站控制系统，在控制系统的基础上，使用制造执行系统( m e s ) 和企业资源规划( e r p ) 建立系统的管理级，组建管控一体化的i c 卡联网加油系统。 i c 卡城市联网加油站网络系统采用全分布式的系统结构，加油站可以单机售油独立 工作，也可以连接油站管理计算机组成电脑加油站系统。对于有多个加油站的石油公司 可组成城市联网加油系统。每台加油机上都装有i c 卡读写器，加油时用户可用i c 卡代 替货币加油，计量部门可使用i c 卡检测有关计量参数及校验加油机计量精度。对于最 终用户，持卡人可以持卡在联网所属任何一个加油站自主加油，这样既可以使加油站形 成稳定的消费群，同时又没有了找零的麻烦。加油站和石油公司使用管控一体化系统后， 可以加强内部管理力度，及时了解各加油站任意时段的经营情况，通过网络收集数据进 行科学统计及情况分析，从而为经营决策提供准确的资料，实现有效的和量化的经营决 策。 关键字 论文类型： 现场总线，制造执行系统；企业资源规划；l o n w o r k s 技术：管控一体化 神经元芯片 应用基础 西安建筑科技大学硕上论文 t i t l e ：t h e a p p l i c a t i o n o ff i e l d b u sa n d s t u d y o ft h e i n t e g r a t i o no f m a n a g e m e n t a n dc o n t r o l s p e c i a l i t y ：c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y n a m e：c h e r t j u n i n s t r u c t o r ：x ia i m i np r o f a b s t r a c t i no r d e rt oe n h a n c et h et e c h n o l o g yo f g a ss t a t i o n ，t h em a n a g e m e n ta n de c o n o m yo f p e t r o l e u m s e l l ，n o wm o r ea n dm o r c o i lf i r m sw a n tt ou s et h em a n a g i n gs y s t e mb a s e do ni c c a r dw h i c hi tc a nr a i s et h ec o m p e t ea b i l i t yo n m a r k e t u s i n gt h es y s t e mi t c a l la c h i e v et h e m a n a g e m e n tw i t hs c i e n t i s ta n dm o d e r n i z a t i o nf o rp e t r o l e u m s e l l t h r o u g hu s i n gi cc a r d r e p l a c ec a s ha n d o i l t i c k e t a n dl i n kw i t l lg r e a s e rt h a tc o n t r o l l e db y c o m p u t e r , w e c a nb u i l da n a u t o s a l e - o i l s y s t e m b a s e do ni cc a r dt h a t i n t e g r a t e t h e m a n a g e m e n to fg a s s t a t i o n i n f o r m a t i o na n d c o m p a n y s a f t e rd i s c u s s e st h et y p i c a lf i e l d b u ss i m p l y , i ti n t r o d u c e st h el o n w o r k sf i e l d b u sa n dt h e d e s i g no f i n t e l l e c t u a l i z e dc o n t r o l sb a s e do nn e u r o n c h i p ，a n dt h e nw e b u i l dac o n t r o ls y s t e m o nt h eb a s eo fc o n t r o ls y s t e m , w eu s et h em f _ s ( m a n u f a e t u r i n ge x e c u t i o ns y s t e m ) a n d e r p ( e n t e r p r i s er e s o u r c e sp l a n n i n g ) t oc o n t r o la n dm a n a g et h es y s t e m ，b u i l d as y s t e m i n t e g r a t eo f m a n a g e m e n ta n d c o n t r o lb a s e do ni cc a r d t h e g a ss t a t i o n b a s e do i ln e t - s y s t e mi sd i s t r i b u t e ds t r u c t u r e t tc a ns e l lo f fs i n g l eo rm a n y g a ss t a t i o n sl i n kw i t hm a n a g ec o m p u t e rt h a tb u i l das y s t e m t h ep e t r o l e u mc o m p a n yh a s m a n yg a ss t a t i o nc a nb u i l dt h e i ro w n s e l l - o i ls y s t e mb a s e do nc i t y e v e r yg r e a s e rh a sa ni c c a r dr e a d e r , s ot h ed r i v e rc a np a yf o rt h eo 订w i t hi cc a r d a n dt h em e a s u r e d e p a r t m e n tc a n e x a m i n es o m em e a s u r e p a r a m e t e r sa n d t h ep r e c i s i o n o f g r e a s e r f o rt h eu s e r s ，t h e yc a nb u y o i l f a c i l i t ya te v e r yg a ss t a t i o nt h a tl i n k e dw i t he a c ho t h e r l i k et h i s ，i tc a nf o r mac h a n g e l e s s c o n s u m e r , a t t h es a m e t i m e ；e l i m i n a t et h et r o u b l eo fg i v i n gc h a n g e a f t e rt h eg a ss t a t i o na n d t h ep e t r o l e u mc o m p a n yu s e dt h es y s t e mi n t e g r a t eo f m a n a g e m e n ta n dc o n t r o l ，i tc a ne n h a n c e t h em a n a g e m e n t ；s e et h ew o r ks t a t u so f e v e r y s t a t i o ni nt i m e t h e ni tc a ng a t h e rt h es y s t e m s d a t at h r o u g hn e t ，a n dp r o v i d ei n f o r m a t i o ni ne f f e c tf o rs c i e n t i f i ca n a l y s i s a l lt h a tc a n p r o v i d e e x a c td a t af o r m a n a g e m e n t a n dm a k et h es y s t e me f f i c i e n t l y i i z 西安建筑科技大学硕士论文 k e y w o r d s ：f i e l d b u s ，m a n u f a c t u r i n g e x e c u t i o ns y s t e m ，e n t e r p r i s er e s o u r c e sp l a n n i n g , l o n w o r k st e c h n o l o g y , t h ei n t e g r a t i o no fm a n a g e m e n t a n dc o n t r o l ，n e u r o n c h i p t h e s i s ：a p p l i c a t i o nf u n d a m e n t i i i 声明 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下 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，也不包含本人或其他人在其它单位已 申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同志 对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了致谢。 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。 论文作者签名：强琴 日期：洲j 力 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论 文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文 被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以 采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者签名：强箨 注：请将此页附在论文首页。 导师签名：藤急吼 两安建筑科技大学硕士论文 1 论文背景及研究任务 本章首先将主要介绍一下课题的来源，然后分别介绍论文研究的主要任务、工作和 研究的方法等。 1 ，1 课题来源及研究任务 九十年代以来，各类机动车辆的数量急剧增加，为汽车或摩托车提供加油及其他服 务的加油站的数量也不断增加。但是一般加油站的管理目前都还处于相对原始的阶段， 一方面处理速度较慢，弊病很多，与用户的要求和时代的趋势不尽相同。另一方面，对 加油站或石油公司自身而言，也无法迅速获得经营状况数据，以实现有效的和量化的经 营决策。 为提高加油站的技术水平，提高油品销售管理水平和经济效益，实现油品销售的科 学化和管理的现代化，提高加油站在市场竞争中的实力，现在越来越多的单位希望推出 i c 卡加油站管理系统。其要点是使用i c 卡代替油票和现金，与电脑加油机联机，建成 集加油控制，税控管理，油站信息管理，公司信息管理于一体的i c 卡自动售油系统。 目前在国外，持卡加油已经较为普及，而在国内由于i c 卡的应用日益广泛，于是 i c 卡加油站系统也将应运而生。近两年随着国家金卡工程的实旌，i c 卡加油站系统将 在沿海等经济发达地区陆续投入使用，通过i c 卡加油系统的实施，将取得明显的社会 效益和经济效益。 目前国内加油站系统大多数采用加油机机械计数、加油量手工统计的方法，这使汽 车服务公司的各加油站的用油量、各车用油量的统计、管理工作非常繁琐、费时，麻烦 且易出错。通过加油站管理系统可以为汽车服务公司建立用油量的合理库存，加强用油、 耗油管理，降低意外油耗，减少汽车服务公司大量的统计等繁琐工作，可以大大提高工 作效率，有效利用入力、物力。本系统功能如下： 1 由读卡器读入卡号等数据，输入加油量，开启油阀；加油完毕，自动关闭加油 阀，整个过程全部由计算机控制自动完成。 2 完成加油量数据的采集、整理、分析与制表打印。 3 对日、周、月等总用油量进行统计。 4 显示库存油量。 5 进行各种违章操作的记录与打印。 6 有自动与手动加油的切换功能。使用本系统可改善加油站的控制、管理，节约 大量的人工处理数据时间，降低了损耗。 第1 页 西安建筑科技大学硕士论文 应委托单位( 西安高科卫光有限责任公司) 的要求，要求将其在市区内的几个互相 独立的，相互之间有一定距离的加油站联网构成一个整体的加油站系统。对加油站的控 制系统和管理系统，具体要求如下： 将市内几个加油站进行联网运营，实现持卡加油。 联网售油，通过出售储值卡，可以使用户持卡在所有联网的加油站内实现自 动刷卡、加油。 集中管理，通过上层管理系统可以随时了解目前各个加油站的运营情况( 包括每 天的销售量、销售额，油罐的储油量等) 。 给持卡客户完成加油后，打印提货单、回单、发票( 普通发票或增值税发票) 。 根据上面介绍的情况，本论文研究的主要内容为：使用现场总线来控制系统的底层， 实现加油站系统的尉卡、自动加油；研究和使用制造执行系统( 鞲a n u f a c t u r i n ge x e c u t i o n s y s t e m ，m e s ) 与企业资源规划( e n t e r p r i s er e s o u r c e sp l a n n i n g 。e r p ) ，通过m e s 连 接上层的计划层和下层的控制层，负责生产管理和调度执行，运用e r p 来监督、规划整 个系统的运行，实现系统的管控体化目标。 1 2 加油站系统介绍 本节将概括性地介绍一下i c 卡加油站系统的构造、系统模型和总体构成等。 1 2 1 系统的构造 从系统结构来看，整个系统从上到下分为三层：企业管理层( 计划层) 、系统管理 层( 执行层) 、控制执行层，系统的集成模型如图l 一1 所示。 1 企业管理层它是利用计算机网络技术把各个部门、各个加油站的网络联通， 以传送它们之间的信息，从而进行多方面的综合管理。 管理层通过e r p 来控制整个加油系统。e r p 是企业资源计划系统( e n t e r p r i s e r e s o u r c ep l a n n i n g ) 的英文缩写，是为了适应当前知识经济时代特征顾客、竞争、 变化，整合了企业内部和外部的所有资源，使用信息技术，建立起来的面向供应链的管 理工具( 具有供应商和客户管理) 。建立以顾客和员工为核心的管理理念。借助信息技术， 使企业的大量基础数据共享，以信息代替库存，最大限度地降低库存成本和风险，并借 助计算机，对这些基础数据进行查询和统计分析，提高决策的速度和准确率，体现了事 先预测与计划，事中控制，事后统计与分析的管理思想。因此，e r p 系统能够更有效地 提高人力资源、时间资源等的使用效率解决了信息泛滥问题提高了决策的准确率。 图l 一1 所示为系统的集成模型。 第2 页 西安建筑科技大学硕士论文 层 层 层 图1 1 系统集成模型 2 系统管理层 由计算机、打印机等构成。使用v i s u a lb a s i c6 0 和s o ls e r v e r 数据库，实现过 程状态管理和监测、数据采集、质量管理、设备管理等。该层通过计算机网络与企业管 理层进行数据通讯，向上层发布系统状态数据，为企业的决策提供依据，并接受企业上 层的指令等，向下通过l o n w o r k s 现场总线与控制层进行数据通讯。对系统工作过程进 行监控，以及对控制层下发指令等，以实现集中监控和管理。 每个加油站可以是一个单独的系统，多个加油站通过以太网构成一个大的加油系 统。通过具有m e s ( 制造执行系统) 功能的系统来控制和管理每个加油站。m e s 的关键 是强调整个生产过程的优化，它需要收集生产过程中大量的实时数据。m e n 将现场实 时收集的资料，以及监督控制的状况都立即存入数据库中，不但有最新的状况也有长期 储存的历史资料，利用数据库强大的查询、分析、报表功能，使得传统人工方式无法达 到的管理功能得以在m e s 中实现，亦使现场管理达到j u s m nt i m e ( j i t ) 的境界。m e s 与计划层和控制层保持双向通信能力，从上下两层接收相应数据并反馈处理结果和生产 指令。把系统的计划和进度安排、追踪、监视和控制、物料流动、质量管理和设备的控 制等一体化去考虑，以最终实旌系统的自动化战略。 3 控制执行层 该层由l o n w o r k s 现场总线和基于n e u r o n 芯片的智能控制器操作终端组成，实 现开关量控制、设备运行状况显示、设备故障显示等。系统选用l o n w o r k s 现场总线， 使用基于n e u r o n 芯片开发的智能终端控制器来控制加油机，每个加油站内，一个控制 器控制一个加油机，构成一级控制网( l o n 网) 。每次加油时，客户先刷卡，通过读卡 器，卡的帐号等信息由控制器通过l o n 网传送到上位机，上位机调用数据库中相应卡 的信息，先检查卡的有效性。如果是无效卡，则在上位机和控制器上同时显示卡无效， 第3 页 两安建筑科技大学硕士论文 禁止加油；如果卡有效，上位机上显示持卡人的姓名和卡上的余额，控制器上则显示油 料型号和单价及用户余额，这样用户就能够输入所要加油的加油量( 或者加油金额) ， 经确认后控制器开始检查输入信息的有效性，如果加油量没有超过最大允许加油量即可 开始加油。加油完毕后，控制器将数据信息力油量传送给上位机，上位机显示加油 结果，数据库及时更新，加油过程即结束。图l 一2 所示为系统的结构示意图。 阜回蝴站窜 以太网 ill 嗍坳嗍肆恸。油肆 l o n 网f i r 图1 2 系统结构示意图 1 2 2 系统的具体功能 1 本加油站底层控制系统能够完成的主要功能是： 预收持卡客户加油费用，并打印收款发票。 给使用i c 卡和现金的客户完成加油，并打印提货单、回单、发票。 处理黑名单( 包括挂失单) 。操作员打开计算机( 或p o s ) ，首先向数据库管理 中心签到并申请黑名单，记录在计算机( 或p o s ) 。进行每笔i c 卡交易前，系统就要查 询黑名单，如果不在黑名单上，系统将继续交易，否则，系统将设定i c 卡上的状态标 志，将卡冻结。 记录操作员行为，将交易记录数据发送至管理中心。操作员在结束工作( 换班或 第4 页 西安建筑科技大学硕士论文 下班) 对都需要将操作员卡插入读写设备，还可能根据要求将这一阶段交易记录发送给 管理中心。 更新油料产品价格。 查询加油i c 卡内数据等信息。 2 本加油站系统执行层能完成的主要功能是： m e s 是近1 0 年来迅速发展的、面向车间层的生产管理技术与实时信息系统。它是实 现管理敏捷化的快速途径，是实施企业敏捷控制战略、实施车间级管理快速化的基本技 术手段。它的功能包括加油站系统内的资源分配、过程管理、质量控制、维护管理、数 据采集、性能分析及物料管理等。本系统就是充分采用该软件的思想，运用具有m e s 功 能的软件来采集相关的数据信息，监测所有设备状态，汇总控制系统的记录和存储信息， 并根据上层计划对控制层进行管理，并在此基础上进行数据统计和分析，以实现系统管 理的快速化。 3 加油站系统的计划层可以实现的功能是： 强调企业的计划性，它以客户订单和市场需求为计划源头，充分利用企业内的各种 资源，降低库存，提高企业效益。 1 2 - 3 系统的特点 1 功能描述： i c 卡加油站系统的功能主要是发行加油i c 卡、预收加油费用、完成客户加油、实 现加油站与数据库管理中心的资金结算。这些功能分别由数据库管理中心和加油站完 成。司机客户向管理中心申请，获得加油i c 卡并预交一定费用，然后在各联网加油站 加油消费，再由管理中，t l , 为各加油站点给持卡人提供的加油服务支付所有费用。加油站 系统的上层管理负责处理各类油料的进出、统计油料的库存、用户资料的增减和更新、 收集控制层的各类数据、向计划层传送有效信息和执行计划层的命令等功能。系统的计 划层通过其下层勃，行层的信息可以了解目前整个系统的运营情况，管理者可以随对 掌握整个系统的工作情况、目前状况，从而可以规划将来要进行的工作，为整个系统的 良好运行作出长远的决策等。 2 系统特点： 司机持一张加油卡，即可在各联网加油站实现无现金加油。 由于数据库应用为独立方式，加油站在系统运行中是无法修改数据库内容的。而 在系统停止运行时，系统已将有关交易数据传送至管理中心，修改本地数据库是没有任 何作用的。即使各加油站恶意修改交易记录，管理中心也可以通过回单进行稽查。 加油站系统i c 卡方案能够提高加油站管理水平，并在便利广大司机的同时，使 第5 页 西安建筑科技大学硕士论文 加油公司获得更好的经济效益。 加油卡为加油站带来的下列好处： a 投资回收快 b 吸引大量储蓄存款 c 提高加油站的竞争力 d 改善加油站服务水准 对于没有微机的加油站可直接采用p o s ( 如s t a r t - - 5 9 0 ) ，而无须打印机、i c 卡读 写器和m o d e m 等。 1 3 论文安排 根据工作的重心和整体的安排，论文将以控制层为主，重点说明基于n e u r o n 芯片 的智能控制器的开发，加油站l o n 网控制系统的构造和功能的实现等问题：使用较少 的篇幅说明执行层，执行层主要实现数据采集和命令传送等功能；对于管理层，本论文 只是简要介绍下e r p 的发展和现状! 第6 页 西安建筑科技大学硕士论文 2 基于n e u r o n 芯片的加油控制器模块的设计 在l o n w o r k s 网络设计中，硬件设计、软件设计和网络设计是三个完全独立的过程。 也就是说，节点功能的设计和编程可以不是具体针对菜一个特定的网络，可以用于所有 需要具有与它功能相同的节点的网络。这是l o n w o r k s 技术的一个突出特点。这些特点 便有利于节点设计的标准化和模块化，使得节点的设计具有广泛的适应性。本章重点介 绍节点的硬件设计和节点软件设计等。 2 1 l o n 网络控制技术 l o n w o r k s 控制网络是当前较为流行的现场总线之一，它是由美国e c h e l o n 公司推 出并与m o t o r o l a 、t o s h i b a 公司共同倡导，于1 9 9 2 年正式公布而形成的。其网络芯片 n e u r o n 芯片集成了i s o o s i 的全部七层协议，同时具有通信和控制功能，提供了3 4 种 常见的i o 控制对象，工作温度范围为一4 0 8 5 c 。 l o n w o r k s 控制网络的信号传输介质可为双绞线、电力线、无线、红外线和光缆等； 支持总线型、环型、自由拓扑型等网络拓扑形式：网络收发器有直接驱动、e i a 一4 8 5 型、 变压器耦合接口三种形式，满足了不同情况的要求。同时传输信号采用差分曼彻斯特编 码，使网络具有很强的抗干扰能力。在采用双绞线、波特率为7 8 k b p s 的通信网时，其 直接通信距离可达到2 7 0 0 米；加上功能强大的硬件支持，使其很容易在一定的空间范 围内构成功能繁多的系统。 l o n w o r k s 控制网络的介质存取控制( m a c ) 采用了可预测p 坚持c g m a 算法 ( p r e d i c t i v ep _ p e r s i s t e n tc s m a ) ，使得在网络超载时仍能保持很高的信息吞吐量。 网络结构可以采用主从式或对等式。具有配套的节点、路由器、网关等设备的开发、 调试和安装，集成化的开发环境使得系统的开发调试简单易行，可实现网络的离线、在 线设计、在线谪试或通过i p 网的远程调试。 l o n w o r k s 控制网络的网络通信采用了面向对象的设计方法，应用编程时不用花时 间考虑通信部分的繁琐编程；而且它具有集成化的开发环境，易于开发、安装和调试； 开放式的系统设计易于实现网络的扩展和丹级。 l o n 网络控制技术囊括了设计、调度以及支持智能分布控制系统的所有要素。特别 要指出的是l o n 网络控制技术还包括各种开发、服务工具和成品组件。 2 1 。1n e u r o n 芯片的基本功能 对于l o n 网上的每个控制点，我们称之为l o n 节点或l o n w o r k s 智能设备，它包括 第7 页 职安建筑科技大学硕士论文 一片n e u r o n 芯片、传感和控制设备、收发器( 用于建立n e u r o n 芯片与传输之间的物理 连接) 和电源。图2 1 示意的是一种典型的l o n 节点的方框图。 网 络 图2 一l 典型节点方框图 由图2 一l 可以看出，n e u r o n 芯片是节点的核心部分，它包括一套完整的通信协议( 即 l o n t a l k 协议) ，从而确保节点间使用可靠的通信标准进行互操作。因为n e u r o n 芯片可 直接与它所脓视的传感器和控制设备连接，所以一个n e u r o n 芯片可以传输传感器或控 制设备的状态，执行控制算法，和其它n e u r o n 芯片进行数据交换等。使用n e u r o n 芯片， 开发人员可集中精力设计并开发出更好的应用对象而无需耗费太多的时间去设计通信 协议、通信的软件和硬件或系统操作，这样可减少开发的工作量，从而节省大量的开发 时间。 n e u r o n 芯片在大多数l o n 节点中是一个独立的处理器。如果节点需要具备更强的信 号处理能力或i o 通道，n e u r o n 芯片还可以用于与其它处理器进行通信，共同构成所需 的节点。 2 1 2 基于n e u r o n 芯片的节点 l o n w o r k s 应用包括智能设备，即控制网络的节点。网上节点之间使用l o n t a l k 协议 互相通信。l o n 节点有两种类型。如图2 2 所示。在图2 2 ( a ) 的节点中，n e u r o n 芯片 是唯一的处理器，充当l o n 网的节点。适合于i o 设备较简单，处理任务不复杂的系统， 我们称之为基于n e u r o n 芯片的节点( n e u r o nc h i p h o s t e d ) 。图2 - 2 ( b ) 的节点中，n e u r o n 芯片只作为通信处理器，充当着l o n 网的网络接口，节点应用程序由主处理器来执行， 这类节点适合于对处理能力、输入输出能力要求较高的系统，我们称之为基于主机的 节点( h o s t - b a s e d ) 。主处理器可以是微控制器、p c 机等。 无论那种类型的节点都有一片n e u r o n 芯片用于通信和控制、一个i 0 节点用于连接 - - n 多个i 0 设备，另外还有一个收发器负责将节点连接上网。节点的具体工作由节点 中的应用程序以及配置信息来定义。 第8 页 西安建筑科技大学硕士论文 ( a b ) 络 图2 - 2l o n 节点 ( a ) n e u r o nc h i p h o s t e d 节点( b ) h o s t b a s e d 节点的存储器映象由三个主要部分组成：系统映象、应用映象以及网络映象。这些 映象是用户定义的，而且可以在不同的时间有不同的用户定义。如应用映象和系统映象 可以由节点开发人员定义，而网络映象可以由网络安装人员来定义。 系统映象包括芯片固件：执行l o n t a l k 协议、n e u r o ncr u n t i m e 函数库以及任务 调度程序。系统映象可以进一步扩大为定制的系统映象。 应用映象包括节点的应用程序，它定义了节点将响应的事件以及响应事件后应采取 的行动。节点的一部分存储区装载有应用程序代码。 网络映象定义的是网上节点之间的相互关系，并为每个节点在网上分配有唯一的一 个特定区域。网络映象由一特殊节点即网络管理器使用安装命令来创建。网络管理器通 常并不参与l o n 网的实际操作，它主要用于网络的安装和维护。 2 2n e t l r o r l 芯片 本节将主要介绍一下n e u r o n 芯片的硬件结构和其工作方式。n e u r o n 芯片家族中最 初的成员是n e u r o n3 1 2 0 x x 和3 1 5 0 芯片。3 1 2 0 x x 芯片中包括r a m 、e 2 p r o m 和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，寻址空问可达6 4 k b ， 可用于开发更为复杂的应用系统。拥有外部存储器接口使得系统开发人员能够使用6 4 k b 寻址空间中的4 2 k b 空阔作为程序存储区。因为3 1 5 0 芯片不具有内部r o m ，所以通信协 议等固件皆由开发工具携带，并与应用程序代码一道写入外部存储器中。 n e u r o n 芯片都有1 1 条i 0 引脚用于直接连接诸如发动机、制动阀、显示器、a d 转换器、压力感应器、温度感应器、开关、中继器、速率表以及其它的微处理器、调制 解调器等。通过网络通信端口与某些通信子系统相连，实现分布式控制系统中各节点之 第9 页 雠 黼 藿l罱塞 雠 惴 馨i 一 间信息的相互传送以及自动控制处理等。 2 2 1n e u r o n 芯片内部总体结构 图2 - 3n e u r o n 芯片方框图 n e u r o n 芯片构成方框图见图2 3 ，其引脚配置见图2 4 。表2 - 1 叙述了芯片的个弓 脚功能。 譬鲁尸堇昌昌善要兰篙譬苫器昌告 图2 43 1 5 0 芯片引脚配置图 第1 0 页 讯 c n c 挖 c n c m 坼 v 越 v i i c l x l c 【k 2 v d d v 啦 v 缸 v 珏 虻 s 琢y i e e 小m mm曲盯幡五博船蛇h 西安建筑科技大学硕士论文 表2 - 13 1 5 0 芯片引脚功能 符号i o功能3 1 5 0 引脚数 c l k l 输入连接振荡器或外部钟输入 2 4 c l k 2输出连接振荡器 i o 内有上拉 r e s e t复位引脚( 低有效)2 3 电阻 i o 内有可编服务引脚，工作期间指示灯 s e r v i c e6 程上拉电阻输出 普通i 0 端口，大电流吸收 i o o 1 0 3i 02 ，3 ，4 ，5 能力( 2 0 a d i ) 普通i o 端口，1 0 4 1 0 7 可 用作定时器计数器1 的输 i o 内有可编 1 0 4 1 0 7入( 1 0 0 为输出) ，1 0 4 可用i o ，1 1 ，1 2 ，1 3 程上拉电阻 作定时器计数器2 的输入 ( 1 0 0 为输出) 普通i o 端口，可与其它设 1 0 8 1 0 1 0i o1 4 ，1 5 ，1 6 备实现串行通信 d 0 d 7i o存储器数据总线4 3 ，4 2 ，3 8 ，3 7 ，3 6 ，3 5 ，3 4 ，3 3 r w 输出外存读写控制输出端口4 5 ， e 输出外存控制输出端口 4 6 4 7 ，5 0 ，5 l ，5 2 ，5 3 ，5 4 ，5 5 ，5 6 a 1 5 a 9 输出地址输出端口 5 7 ，5 8 ，5 9 。6 0 ，6 1 ，6 2 ，6 3 ，6 4 电源输入( 5 v ) ，在外面多有 y d d输入2 0 ，2 2 ，2 6 ，4 0 ，4 1 ，4 4 ，7 的v d d 引脚必须连在一起 电源输入( o r ，接地) ，在外 v s s输入1 9 ，2 1 ，2 5 ，3 9 ，8 ，9 面所有的v s s 必须连在一起 网络通信接双向端口，通过指定工作方 c p o c p 42 8 ，2 9 ，3 0 ，3 1 ，3 2 口式支持通信协议 n cn 无内部连接，引脚悬空1 ，1 8 ，2 7 ，4 8 ，4 9 第1 l 页 西安建筑科技大学硕士论文 2 2 2n e u r o n 芯片的c p u 结构 n e u r o n 芯片有三个c p u ，每个c p u 各自分工不同，见图2 - 5 。c p u l 是介质访问控 制处理器，处理l o n t a l k 协议的第1 层和第2 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 一2 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 一2 是网络处理器，它实现l o n t a l k 协议的第3 层到第6 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。物理地发送和接收数据包。该处理器用共享存储区中的网 络缓存区与c p u t 通信，用应用缓存区与c p u 一3 通信。c p u 一3 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。在多数应用中，使用的编程语言是 n e u r o nc 。 每个c p u 都有各自的寄存器设置，但是三个c p u 都可共享数据、地址a l u 以及存储 区访问电路。每个c p u 最小周期等于三个系统时钟周期；每个系统时钟周期等于两个输 入时钟周期，三个c p u 的最小周期分别间隔一个系统时钟周期，这样，每个c p u 在一个 指令周期内都能访问存储区和a l u 一次。系统对三个c p u 采用了管道技术，在不影响性 能的情况下降低硬件的要求，三个c p u 可并行工作，不会造成耗时中断和上下文交换。 图2 - 5 处理器结构及存储区分配 2 2 3n e u r o n 芯片的存储器配置 下图所示为n e u r o n 芯片的内部存储区配置分配情况： 1 内部存储器的类型有以下各种： 1 ) 2 艘。_ m 所有的n e u r o n 芯片内部至少都有5 1 2 个字节的酽朋0 九存储器，它用于存储 网络配置以及网络寻址信息 n e u r o n 芯片的i d 码( 4 8 位) 一制造商写入 用户写入的应用代码和只读数据 第j 2 页 砖安建筑科技人学硕士论文 1 硒保留用于存艇区 跌象r ，0 2s x 曝留 o5 肺庐p r o m a 匝融x 电髓户可健用空闸 1 0 dh e 甚片 匿件( i o l i ) 存放 图2 - 63 1 5 0 芯片的存储空间分配 2 ) r a m 3 1 5 0 芯片上有2 0 4 8 个字节的r a m ，它的用途是： 作栈分区，以及存储应用和系统的数据 用作l o n t a l k 协议的网络和应用缓存器 即使在休眠方式下，只要不掉电，r a m 的状态一直保持。当节点复位是，r a m 内容 被清除。 2 3 1 5 0 芯片上没有r o m ，但是它允许寻址的外接存储区空间高达5 9 3 9 2 个字节。 它主要用于： 存储应用程序和数据( 4 3 0 0 8 个字节) 存储n e u r o n 芯片的固件和预留区( 1 6 3 8 4 个字节) 用于存储应用程序和数据的4 3 0 0 8 个字节空间也可用作l o n t a l k 协议需要额外添 加的网络缓存器和应用缓存器 外接存储器空间可由r a m 、r o m 、p r o m 、e p r o m 、e 2 p r o m 或闪存组合占用，以2 5 6 字节递增。 1 ) 3 5 1 0 芯片外部存储器接口 3 1 5 0 芯片的外接存储器总线有8 根双向数据线，1 6 根地址线和2 根由n e u r o n 芯 片驱动的控制输出线。表2 2 列出的是3 1 5 0 芯片的外部存储器接口引脚。 表2 23 1 5 0 芯片的外部存储器接口引脚 引脚方向功能 a o a 1 5 输出地址引脚 d o d 7 输入输出数据引脚 e 输出使能钟信号 r w 输出读写选择 第1 3 页 ti上土-叫 f 0 f 0 f 0 f 0 f o暮|!|m!|!|嘲；|m髓!|瑚瑚j|枷锄咖 西安建筑科技大学硕士论文 使能钟信号( - - e ) 的周期是系统钟周期，即输入时钟周期的二分之一，当数据在 n e u r o n 芯片和外部存储器间传输时，使能电平低。三个c p u 的任一个都可在指令周期的 合适时期访问所有的存储器( 外部和内部) 。由于三个c p u 的指令周期互相偏离一个系 统周期，所以某时只有一个c p u 访问存储器。 2 ) 3 1 5 0 芯片与外部存储器接口设计时应注意的问题 设计n e u r o n 芯片与各类存储器的接口时，应考虑以下几方面的问题： i 重要的时间参数 对外接的存储器至少有五个时间参数应作为重点参数，在设计外存与外存总线接 口时必须考虑。 读访问时间( t a c c ) ：从地址线输入有效到数据输出有效之间的延时： t a c c ，m a x ， t c y c - - t a d ，m a x - - t d s r ，r a i n 读o e 时间( t 0 e ) ：从o e 输入有效到数据输出有效之间的延时： t 0 e ，m a x p w e l ，m i n - - t d s r ，m i n - - t o e d e c o d e ，m s x 读c e 时间( t c e ) ：从c e 输入有效到数据输出有效之间的延时： t c e ，m a x t c y c t a d ，m a x - - t d s r ，m i n - - t c e d e c o d e ，m a x 写数据建立时间( t d s ) ： t d s ，m a x p w e l ，m i n t d d w ，m a x + t 瓶d e c o d e ，m i n 写数据保持时间( t d h ) ： t d h ，i x t d 唧，m i n - t 髓d e c o d e ，m a x 不等式左边的时间是外存的时间参数，不等式右边是3 1 5 0 芯片的时间参数，并附 加有外部解码延时。t o e d e c o d e 解码延时实际测的是从e 的下降沿到0 e 的下降沿的这 段时间；i c e d e c o d e 解码延时实际测的是a o “1 5 地址总线处于稳定开始至c e 的下降 沿的这段时间；t w e d e c o d e 解码延时是从c e 的上升沿到w e 的上升沿的这段时间。通常 来说，要使外存的上述五个定时参数能满足要求是极其困难的。但即便如此，对候选外 存的其它定时参数仍需要检查，如地址建立( 准备) 时间，地址保持时间，输出非使能 时间和读数据保持时间。 i i 欠压复位电路 为了保护3 1 5 0 芯片内部的e 2 p r o m 的完整性，设计时必须有一欠压复位电路。对 该欠压电路的要求如下： 能保证在任何时间一旦供给3 1 5 0 芯片的+ 5 v 电源低于欠压电路的门限，即产 生低有效复位信号。 必须使集电极开路输出低有效复位信号。由于3 1 5 0 芯片在内部发生软件复位或 第1 4 页 西安建筑科技大学硕士论文 超时复位时也会产生低有效复位信号，所以要求欠压复位电路集电极丌路或漏极开路输 出。 当v d d 低到1 5 v 时，欠压复位电路必须可靠地维持低有效复位信号的输出。 2 2 ，4n e u r o n 芯片网络通信端口 n e u r o n 芯片拥有一多功能的通信端口，它有5 个引脚可以配置与多种传输媒介接口 ( 网络收发器) 相连接，且可以实现较宽范围的传输速率。它有三种工作方式，分别是 单端、差分以及专用工作方式。表2 3 是与每种工作方式对应的引脚定义。图2 7 给出 了内部收发器方框图。 表2 3 引脚定义 引脚单端工作方式差分工作方式专用工作方式 c p 0数据入+ 数据入r x 入 c p l 数据出数据入t x 出 c p 2发送使能+ 数据出比特钟输出 c p 3休眠输出，低有效数据出休眠出或唤醒输入 c p 4 冲突检测输入，低有效冲突检测输入帧时钟输出 图2 7 内部收发器方框图 对单端、差分工作方式使用差分曼切斯特编码。差分曼切斯特编码所提供的数据格 式使得数据可在多种媒介中传送。此外，差分曼切斯特编码对信号的极性不敏感，所以 第1 5 页 西安建筑科技大学硕士论文 通信链路中的极性变化不会影响数据的接收。 i 单端工作方式 单端工作方式是最常使用的工作方式，用于实现收发器与多种传输媒介的连接，例 如构成自由拓扑结构的双绞线、射频、红外、光纤以及同轴电缆网络。 数据入 数据出 发送使能输出 休眠输出( 关电) 冲突检测输入 图2 8 单端工作方式通信端口配置图 图2 - 8 绘出的是单端工作方式时通信端日的配置。数据通信实际发生在c p o 以及c p l 引脚的单端入出缓存器中。c p 3 引脚在n e u r o n 芯片进入休眠状态是输出低电平，收发 器依次切断有源电路的电源。c p 4 是冲突检测输入，当硬件冲突检测电路检测到信道上 有冲突时，通过