基于AT89C2051單片機(jī)的VCN－MIO智能節(jié)點(diǎn)模板電路設(shè)計(jì)

朱 靜

(淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，江蘇 淮安 223003)

0 引言

基于具有三個(gè)CPU且固化了LonTalk通信協(xié)議的神經(jīng)元(Neuron)芯片的智能節(jié)點(diǎn)模板，由于Neuron芯片是八位處理器，而且只提供了11個(gè)通用I/O口，并采用了基于事件巡檢的軟件調(diào)度機(jī)制，故其控制功能相對(duì)較弱，使它無(wú)法完成實(shí)時(shí)性高的多進(jìn)程、多任務(wù)的并行處理，不能滿足采集量和控制量要求較多的多現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備管控的高要求，且性價(jià)比較低。要滿足這種高要求，就要減少Neuron芯片在外部事件上的開(kāi)銷，讓其充分發(fā)揮它在通訊組網(wǎng)上的優(yōu)越性，能使現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間快速地交換信息，滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控的要求。而對(duì)于提高網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的測(cè)控能力，必須另?yè)耖T(mén)路。嵌入控制功能強(qiáng)、物美價(jià)廉的單片機(jī)，專門(mén)完成多節(jié)點(diǎn)的智能測(cè)控，構(gòu)成一種基于AT89C2051單片機(jī)的VCN－MIO(多I/O)智能節(jié)點(diǎn)模板，不失為一種上乘選擇。

1 VCN－MIO智能節(jié)點(diǎn)模板的總體設(shè)計(jì)

VCN－MIO智能節(jié)點(diǎn)模板，以包含Neuron芯片在內(nèi)的TP/FT－10F閃控模塊和AT89C2051單片機(jī)為核心，采用標(biāo)準(zhǔn)的控制網(wǎng)絡(luò)協(xié)議LonTalk，實(shí)現(xiàn)了真正的對(duì)等層點(diǎn)到點(diǎn)通信的分布式控制網(wǎng)絡(luò)。其總體設(shè)計(jì)如圖1所示。圖中，A為8路AI、6路DO;B為網(wǎng)絡(luò)、直流電壓與交流源接口;C、D、E分別為擴(kuò)充模塊的I/O端口，其功能由擴(kuò)充I/O模塊定義，可以根據(jù)工程實(shí)際需求靈活配置。

圖1 VCN－MIO智能節(jié)點(diǎn)模板總體設(shè)計(jì)

2 TP/FT－10F主控核心模塊電路設(shè)計(jì)

主控制模塊提供了一種簡(jiǎn)單、有效的方法，將LonWorks技術(shù)運(yùn)用到任何控制系統(tǒng)中。本設(shè)計(jì)控制模塊存儲(chǔ)器采用FLASH EPROM，它能夠在掉電的情況下保證數(shù)據(jù)不丟失，同時(shí)在上電的情況下還能夠?qū)λM(jìn)行可反復(fù)擦寫(xiě)1000次的數(shù)據(jù)寫(xiě)操作，在 FLASH EPROM 中，ATMEL公 司 的AT89C512與MC143150的時(shí)序配合最為合適，存儲(chǔ)空間以64K為首選。收發(fā)器選用FTT－10A，它在未加電時(shí)呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，不會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)通信。FTT－10A與神經(jīng)元芯片3150的接口電路如圖2所示。

圖2 FTT－10A與神經(jīng)元芯片3150的接口電路

圖2中，Cl是靜態(tài)放電電容，在需要的情況下，要盡可能耐高壓，電容值偏小，如1000pF;C2是供電電源的解耦電容，通常選用0.1uF/5V解耦電容;C3、C4為DC模塊電容，取值為22uF/50V;二極管為電容暫態(tài)限幅，保證收發(fā)器靜態(tài)放電安全可靠，建議使用 IN4148或 BAV99。圖3所示控制模塊的左側(cè)18插腳分別與神經(jīng)元芯片的11個(gè)I/O、RESET、SERVICE、電源及接地引腳等直接相連，右側(cè)6個(gè)插腳與圖2的Net1、Net2直接相連。

圖3 TP/FT－10F控制模塊結(jié)構(gòu)圖

3 VCN－MIO底板與擴(kuò)展模塊的電路設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)AT89C2051與神經(jīng)元芯片MC143150的接口電路設(shè)計(jì)

底板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)用來(lái)排列核心模塊和擴(kuò)展模塊，并給各個(gè)擴(kuò)展模塊提供電源，同時(shí)底板又是一個(gè)8路AI/6路DO的基礎(chǔ)板。核心模塊和擴(kuò)展模塊、核心模塊與底座的通信即神經(jīng)元芯片與單片機(jī)AT89C2051芯片通信采用的是SPI方式，如圖4所示，由于神經(jīng)元芯片的IO口不多，故選用串行方式。SPI接口是一種同步全雙工串行外圍接口，突出優(yōu)點(diǎn)是在使用最少的微控制器引腳的前提下，實(shí)現(xiàn)相對(duì)高速的短程通信。神經(jīng)元芯片提供Neurowire對(duì)象實(shí)現(xiàn)SPI方式通信，IO8、IO9、IO10分別是同步時(shí)鐘、數(shù)據(jù)輸出、輸入;IO0－IO7中任意一個(gè)可作為片選。

圖4 單片機(jī)AT89C2051與神經(jīng)元芯片MC143150的接口電路

3.2 輸入輸出接口電路設(shè)計(jì)

數(shù)字量輸出模塊采用達(dá)林頓陣列ULN2003，集電極開(kāi)路輸出，最大電壓50V，最大吸收峰值電流500mA，最大壓降1.2V。但ULN2003芯片功耗為:PD=(最大結(jié)溫－工作溫度)/73。當(dāng)最大結(jié)溫取150℃，工作溫度取40℃時(shí)，PD=1.5W，建議不要超過(guò)1W。由于每塊達(dá)林頓陣列ULN2003用了5路，即每路0.2W，當(dāng)平均壓降取1V時(shí)，每路額定吸收電流則僅為200mA。輸入可采用干觸點(diǎn)輸入或者電壓輸入。為了簡(jiǎn)化電路和電源，采用二極管隔離方式。干觸點(diǎn)接通時(shí)要求接觸電阻不大于500Ω，響應(yīng)時(shí)間可達(dá)2ms，通過(guò)觸點(diǎn)的電流不大于1mA;干觸點(diǎn)斷開(kāi)時(shí)，觸點(diǎn)的電壓不大于5V，要求觸點(diǎn)斷開(kāi)電阻不小于30KΩ。電壓輸入，高電平+3V～+30V，低電平0～+1V，脈沖響應(yīng)時(shí)間可達(dá)2ms。數(shù)字量輸入輸出接口電路如圖5所示。

圖5 數(shù)字量輸入輸出接口電路

模擬信號(hào)部分電路相對(duì)復(fù)雜，針對(duì)交流輸入和直流輸入分別設(shè)計(jì)了不同的檢測(cè)濾波電路。圖6為模擬信號(hào)采集電路，適用于直流電壓、電流信號(hào)輸入，可通過(guò)軟件調(diào)整量程。AD7705是AD公司出品的適用于低頻測(cè)量?jī)x器的AD轉(zhuǎn)換器。它能將從傳感器接收到的很弱的輸入信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號(hào)輸出，而無(wú)需外部?jī)x表放大器。采用Σ－Δ的ADC，實(shí)現(xiàn)16位無(wú)誤碼的良好性能，片內(nèi)可編程放大器可設(shè)置輸入信號(hào)增益。

圖6 模擬信號(hào)采集電路

圖7為模擬量輸出電路，DAC7513是低功耗、單信道、12位緩沖電壓輸出D/A轉(zhuǎn)換器(DAC)。芯片內(nèi)含精密輸出放大器，使(rail－to－rail)軌對(duì)軌輸出成為可能。它采用通用三線串行接口，操作時(shí)鐘頻率高達(dá) 30MHz，與標(biāo)準(zhǔn)接口兼容。DAC7513集成了上電復(fù)位電路，上電時(shí)輸出電壓為0V，包含掉電特性，在結(jié)束串口訪問(wèn)后，電流消耗可降為200nA(5V)。DAC7513的功耗為0.5mW(5V)，掉電模式均降為1μW。

圖7 模擬量輸出電路

4 節(jié)點(diǎn)故障診斷和抗干擾設(shè)計(jì)

4.1 故障診斷策略流程

在節(jié)點(diǎn)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，故障的出現(xiàn)是不可避免的。在出現(xiàn)故障后能迅速的診斷故障所在，并且及時(shí)地進(jìn)行修正，是每個(gè)開(kāi)發(fā)人員面臨的共同任務(wù)。而在故障的診斷中，具有一個(gè)好的策略流程，能有效的指導(dǎo)開(kāi)發(fā)人員有順序有邏輯的進(jìn)行故障定位。圖8是一個(gè)基本完整的策略流程圖。

圖8 節(jié)點(diǎn)故障診斷流程

4.2 電磁抗干擾設(shè)計(jì)

對(duì)于系統(tǒng)板上的數(shù)字芯片，由于3150運(yùn)行的工作頻率大概為10MHz，工作頻率高，高速跳變電流會(huì)產(chǎn)生較大的阻抗噪聲。為了抑制這種噪聲的影響，需要在芯片的電源引腳和接地引腳之間添加去耦電容，以通過(guò)電容的充放電來(lái)穩(wěn)定電流量;在信號(hào)傳輸頻率高的地方，盡量使用小的解耦電容。在電路板規(guī)劃的時(shí)候，采用四層電路板設(shè)計(jì)方案，可以減少電磁干擾;在電路板布線時(shí)，應(yīng)盡量縮短存儲(chǔ)芯片的數(shù)據(jù)線、地址線及控制線的走線距離，以減少對(duì)地電容;要保持多條地址線之間走線距離的一致性，否則各線會(huì)因走線距離不同而造成較大的阻抗差異，使到達(dá)終端的地址信號(hào)波形相差過(guò)大，最終導(dǎo)致控制信息失效。此外，數(shù)字芯片的未用輸入端不應(yīng)處于浮空狀態(tài)，而應(yīng)將其接入高電平，以防止電磁干擾竄入開(kāi)路的輸入端，引起邏輯電路的誤動(dòng)作。

4.3 靜態(tài)放電(ESD)影響處理

ESD是在電子應(yīng)用中經(jīng)常遇到的問(wèn)題。減少ESD帶來(lái)的影響通常有兩種解決的辦法。首先，把敏感設(shè)備用電磁套包裝起來(lái)，使ESD不能到達(dá)敏感設(shè)備。接地可以為各電路的工作提供基準(zhǔn)電位，但同時(shí)也為不同電路的噪聲信號(hào)提供了一條耦合途徑。由于本系統(tǒng)板上既具有模擬通信接口、A/D轉(zhuǎn)換等模擬電路，也具有存儲(chǔ)系統(tǒng)等數(shù)字電路，因而采取了模擬、數(shù)字電路單元內(nèi)部分別接模擬地和數(shù)字地，最后再將兩條地線接至一點(diǎn)的措施。這樣便在最大程度上降低了兩種電路間地線的公共阻抗，減少了兩種電路間噪聲信號(hào)的互擾。

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了基于AT89C2051單片機(jī)的VCNMIO智能節(jié)點(diǎn)模板電路，單片機(jī)作為主處理器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集處理部分的工作，而Neuron芯片專門(mén)負(fù)責(zé)通信功能。這樣處理的最大好處是提高了數(shù)據(jù)處理的能力，提升了節(jié)點(diǎn)的性能。現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)主要是數(shù)字量和模擬量?jī)煞N，故針對(duì)每種信號(hào)的特點(diǎn)分別設(shè)計(jì)了輸入輸出電路，值得強(qiáng)調(diào)的是VCN－MIO這種節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)安排，即一個(gè)核心控制模塊配帶一些擴(kuò)展模塊，端口的數(shù)量和形式可以靈活配置。目前已開(kāi)發(fā)出具有44路I/O節(jié)點(diǎn)的高性能智能模板。實(shí)驗(yàn)表明，該多I/O智能節(jié)點(diǎn)模板的智能節(jié)點(diǎn)數(shù)大大增多;通信、控制調(diào)度、實(shí)時(shí)性、可靠性大大增強(qiáng);性價(jià)比大大提高;能夠滿足目前現(xiàn)代工業(yè)過(guò)程控制領(lǐng)域復(fù)雜測(cè)控系統(tǒng)的高要求。

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