一種采用Slave_B傳輸模式的LonWorks電力線節(jié)點(diǎn)

田 敏 楊 帥，2 薛 嵐，2

(淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系1，江蘇 淮安 223003;江蘇電子產(chǎn)品裝備制造工程技術(shù)研究開發(fā)中心2，江蘇 淮安 223003)

0 引言

LonWorks技術(shù)是一種能夠在電力線信道上進(jìn)行通信的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控平臺，但傳統(tǒng)的基于神經(jīng)元芯片型式的Lon-Works節(jié)點(diǎn)不能滿足系統(tǒng)日益復(fù)雜的控制要求。基于主機(jī)型式的節(jié)點(diǎn)克服了軟件調(diào)度采用基于事件巡檢機(jī)制的弊端，能夠讓節(jié)點(diǎn)完成實(shí)時(shí)性高的多進(jìn)程、多任務(wù)并行處理，節(jié)點(diǎn)中的數(shù)據(jù)傳輸采用Slave_B并行接口傳輸模式，提高了數(shù)據(jù)的處理速率，增強(qiáng)了節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)性。

1 LonWorks技術(shù)

LonWorks是一種在多信道可靠工作的現(xiàn)場總線技術(shù)，是一種雙向、串行、數(shù)字化的智能開放式系統(tǒng)，它為各種各樣的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供了端到端的解決方案［1］。神經(jīng)元芯片和電力線收發(fā)器是LonWorks技術(shù)在電力信道上通信的核心技術(shù)。

神經(jīng)元芯片是一種集通信、控制、調(diào)度和I/O支持為一體，并內(nèi)嵌LonTalk七層協(xié)議的高級大規(guī)模集成器件。神經(jīng)元芯片內(nèi)部集成有3個(gè)8位流水線作業(yè)的CPU:①介質(zhì)訪問控制CPU，負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)通信子系統(tǒng)硬件和執(zhí)行MAC算法;②網(wǎng)絡(luò)CPU，分管處理網(wǎng)絡(luò)變量尋址事務(wù)、權(quán)限證實(shí)、背景診斷，軟件計(jì)時(shí)器、網(wǎng)絡(luò)管理和路由、控制網(wǎng)絡(luò)通信端口，發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包;③應(yīng)用CPU，具體執(zhí)行用戶使用Neuron C語言編寫的代碼以及用戶代碼調(diào)用的操作系統(tǒng)命令［2］。

LonWorks電力線收發(fā)器采用先進(jìn)的雙載波頻率的數(shù)字信號處理手段，通過數(shù)字信號處理器完成數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，能夠根據(jù)電力線的噪聲動(dòng)態(tài)調(diào)整靈敏度。LonWorks電力線收發(fā)器通信采用雙頻傳輸模式，當(dāng)主頻率通信受阻時(shí)可自動(dòng)切換備用頻率繼續(xù)通信。通信報(bào)文采用糾錯(cuò)技術(shù)，根據(jù)糾錯(cuò)碼恢復(fù)錯(cuò)誤報(bào)文。

2 電力線節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)

2.1 Slave_B并行傳輸模式的接口

在基于Slave_B傳輸模式的LonWorks節(jié)點(diǎn)中，神經(jīng)元芯片MC143150是通信處理任務(wù)的從機(jī)，作為主機(jī)的微處理器AT89S51承擔(dān)現(xiàn)場底層的應(yīng)用控制任務(wù)。AT89S51內(nèi)集成了中央處理器和Flash存儲單元，為許多控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價(jià)比的解決方案。MC143150具有11個(gè)I/O管腳，可以配置成34種對象［3］，支持外部存儲器，可擴(kuò)大芯片的內(nèi)部資源，適合復(fù)雜的應(yīng)用場合。Slave_B并行傳輸模式的LonWorks節(jié)點(diǎn)硬件連接圖如圖1所示。

圖1 Slave_B并行接口硬件圖Fig.1 Hardware of parallel Slave_B interface

從機(jī)MC143150相對于主機(jī)AT89S51是一個(gè)內(nèi)存映像的 I/O 設(shè)備。主機(jī) AT89S51 通過 P2.5、P2.6、P2.7控制譯碼電路74LS138選通片選位 IO8，激活從機(jī)MC143150;通過WR位控制從機(jī)讀寫控制位IO9;IO10為地址輸入位，由主機(jī)AT89S51驅(qū)動(dòng);IO0～I(xiàn)O7作為數(shù)據(jù)總線與P0.0～P0.7相連，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場底層數(shù)據(jù)與總線數(shù)據(jù)的交換，74LS373鎖存器實(shí)現(xiàn)IO0的復(fù)用。當(dāng)IO10輸入為0時(shí)，IO0為數(shù)據(jù)位;當(dāng)IO10的輸入為1時(shí)，IO0為握手控制位，由從機(jī)MC143150驅(qū)動(dòng)。為防止主機(jī)AT89S51從握手控制位讀到無效的信息，通過一個(gè)10 kΩ的上拉電阻將該位置高［4］。這種復(fù)用模式允許神經(jīng)元芯片駐留在微處理器的總線上，數(shù)據(jù)位位于一個(gè)地址，握手控制位位于另一個(gè)地址。因此，主機(jī)AT89S51只要訪問不同的地址就能決定IO0是數(shù)據(jù)位還是握手控制位。

AT89S51與MC143150的復(fù)位低電壓由IMP809芯片提供，滿足AT89S51與MC143150正常數(shù)據(jù)通信時(shí)同步復(fù)位的要求，同時(shí)IMP809芯片也為節(jié)點(diǎn)提供低電壓監(jiān)控功能。

2.2 Slave_B并行傳輸機(jī)制

為避免主機(jī)AT89S51與從機(jī)MC143150產(chǎn)生數(shù)據(jù)沖突的問題，提出了一種利用虛擬令牌的傳輸機(jī)制。主機(jī)通過讀寫控制位WR決定兩處理器擁有虛擬令牌的權(quán)利，擁有令牌的一方能夠?qū)?shù)據(jù)寫入總線。當(dāng)讀寫控制位WR為低電平時(shí)，AT89S51擁有令牌，它有權(quán)將準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)發(fā)送給MC143150或?qū)⒘钆平唤oMC143150;當(dāng)讀寫控制位WR為高電平時(shí)，MC143150擁有令牌，它將準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)發(fā)送給AT89S51或交出令牌，因而令牌在AT89S51與TMPN3150之間以乒乓方式來回傳遞［5］。

主機(jī)AT89S51每次對從機(jī)MC143150進(jìn)行操作之前必須激活片選位，根據(jù)握手控制位判斷MC143150的閑忙狀態(tài)。若握手控制位為低電平，MC143150為空閑狀態(tài)，則AT89S51可以訪問MC143150;若握手控制位為高電平，MC143150為忙狀態(tài)，則表明MC143150正在訪問總線。MC143150在Slave_B并行接口得到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)變量將信息發(fā)送到LonWorks網(wǎng)絡(luò)上，然后LonTalk協(xié)議透明地將修改后的值構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)變量消息并將消息傳遞到網(wǎng)絡(luò)層，網(wǎng)絡(luò)層將地址信息附加到消息中后傳遞到MAC層［6］，MAC層再附加上更多的信息到網(wǎng)絡(luò)變量消息中，并將消息傳遞到通道上能與之共享該網(wǎng)絡(luò)變量數(shù)據(jù)的其他控制器。

2.3 Slave_B模式并行接口數(shù)據(jù)通信

MC143150固化的LonTalk協(xié)議能夠自動(dòng)完成虛擬令牌傳輸機(jī)制，除了同步操作外，MC143150的應(yīng)用程序都是透明的。用Neuron C語言將MC143150的I/O口聲明為Slave_B并行接口:IO_0 parallel slave－b ioobject_name［7］;利用任務(wù)調(diào)度程序、io_in_ready()、io_out_request()和io_out_ready()事件、io_in()和 io_out()函數(shù)實(shí)現(xiàn)從機(jī)的同步、握手、數(shù)據(jù)讀寫、令牌傳遞的過程。AT89S51不能自動(dòng)完成虛擬令牌傳遞，需要用C語言編制虛擬令牌傳遞協(xié)議，包括主機(jī)的同步、握手、數(shù)據(jù)讀寫、令牌傳遞過程。

節(jié)點(diǎn)復(fù)位后，主機(jī)與從機(jī)自動(dòng)建立握手協(xié)議，令牌被主機(jī)AT89S51擁有。當(dāng)握手控制位IO0為低電平時(shí)，AT89S51向從機(jī)MC143150發(fā)送同步命令，并向MC143150傳遞令牌。MC143150在握手控制位IO0為高電平時(shí)向AT89S51發(fā)送應(yīng)答同步命令，并將令牌傳給主機(jī)。再次擁有令牌的AT89S51決定是否向MC143150發(fā)送數(shù)據(jù)。

如果發(fā)送數(shù)據(jù)，則令牌自動(dòng)傳遞給MC143150;如果不發(fā)送數(shù)據(jù)，需要發(fā)送傳遞令牌命令才能將令牌傳遞給MC143150。每次片選位由低到高的跳變都會(huì)導(dǎo)致握手控制位IO0變高。在握手控制位IO0和片選位IO8均為低時(shí)，AT89S51向MC143150發(fā)送數(shù)據(jù)，如果無數(shù)據(jù)發(fā)送則傳遞空命令，并導(dǎo)致握手控制位IO0自動(dòng)變?yōu)楦唠娖?，之后AT89S51可以讀數(shù)據(jù)，讀取數(shù)據(jù)可導(dǎo)致握手控制位IO0自動(dòng)變?yōu)榈碗娖?。每次主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)都要檢測握手控制位IO0的有效狀態(tài)，只有握手控制位IO0有效時(shí)主機(jī)才可以發(fā)送數(shù)據(jù)。MC143150讀取AT89S51發(fā)送過來數(shù)據(jù)之后握手控制位IO0再次變?yōu)榈碗娖?，從機(jī)交出令牌，主機(jī)可以進(jìn)行下次通信。如果MC143150需要發(fā)送數(shù)據(jù)，則發(fā)送數(shù)據(jù)之后自動(dòng)交出令牌，否則通過空命令交出令牌。

AT89S51與MC143150的數(shù)據(jù)通信過程如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)通信過程示意圖Fig.2 Data communication process

2.4 電力耦合

LonWorks電力線節(jié)點(diǎn)采用電力線收發(fā)器PLT-22實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)信號與電力信號的耦合與傳輸。神經(jīng)元芯片MC143150與PLT-22的連接圖如圖3所示。

圖3 網(wǎng)絡(luò)接口連接圖Fig.3 Connections of the network interface

PLT-22由A/D轉(zhuǎn)換單元、DSP、D/A轉(zhuǎn)換單元、發(fā)送放大和濾波電路等構(gòu)成。CKout、CKsel1、CKsel0、CP1、CP2、CP4、Reset管腳用于和 MC143150 芯片通信。Rxin、Txout分別是耦合信號輸入和信號輸出管腳;Rxcomp用于連接接收補(bǔ)償器件。A/D對從電力線耦合來的信號進(jìn)行濾波并將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。DSP是信號處理的核心部分，它一方面將A/D處理后的數(shù)字信號進(jìn)行解碼處理，并將處理后的數(shù)據(jù)與MC143150進(jìn)行交換;另一方面，它將需要發(fā)送的信號進(jìn)行編碼處理。D/A將數(shù)字信號處理單元處理后的要發(fā)送的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，發(fā)送放大和濾波電路將D/A轉(zhuǎn)換后的信號進(jìn)行功率放大并發(fā)送到耦合電路［8］。

3 主干式LonWorks網(wǎng)絡(luò)

圖4 Slave_B模式節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig.4 Network architecture of Slave_B node

應(yīng)用Slave_B模式的節(jié)點(diǎn)采用主干式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，如圖4所示。雙絞線干網(wǎng)以1.25 Mbit/s的速率傳輸數(shù)據(jù)，電力線分支網(wǎng)以10 kbit/s的速率傳輸數(shù)據(jù)，用于通信的電力線信道具有高衰減、高噪聲的特點(diǎn)。為確保數(shù)據(jù)報(bào)文的可靠傳輸，需采用增強(qiáng)的LonTalk代理協(xié)議，在路由器中實(shí)現(xiàn)自學(xué)習(xí)報(bào)文路由功能，在節(jié)點(diǎn)的Neuron固件中實(shí)現(xiàn)報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)在LonWorks網(wǎng)絡(luò)通信中的自動(dòng)中繼。該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)子網(wǎng)中數(shù)據(jù)通信不會(huì)影響主干網(wǎng)的數(shù)據(jù)吞吐量，單個(gè)節(jié)點(diǎn)和路由器的損壞不影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)正常工作，提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性。主干式網(wǎng)絡(luò)處理整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)信息速率較快，保證了數(shù)據(jù)及時(shí)處理，可防止數(shù)據(jù)通路的阻塞，提高了網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性。

工作站內(nèi)置 LNS、LonMaker、和 LNS DDE Server，用于系統(tǒng)設(shè)計(jì)配置和后期的 HMI監(jiān)控。LNS為LonWorks總線提供開放、互操作性的平臺，用于實(shí)現(xiàn)管理、監(jiān)控、診斷和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。LonMaker基于LNS操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)邏輯安裝與配置。LNS DDE Server通過LNS網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)器和LNS網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換，監(jiān)視和控制 LonWorks網(wǎng)絡(luò)，更新網(wǎng)絡(luò)變量。iLON100設(shè)備嵌入實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，采用一個(gè)32位RISC處理器和LonWorks/IP體系結(jié)構(gòu)，是遵從EIA 852協(xié)議的LonTalk協(xié)議的IP網(wǎng)關(guān)，為LonWorks和IP局域網(wǎng)提供互訪通道。當(dāng)節(jié)點(diǎn)工作在C波段時(shí)，兩個(gè)載波頻率分別是第一載波頻率(132 kHz)和第二載波頻率(115 kHz)。在每個(gè)載波頻率上使用6 kHz的頻率帶寬。第一載波頻率具有更好的畸變糾正能力以及更強(qiáng)大的數(shù)據(jù)包分辨能力和抗噪聲能力，第二載波頻率比第一載波頻率的誤差校正能力強(qiáng)。當(dāng)工作在A波段時(shí)，第一載波頻率是86 kHz，第二載波頻率為75 kHz。兩個(gè)載波頻率被選擇時(shí)，充分考慮了由于諧波而導(dǎo)致的兩個(gè)載波同時(shí)被阻塞的情況。

4 試驗(yàn)與結(jié)論

基于Slave_B并行傳輸模式的LonWorks電力線節(jié)點(diǎn)可以輸送1 A或2 A峰-峰值到低阻抗負(fù)載，可在衰減80 dB的情況下工作。電力線通信工作在132 kHz主頻或115 kHz輔頻，以調(diào)光器為噪波源。經(jīng)測試可知，LonWorks電力線節(jié)點(diǎn)通信信息經(jīng)過－67 dB衰減而無錯(cuò)誤。

5 結(jié)束語

LonWorks電力線節(jié)點(diǎn)在現(xiàn)有的供電網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信號的傳輸，克服了電力線上高干擾、高衰減、高失真、高阻抗等弊端。這種通信載波傳輸無需額外布線，可以節(jié)省60%以上的工程費(fèi)用，改變了現(xiàn)有電力線網(wǎng)絡(luò)只用于電力傳輸?shù)默F(xiàn)狀，大大提高了電力線的利用率，因此具有顯著的實(shí)用價(jià)值。

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