基于Host Based架構(gòu)模式的LON總線協(xié)議轉(zhuǎn)換控制器

楊 帥，王 超，成建生

（1. 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，淮安 223003；2.江蘇電子產(chǎn)品裝備制造工程技術(shù)研究開(kāi)發(fā)中心，淮安 223003）

基于Host Based架構(gòu)模式的LON總線協(xié)議轉(zhuǎn)換控制器

楊 帥1,2，王 超1,2，成建生1,2

（1. 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，淮安 223003；2.江蘇電子產(chǎn)品裝備制造工程技術(shù)研究開(kāi)發(fā)中心，淮安 223003）

0 引言

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)發(fā)展至今，憑借其優(yōu)越的開(kāi)放性、互換性、分布式等優(yōu)越特性逐漸被越來(lái)越多的用戶接受，但是相對(duì)集散控制來(lái)說(shuō)，應(yīng)用領(lǐng)域還是比較狹窄。在目前集散控制還是主流控制的背景下，提高現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用范圍的有效措施就是現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)與集散控制技術(shù)融合，兩者取長(zhǎng)補(bǔ)短，增強(qiáng)系統(tǒng)的控制性能，為控制網(wǎng)絡(luò)提供更大的靈活性?，F(xiàn)場(chǎng)總線控制和集散控制是兩種異域技術(shù)。一般情況下兩者是不能互操作的，解決這一瓶頸的有效方法要使總線系統(tǒng)具有協(xié)議轉(zhuǎn)換功能，實(shí)現(xiàn)了與集散控制系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合，因此提出了一種基于LonTalk標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議和Modbus標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議轉(zhuǎn)換功能的LON總線協(xié)議轉(zhuǎn)換控制器。

1 LonTalk標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議與Modbus標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議

LON技術(shù)是一種致力于綠色節(jié)能和智能管理的總線控制網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，支持LonTalk標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。LonTalk協(xié)議所采用的算法是優(yōu)先級(jí)帶預(yù)測(cè)的P-堅(jiān)持CSMA（載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)），該協(xié)議能夠預(yù)測(cè)LON總線網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，輕載時(shí)給網(wǎng)上節(jié)點(diǎn)分配數(shù)目較少的隨機(jī)時(shí)隙以減少節(jié)點(diǎn)媒介訪問(wèn)延時(shí)；重載時(shí)給網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點(diǎn)分配的較多數(shù)目的隨機(jī)時(shí)隙以減少各節(jié)點(diǎn)因同時(shí)發(fā)送消息帶來(lái)的沖突，從而實(shí)現(xiàn)了隨機(jī)時(shí)隙數(shù)目以概率P值的動(dòng)態(tài)的調(diào)整。為提高緊急事件的響應(yīng)時(shí)間，提供一個(gè)可選擇優(yōu)先級(jí)的機(jī)制，在發(fā)送過(guò)程中優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)報(bào)文將在時(shí)間片里將報(bào)文發(fā)送出去，加入優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)具有更快的響應(yīng)時(shí)間[1]。Modbus協(xié)議是應(yīng)用于集散控制網(wǎng)絡(luò)上的一種通信規(guī)約，支持傳統(tǒng)的RS232、RS485。通過(guò)該協(xié)議控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)與其他設(shè)備之間都可以通信，它已經(jīng)成為主流的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)之一，符合Modbus協(xié)議的不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行集中監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)LonTalk協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)與Modbus協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議轉(zhuǎn)換，現(xiàn)實(shí)意義巨大。

2 LON總線協(xié)議轉(zhuǎn)換控制器的的原理模型

為了實(shí)現(xiàn)LON總線協(xié)議轉(zhuǎn)換控制器的LonTalk協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)與Modbus協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換，控制器采用Host Base設(shè)計(jì)框架，兩處理器（即神經(jīng)元芯片3150和單片機(jī)AT89C55）之間數(shù)據(jù)交換的方法，這種設(shè)計(jì)架構(gòu)模式使LON總線協(xié)議轉(zhuǎn)換控制器信息處理速度快，開(kāi)發(fā)成本較低，性?xún)r(jià)比較高。神經(jīng)元芯片3150是一種專(zhuān)門(mén)為設(shè)備提供智能和網(wǎng)絡(luò)控制能力的集成芯片，由于神經(jīng)元芯片將復(fù)雜的通信過(guò)程簡(jiǎn)化為網(wǎng)絡(luò)變量和捆綁和連接，為充分發(fā)揮其優(yōu)異的通信特性，將其定位從機(jī)角色，只承擔(dān)信息通信任務(wù)。AT89C55一款片內(nèi)具有20KFlash存儲(chǔ)器、存儲(chǔ)空間大，適合數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理，將其定位主機(jī)角色，承擔(dān)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理。為了提高LON總線協(xié)議轉(zhuǎn)換控制器的數(shù)據(jù)處理速度，3150和AT89C55之間采用Slave A模式并行接口進(jìn)行連接，LON總線協(xié)議轉(zhuǎn)換控制器的原理模型如圖1所示。AT89C55通過(guò)MAX485/MAX232芯片接收和發(fā)送Modbus標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議數(shù)據(jù)報(bào)文；3150通過(guò)FTT-10A收發(fā)器接收和發(fā)送LonTalk標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議數(shù)據(jù)報(bào)文；Modbus標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議數(shù)據(jù)報(bào)文和LonTalk標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議數(shù)據(jù)報(bào)文通過(guò)Slave A模式的并行接口實(shí)現(xiàn)相互轉(zhuǎn)換。AT89C55除了協(xié)議轉(zhuǎn)換功能外，還擔(dān)負(fù)著現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)采集和信號(hào)輸出的功能。

3 LON總線協(xié)議轉(zhuǎn)換控制器的的硬件設(shè)計(jì)

圖1 LON總線協(xié)議轉(zhuǎn)換控制器的的原理模型

圖2 總線控制器Slave A模式并行接口電路原理圖

神經(jīng)元芯片3150與單片機(jī)AT89C55之間的Slave A模式并行接口原理電路如圖2所示，Slave A模式并行接口由8根雙向數(shù)據(jù)總線IO0～I(xiàn)O7、1根片選信號(hào)～CS、1根握手信號(hào)HS、1根讀寫(xiě)控制信號(hào)R/～W構(gòu)成，支持最高速率3.3M[3]，極大提高數(shù)據(jù)報(bào)文處理的實(shí)時(shí)性。神經(jīng)元芯片3150的IO0～I(xiàn)O7管腳依次與單片機(jī)AT89C55的P00～P07管腳相連形成數(shù)據(jù)總線，3150的IO8管腳與AT89C55的P12管腳相連形成片選信號(hào)線，3150的IO9管腳與AT89C55的P11管腳相連形成讀寫(xiě)控制線，3150的IO10管腳與AT89C55的P10管腳相連形成握手控制線。3150與AT89C55兩處理器之間在基于虛擬令牌乒乓式傳遞機(jī)制下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)報(bào)文的交換，有效解決了數(shù)據(jù)總線頻繁占用、數(shù)據(jù)阻塞的瓶頸弊端[4]。3150與AT89C55之間互相傳遞虛擬令牌，擁有令牌的處理器具有寫(xiě)數(shù)據(jù)報(bào)文的主動(dòng)權(quán)。當(dāng)片選信號(hào)線～CS為低電平時(shí)，讀寫(xiě)操作由R/～W控制信號(hào)線決定，當(dāng)R/～W為低電平時(shí)，AT89C55占有令牌，當(dāng)R/～W 為高電平時(shí)，3150占有令牌。握手信號(hào)HS為高電平時(shí)，3150處于忙狀態(tài)，握手信號(hào)HS為低電平時(shí)，3150處于空閑狀態(tài)。當(dāng)AT89C55檢測(cè)握手信號(hào)線HS為低電平時(shí)，在～CS信號(hào)的下降沿將數(shù)據(jù)寫(xiě)入數(shù)據(jù)總線。Modbus標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議設(shè)備是采用的是標(biāo)準(zhǔn)EIA電平，單片機(jī)AT89C55采用的是標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平，實(shí)現(xiàn)AT89C55與Modbus協(xié)議設(shè)備的數(shù)據(jù)報(bào)文相互傳遞，采用MAX232和MAX485進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，從而形成1路RS232接口和1路RS485接口，通過(guò)多路開(kāi)關(guān)SW來(lái)決定RS232接口有效還是RS485接口有效。AT89C55的P14、P15、RXD、TXD管腳依次與MAX232芯片的R2OUT、T2IN、R1OUT、T1IN管腳相連，AT89C55的P13、RXD、TXD管腳依次與MAX485芯片的～RE和DE、R0、DI管腳相連，如圖3所示。

圖3 總線控制器232/485接口的電路原理圖

4 LON總線協(xié)議轉(zhuǎn)換控制器的的軟件設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)LON總線協(xié)議轉(zhuǎn)換控制器主機(jī)AT89C55數(shù)據(jù)報(bào)文的采集接受和輸出發(fā)送，AT89C55通過(guò)UART串行中斷接收和發(fā)送Modbus協(xié)議設(shè)備的數(shù)據(jù)報(bào)文，通過(guò)定時(shí)中斷采集現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)和輸出信號(hào)，并將采集和接收到的數(shù)據(jù)報(bào)文暫存自己的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。AT89C55與Modbus協(xié)議設(shè)備的通信數(shù)據(jù)是成幀成包發(fā)送的。每包數(shù)據(jù)都有同步碼、控制碼、地址碼、報(bào)文內(nèi)容、校驗(yàn)碼、結(jié)束碼等部分組成。Modbus協(xié)議數(shù)據(jù)報(bào)文格式如下所示：

同步碼 控制碼 地址碼 報(bào)文內(nèi)容 校驗(yàn)碼 結(jié)束碼

實(shí)現(xiàn)LON總線協(xié)議轉(zhuǎn)換控制器主機(jī)AT89C55與從機(jī)3150的數(shù)據(jù)交換，采用虛擬令牌乒乓式傳輸，LON總線協(xié)議轉(zhuǎn)換控制器上電復(fù)位后，AT89C55發(fā)送同步值，3150讀取后向AT89C55發(fā)送應(yīng)答同步，當(dāng)AT89C55和3150同步后，兩處理器開(kāi)始交換數(shù)據(jù)報(bào)文，AT89C55置低R/～W信號(hào)線占有令牌，通過(guò)置低～CS信號(hào)線選通3150并時(shí)刻監(jiān)聽(tīng)從機(jī)3150的閑忙狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)到信號(hào)線HS為低電平，即3150處于空閑狀態(tài)，AT89C55立即將Modbus協(xié)議設(shè)備發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)報(bào)文寫(xiě)到Slave A模式并行接口的數(shù)據(jù)總線上，同時(shí)置高R/～W信號(hào)線交出虛擬令牌給3150，然后置高～CS信號(hào)線（同時(shí)迫使HS信號(hào)線也置高）開(kāi)始讀取Slave A模式并行接口數(shù)據(jù)總線。當(dāng)3150占有虛擬令牌后，3150輪巡檢測(cè)When( nv_update_occurs(輸入網(wǎng)絡(luò)變量 ))語(yǔ)句，當(dāng)輸入網(wǎng)絡(luò)變量的值被更新時(shí)，通過(guò)io-out（ ）函數(shù)將數(shù)據(jù)報(bào)文發(fā)送到Slave A模式并行接口數(shù)據(jù)總線上，同時(shí)交出虛擬令牌，然后置低HS信號(hào)線，并通過(guò)任務(wù)驅(qū)動(dòng)語(yǔ)句When()和io_in( )函數(shù)讀取AT89C55發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)報(bào)文，由Neuron C語(yǔ)言設(shè)計(jì)的調(diào)度程序?qū)?bào)文數(shù)據(jù)賦值給輸出網(wǎng)絡(luò)變量，并通過(guò)3150內(nèi)部固化的LonTalk協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層、MAC層將類(lèi)型、源地址、目標(biāo)地址、變量名、變量?jī)?nèi)容等消息層層打包[5,6]，將打包后的數(shù)據(jù)幀發(fā)送給LON網(wǎng)絡(luò)總線上的LonTalk協(xié)議目標(biāo)設(shè)備，LonTalk協(xié)議數(shù)據(jù)幀的格式如下：

同步碼 域ID 地址碼 配置表 網(wǎng)絡(luò)變量消息 校驗(yàn)碼

圖4 虛擬令牌乒乓式傳輸機(jī)制流程圖

網(wǎng)絡(luò)變量消息的代碼第一字節(jié)的第1位是1，表明該消息是網(wǎng)絡(luò)變量；第2位表明該消息是輸入網(wǎng)絡(luò)變量還是輸出網(wǎng)絡(luò)變量（0為輸入，1為輸出），3～8位是網(wǎng)絡(luò)變量選擇器的高有效位；網(wǎng)絡(luò)變量消息的代碼第二字節(jié)是網(wǎng)絡(luò)變量選擇器的低有效位；余下的字節(jié)是網(wǎng)絡(luò)變量的值；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)變量修改消息發(fā)送后，如果LON總線網(wǎng)絡(luò)的其它LonTalk標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議接收設(shè)備有一個(gè)輸入網(wǎng)絡(luò)變量的選擇器的值與發(fā)送消息中的選擇器的值相同，那么接收設(shè)備上對(duì)應(yīng)的輸入網(wǎng)絡(luò)變量修改事件發(fā)生，輸入網(wǎng)絡(luò)變量的值修改為發(fā)送網(wǎng)絡(luò)變量消息的值，實(shí)現(xiàn)LON總線協(xié)議轉(zhuǎn)換控制器與其它LonTalk標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議設(shè)備的通信。LON總線協(xié)議轉(zhuǎn)換控制器中3150固化的LonTalk協(xié)議能夠自動(dòng)完成虛擬令牌乒乓式傳輸機(jī)制，采用Neuron C語(yǔ)言將3150的IO口聲明為Slave A并行接口：IO_0 parallel slave io_object_name；虛擬令牌的傳遞依靠事件io_out_ready（）和io_out_request（）完成，io_out_ready（）為真時(shí)，3150交出令牌，io_out_request（）為真時(shí)，3150擁有令牌。AT89C55不能自動(dòng)完成虛擬令牌傳遞，需要用C語(yǔ)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(xiě)、令牌傳遞過(guò)程，傳送的數(shù)據(jù)要遵從一定的格式，傳送的數(shù)據(jù)要遵從一定的格式[7,8]。3150與AT89C55的令牌傳遞完整軟件流程如圖4所示。

5 實(shí)驗(yàn)

利用LonMaker組網(wǎng)工具把LON總線協(xié)議轉(zhuǎn)換控制器添加到LON網(wǎng)絡(luò)上，通過(guò)LNS DDE SERVER或NL-OPC Server工具訪問(wèn)LON網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)LON總線協(xié)議轉(zhuǎn)換控制器的網(wǎng)絡(luò)集成，修改LON總線協(xié)議轉(zhuǎn)換控制器的網(wǎng)絡(luò)變量數(shù)值，該控制器通過(guò)232/485端口輸出數(shù)據(jù)，Modbus設(shè)備通過(guò)232/485端口返回?cái)?shù)據(jù)，LON總線協(xié)議轉(zhuǎn)換控制器接收到數(shù)據(jù)報(bào)文后，進(jìn)行LRC校驗(yàn)，然后解析，通過(guò)LonMaker軟件監(jiān)測(cè)返回的數(shù)據(jù)報(bào)文。

6 結(jié)論

通過(guò)LonMaker監(jiān)測(cè)到的返回?cái)?shù)據(jù)正確，當(dāng)每秒要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)報(bào)文達(dá)500～1000包時(shí)，網(wǎng)絡(luò)碰撞率穩(wěn)定在10%，LON總線協(xié)議轉(zhuǎn)換控制器性能良好。基于LonTalk協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)與Modbus協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換功能的LON總線協(xié)議轉(zhuǎn)換控制器是推進(jìn)了企業(yè)網(wǎng)絡(luò)一體化建設(shè)進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)控制、生產(chǎn)監(jiān)控層、生產(chǎn)管理層和生產(chǎn)決策層相互貫通，構(gòu)建了一種分散控制、集中企業(yè)體系，這種體系模式是降低現(xiàn)代企業(yè)生產(chǎn)和運(yùn)營(yíng)成本的同時(shí)又能使管理者高效監(jiān)管企業(yè)生產(chǎn)和運(yùn)營(yíng)。

[1]楊帥.基于虛擬令牌傳輸協(xié)議的LonWorks監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].低壓電器.2010,(14):45-48.

[2]馮艷娜.基于Lonworks 總線的網(wǎng)關(guān)工具的設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化.2008,(5):139-141.

[3]楊帥.基于Slave_B并行傳輸模式的雙絞線LON節(jié)點(diǎn)[J].儀表技術(shù)與傳感器.2011,(5):48-50.

[4]田敏.一種采用Slave_B傳輸模式的LonWorks電力線節(jié)點(diǎn)[J].自動(dòng)化儀表.2011,31(12):13-15.

[5]成建生.基于電力線通信模式的LON控制器的設(shè)計(jì)[J].電測(cè)與儀表.2011,48(4):86-89.

[6]楊帥.采用LonWorks電力載波技術(shù)的控制器[J].低壓電器.2011,(13):41-44.

[7]楊帥.基于LonWorks總線的全分布式瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)[J].工礦自動(dòng)化.2012,38(11):84-87.

[8]成建生.采用并行接口模式的LonWorks監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].礦山機(jī)械.2010,38(12):62-65.

The LON bus controller based on conversion function of lonTalk protocol and modbus protocol

YANG Shuai1,2, WANG Chao1,2, CHENG Jian-sheng1,2

為了使LON現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和集散控制技術(shù)有機(jī)結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種Host Based架構(gòu)模式LON總線協(xié)議轉(zhuǎn)換控制器。采用單片機(jī)AT89C55和神經(jīng)元芯片3150分別作為L(zhǎng)ON總線協(xié)議轉(zhuǎn)換控制器的主從處理器，通過(guò)建立的Slave A模式并行接口實(shí)現(xiàn)了虛擬令牌乒乓式傳遞機(jī)制下的數(shù)據(jù)報(bào)文的傳遞。LON總線協(xié)議轉(zhuǎn)換控制器實(shí)現(xiàn)了LonTalk標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議和Modbus標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議之間的數(shù)據(jù)報(bào)文的相互轉(zhuǎn)換。實(shí)驗(yàn)表明：LON總線協(xié)議轉(zhuǎn)換控制器性能良好。

LonTalk協(xié)議；Modbus協(xié)議；協(xié)議轉(zhuǎn)換；Slave_A接口；虛擬令牌傳遞

楊帥（1981 -），男，工程師，碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化與控制技術(shù)。

TP393.04

A

1009-0134(2014)06(上)-0116-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2014.06(上).34

2014-01-25

2012年淮安市科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（SN12052）；2013年淮安市創(chuàng)新載體平臺(tái)建設(shè)計(jì)劃項(xiàng)目（HAP201313）