摘要：工业现场大量使用的是RS-485总线、CAN总线和以太网等，它们各有自身的优势和缺陷。本文尝试使用LONWORKS网络构建工业控制网络。首先简单介绍了LonWorks网络和LON总线，给出了LonWorks网络PCI适配卡的设计思想和总体方案。然后详细介绍了系统硬件设备的设计思想和器件选型。其中，重点阐述了PCI接口芯片CH365与PCI总线的连接及工作模式的设定，微控制器与神经元芯片的连接及Slave B模式。
关键字：LONWORKS网络，神经元芯片，PCI适配卡
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1672-9129（2017）08-0008-03
Abstract：RS-485 Bus， CAN Bus， Internet and so on， are largely using in many industrial scenes， but they are all of their advantages and defects. This paper shows the attempt for industrial control network using LONWORKS network. Firstly LONWORKS network and LON Bus are simply introduced， then the design idea and overall scheme of PCI adapter card are putted forward. And the paper introduces the design idea and device selection， then focuses on the connection between PCI interface chip CH365 and PCI Bus and its working mode set， and the connection bebetween microcontroller and neuron chip and its working mode Slave B.
Keywords：LonWorks network， Neuron chip， PCI adapter card
引言
LONWORKS网络是一种面向工业生产现场的底层控制网络。无论是一般的商用个人计算机，还是工业控制计算机，都無法直接连接到LONWORKS网络。因此，需要设计一种装置，既能够处理LonTalk协议，又能够与计算机交换数据，即“LONWORKS网络适配卡”。它仍然采用神经元芯片处理LonTalk协议，通过PCI局部总线与计算机交换数据。
1 LonWorks总线介绍
LON（Local Operating Networks）总线是美国Echelon公司1991年推出的局部操作网络，为现场总线控制系统（FCS）提供了很强的实现手段。在其支持下，诞生了新一代的智能化低成本的现场测控产品。为支持LON总线，Echelon公司开发了LONWORKS控制网络技术，它为LON总线设计、成品化提供了一套完整的开发平台。目前，采用LONWORKS技术的产品广泛地应用在工业、楼宇、家庭、能源等自动化领域，LON总线也成为当前最为流行的现场总线之一。
LONWORKS使用的开放式通信协议LonTalk为设备之间交换控制状态信息建立了一个通用的标准。这样在LonTalk协议的协调下，以往那些孤立的系统和产品融为一体，形成一个网络控制系统。LonTalk协议最大的特点是对OSI的七层协议的支持，是直接面向对象的网络协议，这是以往现场总线所不支持的。具体实际就采用网络变量这一形式。网络变量使节点之间的数据传递只是通过各个网络变量的互相连接便可完成。又由于硬件芯片的支持，实现了实时性和接口的直观、简洁的现场总线的应用要求。神经元芯片（Neuron Chip）是LONWORKS技术的核心，它不仅是LON总线的通信处理器，同时也可作为采集和控制的通用处理器，LONWORKS技术中所有关于网络的操作实际上都是通过它来完成的。按照LONWORKS标准网络来定义数据结构，也可以解决和不同厂家产品的互操作性问题。LonMark是与Echelon公司无关的LONWORKS用户标准化组织，按照LONWORKS规范设计的LONWORKS产品，均可非常容易地集成在一起，用户不必为网络日后的维护和扩展费用担心。
2 硬件设计
LONWORKS网络适配卡的作用是把计算机连接到LONWORKS网络，成为LONWORKS网络的一个节点，通过LONWORKS网络与就地控制节点交换数据。因此仍然采用神经元芯片实现完整的LonTalk协议。
PCI协议的实现使用沁恒电子的PCI总线接口芯片CH365，将PCI局部总线转换成本地8位总线。由于神经元芯片不能提供足够的I/O口，故使用微控制器扩展I/O口，在CH365和神经元芯片间传递数据。CH365连接微控制器有多种方法。这里为了降低成本，简化固件编程，CH365芯片直接与单片机连接，以字节为单位交换数据。神经元芯片和微处理器之间仍然使用Slave B模式并行I/O接口。
2.1 CH365工作模式设定及其与PCI总线的连接
为了在不增加引脚的前提下提供更多可用功能，CH365对部分引脚进行复用，通过“工作模式设定”进行功能选择。“工作模式设定”的方法是：将本地端8位数据信号线D7～D0采用上拉或者下拉的方式设定为所需要的高电平或者低电平，CH365被复位后根据这些信号线的默认状态设定工作模式以及参数；而这些信号线在作为8位数据总线被驱动时，因为一般外部设备的驱动电流不小于1mA，所以上拉或者下拉不会影响其对数据总线的驱动；另外，CH365在被复位后的1μs内一次性设定工作模式及参数，所以如果外部设备的驱动能力很小或者是OC集电极开路驱动，则可以仅在复位后短时间被实现下拉，而在其余时间屏蔽下拉或者转换成上拉。
CH365内部，8位本地数据总线D7～D0带有40kΩ弱上拉电阻，如果芯片外部连接下拉电阻，则数据线为低电平，否则为高电平。
表1为设定工作模式和参数对应的数值（1表示高电平，0表示低电平）。根据需要，我们设定：這里A15仅作地址线最高位使用，故复位后使A15为0（即D0=0）；使用CH365默认的ID（即D1=1）；因为CH365不使用本地定址功能，即不使用复用引脚63的IOP_HIT功能（即D4=1）；选择复用引脚59的SYS_EX独立控制输出功能（即D3=1）。图2为CH365工作模式设定及其与PCI总线连接的电路原理图。
2.2 神经元芯片FT3120的Slave B模式
神经元芯片的并行I/O接口支持双向数据传输，速率高达3.3Mbps。神经元芯片可以与其他神经元芯片或者任意型号的微控制器、微处理器通信。
并行I/O物理接口是通过神经元芯片的11个通用I/O口实现的。需要指出的是，神经元芯片一旦使用并行I/O接口，那么就没有其他I/O资源可以使用了。除了物理接口以外，神经元芯片的固件程序还实现了“握手协议”以建立同步，防止总线冲突。Neuron C编程语言提供内建的函数帮助用户使用神经元芯片并行I/O接口，而不必详细深入地了解硬件层次的握手协议。
为了获得更大的设计灵活性，神经元芯片提供了多种并行I/O接口的操作模式：主机模式（Master）、A从机模式（Slave A）和B从机模式（Slave B）。我们在设计的时候，采用了Slave B模式。在Slave B模式下，神经元芯片受主处理器的控制，神经元芯片相当于主处理器的外部I/O器件。这一特性大大方便了神经元芯片与微处理器的接口。图3为Slave B模式下神经元芯片的引脚配置。
图中，～CS为片选线，由主处理器控制，高电平表示数据传输正在进行，负脉冲启动传输。～CS线是异步的，应尽量避免干扰。
R/～W为读写控制线，由主处理器控制，和片选线～CS配合（～CS为低电平时）共同决定数据传输方向。
HS为握手信号线，由从机控制，用于通知主处理器从机忙。高电平表示从机执行操作（读写命令或数据），低电平表示主处理器取得总线操作权。需要指出，HS的状态可以在～CS有效期间改变。
A0是Slave B模式所特有的信号线，由主处理器控制，作为数据寄存器和控制寄存器的选择线。HS是控制寄存器的最低位，剩下为保留位。因此，在Slave B模式下，主处理器必须对HS进行循检操作。
3 软件设计
LONWORKS网络适配卡中，微处理器仅实现与PCI接口芯片CH365和神经元芯片接口，完成数据传递功能。由于功能单一，因此不使用嵌入式实时操作系统，而采用前后台系统实现。在微处理器的RAM区，分配一个大小为88B的连续空间30H ～ 3BH作为上行和下行数据缓冲区。从CH365读出的数据先放在这个缓冲区，读操作结束时在统一发给神经元芯片；同样道理，通过神经元芯片获得的数据，也临时放在缓冲区，待缓冲区满再统一写入CH365。
微处理器与CH365之间的通信协议如下：从CH365读出的数据包括闸门编号、预置数据和闸门命令，它们的偏移地址及对应关系见表2；写入CH365的数据包括闸门编号、状态字、故障字，它们的偏移地址及对应关系见表3。
读或写操作的识别依靠CH365送出的两根信号线IOP_RD、IOP_WR，我们使用中断处理读或写任务。图4为中断服务程序的流程图。
4 结束语
我们制作了除PCI接口之外的硬件电路并焊接了PCB，联合使用沁恒公司提供的CH365 PCI接口测试板，用C语言编写了微控制器固件程序进行了实际测试。实践证明，与其他标准LONWORKS控制器之间，通信正常，数据包收发良好，没有发现丢包或严重的延时，达到了设计的目的。
参考文献：
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