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【摘要】本文介绍了在工业自动化领域广泛应用的,基于LON总线控制器TMPN3150,单片机P89C51RD2与PC机通过RS-232互联的串口网络通信接口适配器的设计。文中介绍了通信适配器的系统功能,详细说明了其硬件设计和软件设计。该设计方案实现了管理监控层(上位PC机)和现场生产测控层(现场LON总线网)之间的连接,充分体现了LON总线的灵活性和可扩展层。
【关键词】LON总线 TMPN3150 P89C51RD2 RS-232 适配器
【中图分类号】TD65 【文献标识码】A 【文章编号】1009-9646(2008)10(b)-0149-02
LON(Local Operation Network)总线是美国ECHELON公司推出的局部操作网络,广泛应用于控制系统中的各执行机构之间的数据通信。而实际应用中PC机与LON总线人机交互设计尤为重要,它直接影响系统的运行和结果。结合设计中P89C51RD2单片机有串行通信口且接口简单的特点,选用RS-232作为LON总线与PC机之间的连接方式。将就这基于LON控制器TMPN3150与P89C51的具有通用性的工业自动化设计的适配器的软硬件设计方案作详细介绍。
1 系统功能
该适配器利用RS-232串行通信口及LON总线进行数据通信,实现上位机与各智能节点间的通信任务,包括控制台(上位机)向下传输命令和下位机数据的返回,以完成对下层设备的监控。利用该适配器,PC机可以实现现场数据、设备状态信息的读取和现场节点参数的配置以及越限报警等功能。
2 总体设计
在单片机和LON通信的设计中采用的Host-Based结构,Host-Base结构的Lon节点包括4个部分:收发器、主处理器、从处理器(Neuron 芯片—TMPN3150)、I/O设备。其中主处理器要进行复杂的数据处理及控制功能,这样就可以解决Neruon芯片内部资源紧张的问题,从处理器主要完成通信功能,它能够将主处理器经过经过处理传过来的数据通过收发器发送到LON总线,也可以将LON总线上的消息接收到本节点。在本设计中主处理器采用PHILIP公司生产的P89C51RD2单片机。从处理器采用的是Toshiba公司生产的神经元芯片TMPN3150。而主从处理器之间的连接则通过单字节并行通信接口即FIFO并口,单字节FIFO并口则由两块74HC574和一块74HC74组成。收发器集成在LonWorks控制模块中。总体硬件结构框图如图1所示。
3 适配器的硬件设计
3.1 硬件电路的介绍
适配器由LonWorks控制模块和PHILIPS公司的P89C51RD2单片机组成。其LonWorks控制模块用来完成LonWorks现场总线的网络通信管理。 LonWorks控制模块集成了Neuron 芯片、双绞线网络收发器、程序存储器等。
利用P89C51RD2单片机内含的可编程串行通用异步收发器通道,加上RS-232驱动芯片(MAX232),就可以构成半双工RS-232串行通信接口,可以实现和MAX232的通信。
P89C51RD2单片机P0口的8条I/O线与神经元芯片进行数据交换,P3.4为写控制信号线(AWR),P3.5为读控制信号线(ARD),INT1外部中断1是读/写请求联络信号线(AINT)。其中,P0口工作在普通的I/O功能而不是用作数据线。它与神经元芯片之间通过单字节FIFO的并行接口进行交换。
3.2 工作原理
在神经元芯片这一侧,它的11个I/O口配置成并行I/O接口,其中IO0~IO7提供了数据线,IO8、IO9和IO10分别是神经元芯片一侧的写控制信号线(BWR)、读控制信号线(BRD)和读/写请求联络信号线(BINT)。
单字节的并行接口由两片74HC574和一片74HC74组成。74HC574是带三态输出控制的8D触发器,数据的输入由CLK信号的上升沿控制,数据的输出由信号的低电平选通。74HC74是带预置端和清除端的双D触发器。74HC74的D引脚接地,CLK引脚的上升沿使输出为低电平,SD引脚的低电平使输出为高电平。并行接口的两端分别接主处理器P89C51RD2和Neuron芯片。以下简称P89C51RD2为A机,Neuron芯片为B机。并行通信设计的关键是协调好双方的收发进程。
从P89C51RD2CPU向Neuron芯片发送单个字节的过程如下:
(1)通过P89C51RD2CPU的P0口把数据送入74HC574锁存器的输入端1D~8D;
(2)使P89C51RD2CPU的P3.4变高,AWR产生上升沿,数据被74HC574锁存,同时使得BINT信号变低,通知B机读取数据;
(3)B机检测到BINT后,将BRD置低,把74HC574中锁存器的数据送到BD0~BD7上,同时置高BINT,清除请求信号;
(4)B机从BD0~BD7读取到数据后,置高BRD,释放数据总线BD0~BD7;
(5)B机将BWR置高,产生上升沿,使AINT变低,通知A机可以继续发数据;
(6)A机的INT1收到AINT后,把ARD置低,使AINT变高,消除B机的请求信号;
(7)A机将ARD置高,释BD0~BD7。
重復上述过程就能实现从P89C51RD2C PU到Neuron芯片的多字节传送。从Neuron芯片发送数据到P89C51RD2CPU的过程与上面相同。
另外,上电后Neuron芯片和P89C51R D2CPU在初始化所用的时间不同,神经元芯片要有很多复位处理任务,耗时较长。为了让P89C51RD2CPU与Neuron芯片尽量同步开始工作,设计时把Neuron芯片的复位输出经74HC04取反后接到P89C51RD2CPU的复位引脚上。当Neuron芯片在运行中如果出现复位,则这种电路保证P89C51RD2CPU也进行同步的复位初始化,从而保证了节点出现意外时能可靠的工作。
4 适配器的软件设计
适配器的软件设计主要有P89C51RD2单片机部分的RS-232的通信部分、单字节FIFO并口数据传输程序和LON模块的单字节FIFO并口数据传输程序。由于RS-232部分就是简单的串口通讯,LON模块也只有数据的传输,所以适配器的软件设计核心为单字节FIFO并口数据传输程序。根据单字节FIFO并口的数据通信过程,数据传输的并行通信软件由数据发送启动程序和数据发送/接收处理程序组成。数据发送启动程序是一个子程序,由主程序调用执行;数据发送/接收程序,对P89C51RD2单片机是一个INT低电平触发的中断服务程序,对神经元芯片是一个IO10变低电平事件驱动的任务。
全局参数数据发送标志是协调整个程序进程的关键。数据发送标志由数据发送启动程序把数据发送到接口时置“1”,在数据发送/接收处理程序中收到对方的应答信号时置“0”。发送标志是“1”或者是“0”对启动发送程序和发送/接收程序的意义不同。对发送方来讲,发送标志为“1”表示已经启动了数据的发送,但是还没有收到接收方发来的应答信号,不能再次发送数据,只有当接收到接收方发来的应答信号将发送标志置“0”以后,才可以继续发送数据。对接收方来讲,因为没有主动发数据,发送标志仍然为“0”,读取接口上的数据后,执行发送标志“0”为真的任务,将暂存的数据放入接收单元。
多字节的发送和接收是在单字节通信的基础上,通过总字节数控制数据传输是否进行下去。如果传输的字节数还没有达到总字节数,就继续进行下一个字节的发送。对P89C51RD2单片机来讲,如何协调好它的数据处理任务与Neuron芯片的通信是重点考虑的问题。同样,Neuron芯片的程序也要协调好它与LON网以及它与P89C51RD2单片机并行数据通信的进程。
Neuron芯片I/O接口的定义如下:
IO_0 input byte data_in;// 定义双向的并行接口对象
IO_0 output byte data_out;
IO_8 output bit data_wr=0;// Neuron芯片的写信号
IO_9 output bit data_rd=1;// Neuron芯片的读信号
IO_10 input bit request_flag=1;// 请求信号
P89C51RD2开始向Neuron芯片传送数据触发的请求信号事件可定义如下:
when(io_in(request_flag)= =0)
{
unsigned int data_temp;
io_set_direction(data_in);
io_out(data_rd,0);
data_temp=io_in(data_in);
nv_temp=data_temp;
io_out(data_rd,1);
io_out(data_wr,1);
delay(10);
io_out(data_wr,0);
}
并行接口方式提供了主機和Neuron芯片通信的一种简单、可靠、实用的方式,它大大提高了智能测控节点的处理速度并简化了完成任务的复杂度。
5 结论
用单字节并行通信接口来实现LonWorks控制模块和MCS-51单片机之间的数据交换是构成RS-232到LonWorks网关的关键。这种低成本、高可靠性、快捷的通用性LON 总线与PC机通过RS-232串口互联方案,很好的保证了管理监控层和现场测控层之间的连接,方便了上下层信息交流,满足工厂、变电站等工业场合的应用要求。
参考文献
[1] 杨育红编著.LON网络控制技术及应用.西安:西安电子科技大学出版社,1999.4.
[2] 李正军编著.计算机测控系统设计与应用.北京:机械工业出版社,2004.1.
[3] 杨育红,涂敏,李滨等编著.LON网络程序设计.西安:西安电子科技大学出版社,2001.
[4] 阳宪惠主编.现场总线技术及其应用.北京:清华大学出版社,1999.
【关键词】LON总线 TMPN3150 P89C51RD2 RS-232 适配器
【中图分类号】TD65 【文献标识码】A 【文章编号】1009-9646(2008)10(b)-0149-02
LON(Local Operation Network)总线是美国ECHELON公司推出的局部操作网络,广泛应用于控制系统中的各执行机构之间的数据通信。而实际应用中PC机与LON总线人机交互设计尤为重要,它直接影响系统的运行和结果。结合设计中P89C51RD2单片机有串行通信口且接口简单的特点,选用RS-232作为LON总线与PC机之间的连接方式。将就这基于LON控制器TMPN3150与P89C51的具有通用性的工业自动化设计的适配器的软硬件设计方案作详细介绍。
1 系统功能
该适配器利用RS-232串行通信口及LON总线进行数据通信,实现上位机与各智能节点间的通信任务,包括控制台(上位机)向下传输命令和下位机数据的返回,以完成对下层设备的监控。利用该适配器,PC机可以实现现场数据、设备状态信息的读取和现场节点参数的配置以及越限报警等功能。
2 总体设计
在单片机和LON通信的设计中采用的Host-Based结构,Host-Base结构的Lon节点包括4个部分:收发器、主处理器、从处理器(Neuron 芯片—TMPN3150)、I/O设备。其中主处理器要进行复杂的数据处理及控制功能,这样就可以解决Neruon芯片内部资源紧张的问题,从处理器主要完成通信功能,它能够将主处理器经过经过处理传过来的数据通过收发器发送到LON总线,也可以将LON总线上的消息接收到本节点。在本设计中主处理器采用PHILIP公司生产的P89C51RD2单片机。从处理器采用的是Toshiba公司生产的神经元芯片TMPN3150。而主从处理器之间的连接则通过单字节并行通信接口即FIFO并口,单字节FIFO并口则由两块74HC574和一块74HC74组成。收发器集成在LonWorks控制模块中。总体硬件结构框图如图1所示。
3 适配器的硬件设计
3.1 硬件电路的介绍
适配器由LonWorks控制模块和PHILIPS公司的P89C51RD2单片机组成。其LonWorks控制模块用来完成LonWorks现场总线的网络通信管理。 LonWorks控制模块集成了Neuron 芯片、双绞线网络收发器、程序存储器等。
利用P89C51RD2单片机内含的可编程串行通用异步收发器通道,加上RS-232驱动芯片(MAX232),就可以构成半双工RS-232串行通信接口,可以实现和MAX232的通信。
P89C51RD2单片机P0口的8条I/O线与神经元芯片进行数据交换,P3.4为写控制信号线(AWR),P3.5为读控制信号线(ARD),INT1外部中断1是读/写请求联络信号线(AINT)。其中,P0口工作在普通的I/O功能而不是用作数据线。它与神经元芯片之间通过单字节FIFO的并行接口进行交换。
3.2 工作原理
在神经元芯片这一侧,它的11个I/O口配置成并行I/O接口,其中IO0~IO7提供了数据线,IO8、IO9和IO10分别是神经元芯片一侧的写控制信号线(BWR)、读控制信号线(BRD)和读/写请求联络信号线(BINT)。
单字节的并行接口由两片74HC574和一片74HC74组成。74HC574是带三态输出控制的8D触发器,数据的输入由CLK信号的上升沿控制,数据的输出由信号的低电平选通。74HC74是带预置端和清除端的双D触发器。74HC74的D引脚接地,CLK引脚的上升沿使输出为低电平,SD引脚的低电平使输出为高电平。并行接口的两端分别接主处理器P89C51RD2和Neuron芯片。以下简称P89C51RD2为A机,Neuron芯片为B机。并行通信设计的关键是协调好双方的收发进程。
从P89C51RD2CPU向Neuron芯片发送单个字节的过程如下:
(1)通过P89C51RD2CPU的P0口把数据送入74HC574锁存器的输入端1D~8D;
(2)使P89C51RD2CPU的P3.4变高,AWR产生上升沿,数据被74HC574锁存,同时使得BINT信号变低,通知B机读取数据;
(3)B机检测到BINT后,将BRD置低,把74HC574中锁存器的数据送到BD0~BD7上,同时置高BINT,清除请求信号;
(4)B机从BD0~BD7读取到数据后,置高BRD,释放数据总线BD0~BD7;
(5)B机将BWR置高,产生上升沿,使AINT变低,通知A机可以继续发数据;
(6)A机的INT1收到AINT后,把ARD置低,使AINT变高,消除B机的请求信号;
(7)A机将ARD置高,释BD0~BD7。
重復上述过程就能实现从P89C51RD2C PU到Neuron芯片的多字节传送。从Neuron芯片发送数据到P89C51RD2CPU的过程与上面相同。
另外,上电后Neuron芯片和P89C51R D2CPU在初始化所用的时间不同,神经元芯片要有很多复位处理任务,耗时较长。为了让P89C51RD2CPU与Neuron芯片尽量同步开始工作,设计时把Neuron芯片的复位输出经74HC04取反后接到P89C51RD2CPU的复位引脚上。当Neuron芯片在运行中如果出现复位,则这种电路保证P89C51RD2CPU也进行同步的复位初始化,从而保证了节点出现意外时能可靠的工作。
4 适配器的软件设计
适配器的软件设计主要有P89C51RD2单片机部分的RS-232的通信部分、单字节FIFO并口数据传输程序和LON模块的单字节FIFO并口数据传输程序。由于RS-232部分就是简单的串口通讯,LON模块也只有数据的传输,所以适配器的软件设计核心为单字节FIFO并口数据传输程序。根据单字节FIFO并口的数据通信过程,数据传输的并行通信软件由数据发送启动程序和数据发送/接收处理程序组成。数据发送启动程序是一个子程序,由主程序调用执行;数据发送/接收程序,对P89C51RD2单片机是一个INT低电平触发的中断服务程序,对神经元芯片是一个IO10变低电平事件驱动的任务。
全局参数数据发送标志是协调整个程序进程的关键。数据发送标志由数据发送启动程序把数据发送到接口时置“1”,在数据发送/接收处理程序中收到对方的应答信号时置“0”。发送标志是“1”或者是“0”对启动发送程序和发送/接收程序的意义不同。对发送方来讲,发送标志为“1”表示已经启动了数据的发送,但是还没有收到接收方发来的应答信号,不能再次发送数据,只有当接收到接收方发来的应答信号将发送标志置“0”以后,才可以继续发送数据。对接收方来讲,因为没有主动发数据,发送标志仍然为“0”,读取接口上的数据后,执行发送标志“0”为真的任务,将暂存的数据放入接收单元。
多字节的发送和接收是在单字节通信的基础上,通过总字节数控制数据传输是否进行下去。如果传输的字节数还没有达到总字节数,就继续进行下一个字节的发送。对P89C51RD2单片机来讲,如何协调好它的数据处理任务与Neuron芯片的通信是重点考虑的问题。同样,Neuron芯片的程序也要协调好它与LON网以及它与P89C51RD2单片机并行数据通信的进程。
Neuron芯片I/O接口的定义如下:
IO_0 input byte data_in;// 定义双向的并行接口对象
IO_0 output byte data_out;
IO_8 output bit data_wr=0;// Neuron芯片的写信号
IO_9 output bit data_rd=1;// Neuron芯片的读信号
IO_10 input bit request_flag=1;// 请求信号
P89C51RD2开始向Neuron芯片传送数据触发的请求信号事件可定义如下:
when(io_in(request_flag)= =0)
{
unsigned int data_temp;
io_set_direction(data_in);
io_out(data_rd,0);
data_temp=io_in(data_in);
nv_temp=data_temp;
io_out(data_rd,1);
io_out(data_wr,1);
delay(10);
io_out(data_wr,0);
}
并行接口方式提供了主機和Neuron芯片通信的一种简单、可靠、实用的方式,它大大提高了智能测控节点的处理速度并简化了完成任务的复杂度。
5 结论
用单字节并行通信接口来实现LonWorks控制模块和MCS-51单片机之间的数据交换是构成RS-232到LonWorks网关的关键。这种低成本、高可靠性、快捷的通用性LON 总线与PC机通过RS-232串口互联方案,很好的保证了管理监控层和现场测控层之间的连接,方便了上下层信息交流,满足工厂、变电站等工业场合的应用要求。
参考文献
[1] 杨育红编著.LON网络控制技术及应用.西安:西安电子科技大学出版社,1999.4.
[2] 李正军编著.计算机测控系统设计与应用.北京:机械工业出版社,2004.1.
[3] 杨育红,涂敏,李滨等编著.LON网络程序设计.西安:西安电子科技大学出版社,2001.
[4] 阳宪惠主编.现场总线技术及其应用.北京:清华大学出版社,1999.