LON Works現場匯流排與模擬設備介面電路設計

    現場匯流排是用於現場儀錶與控制系統和控制室間的全分散、數字化、智能、雙向、多變數、多點、多站的通信系統。它把單個分散的測量控制設備變成網路節點，以現場匯流排為紐帶，把它們連接成可以相互溝通信息，共同完成自控任務的網路系統與控制系統，廣泛用於過程式控制制、製造業、交通、樓宇等自動化系統中。現場匯流排控制系統是工業控制系統發展的必然趨勢。但是，在工業現場還存在著大量的基於各種標準模擬信號(如4—20 mA或1—5 V等)的設備，因此，開發現有模擬設備到現場匯流排之間的介面電路可以使現場匯流排技術與傳統的模擬設備有機地結合，將非現場匯流排設備集成到現場匯流排系統中，實現基於現場匯流排的控制系統。
    LON Works現場匯流排(LON匯流排)是美國Echelon公司推出的主要用於設備聯網的局部操作網路。在LON Works匯流排技術中有用以實現通信管
理、輸入、輸出和控制等功能的神經元晶元（Neuronchip)，它是LON Works匯流排技術的核心，不僅是LON匯流排的通信處理器，也是數據採集和控制的通用處理器。LON Works匯流排技術中所有網路的操作實際上都是通過它來完成的。本文從硬體和軟體兩方面給出LON Works現場匯流排與模擬設備介面電路的設計方案。

1 介面電路
    輸入輸出介面電路的結構如圖1所示。圖1a中，A/D轉換部分將各種設備的模擬信號轉換成數字信號，經光電耦合隔離後由I/O口送給Neuron晶元，由Neuron晶元輸出的片選信號將數據送往LonWorks匯流排網路，完成了各路模擬信號的輸入，實現了對測量信號的採集。如圖1b所示，來自LONWorks的網路信號，經Neuron晶元的控制和運算處理，由D/A轉換電路變成模擬信號送給現場設備，實現了對模擬設備的輸出控制。電路中採用Neuron晶元，利用其I/O和控制功能，完成信息的輸入、處理和輸出，並可通過不同的收發器與不同的通信介質連接，方便地實現網路通信。
 

2 硬體設計
2．1 Neuron晶元
    Neuron晶元選用可外帶存儲器，2048 RAM，512E2PROM，64個管腳的MC143150，有11個可編程的I/O引腳，提供四種類型共34種I/O對象預編程設置。通過引腳的不同配置，為外部硬體提供靈活的介面，實現對不同I/O對象的測量、控制。Neuron晶元的I/O預編程對象選用串列I/O對象中的Neuronware，該對象具有最多256位的雙向串列數據輸入輸出，通過Neuron晶元IO．8-IO．10的引腳實現三線串列傳輸，IO．0-IO．7可作為片選信號輸出。這樣，一個Neuron晶元可接收8個A/D轉換電路測量信號。

2．2 輸入介面電路
    輸入介面電路對輸入的模擬信號進行採集和轉換，選用Maxim公司的高速、串列12位、8通道模/數轉換器MAX186。該晶元採用單+5 V或±5 V工作電源，可以轉換0～5 V模擬輸入電壓。片內帶有快速採樣保持電路。MAX186有內部4.096 V精密參考電壓，4條串列介麵線，可高速串列輸出轉換后的數據。輸入信號經電阻轉換成0.8～4 V電壓信號，送到MAX186的輸入通道。MAX186的各個輸入通道由控制字進行選擇。為了正確控制和讀取MAX186轉換后的數據，採用IO．0和IO．8-IO．10模擬串口。在Neuron C中引腳定義如下：
IO_0 output bit CS； //片選信號輸出
IO_8 output bit SCLK； //時鐘信號輸出
IO_9 input bit Din；//A/D轉換結果串列讀人
IO_10 output bit Dout； //控制字輸出
輸入介面電路MAX186控制字的寫入與轉換數據的輸出通過串列數據線完成。MAX186的主要引腳接線如圖2所示。
 

2．3 輸出介面電路
    採用12位串列數/模轉換器MAX538和電壓/電流轉換器AD694。MAX538是電壓輸出型，帶有三線制串列匯流排介面及串列數據輸出引腳，可實現晶元的級連。MAX538採用單一+5 V供電，電壓輸出範圍0～2．6 V。Neuron晶元的IO．8，IO．9引腳分別與MAX538的SCLK，DIN引腳相連，為信號輸出端；IO．1與MAX538的/CS端相連，為片選信號輸出端。一個D/A電路需佔用Neuron晶元三個I/O引腳。
    AD694是一種電壓/電流轉換器，可將0～2 V的電壓信號轉換成4～20 mA的電流信號輸出。如圖3所示，MAX538的腳7與AD694的腳3相連，將D/A轉換得到的電壓送給AD694。AD694的腳7與腳8相連后與~tAX538的腳6相連，為MAX538提供2 V參考電壓；AD694的腳1與腳2相連，輸入緩衝放大器接成跟隨器方式；腳4與腳5相連，使AD694的輸入電壓範圍為0～2 V；腳9與腳5相連，實現4 mA偏流，當輸入電壓0～2 V時，輸出電流為4～20 mA。
 

3 軟體設計
3．1 輸入介面程序
IO_8 neuronware master select (IO_0)MAX186；
// 選擇I／O對象為neuronware，IO．8為時鐘輸出引腳，IO．9為串列數據輸出引腳，IO．10為串列數據輸入引腳；選擇主模式，MAX186的片選信號由IO．0輸出//
IO_0 output bit MAX186 cs=1;
// 選擇IO．0為位輸出，作MAX186的片選信號//
When(timer-espires(clock- 1))；
// 定時／計數器clock-l滿事件驅動//
Io_out(MAX186_cs，0)；
//選中MAX186//
Io_out(MAX186，10001111)；
// 送MAX186控制字；通道0：單極性，單端輸入，外部時鐘模式//
Input= Io_in(MAX186，&input，16)；
// 輸入轉換結果//
Input = input>> 4;
Io_out(MAX186_cs，1)；
// MAX186_cs無效，結束信號採集//

3．2 輸出介面程序
IO_8 neuronware master select(IO_1)MAX538；
IO_1 output bit MAX538_cs=1;
Io_out(MAX538_cs，0)；
Input= Io_jn(MAX538，&input，16)；
Io_out(MAX538_cs，1)；

4 結束語
    當今的生產現場，大量的數據是模擬量，大量的儀器、儀錶設備採用模擬輸入、輸出信號，在今後相當長的時間內，生產現場的控制系統中仍將是數字量和模擬量並存。因此，LON Works現場匯流排與模擬設備介面電路設計開發，不僅可節約設備改造投資，而且對推廣現場匯流排的應用具有重要意義。