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)研究開發(fā)中心，淮安 223003）

0 引言

現(xiàn)場總線技術(shù)發(fā)展至今，憑借其優(yōu)越的開放性、互換性、分布式等優(yōu)越特性逐漸被越來越多的用戶接受，但是相對集散控制來說，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)場總線應(yīng)用范圍的有效措施就是現(xiàn)場總線控制技術(shù)與集散控制技術(shù)融合，兩者取長補短，增強系統(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，實現(xiàn)了與集散控制系統(tǒng)的有機結(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，支持LonTalk標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。LonTalk協(xié)議所采用的算法是優(yōu)先級帶預(yù)測的P-堅持CSMA（載波監(jiān)聽多路訪問），該協(xié)議能夠預(yù)測LON總線網(wǎng)絡(luò)負載，輕載時給網(wǎng)上節(jié)點分配數(shù)目較少的隨機時隙以減少節(jié)點媒介訪問延時；重載時給網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點分配的較多數(shù)目的隨機時隙以減少各節(jié)點因同時發(fā)送消息帶來的沖突，從而實現(xiàn)了隨機時隙數(shù)目以概率P值的動態(tài)的調(diào)整。為提高緊急事件的響應(yīng)時間，提供一個可選擇優(yōu)先級的機制，在發(fā)送過程中優(yōu)先級數(shù)據(jù)報文將在時間片里將報文發(fā)送出去，加入優(yōu)先級的節(jié)點具有更快的響應(yīng)時間[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)，進行集中監(jiān)控，實現(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)計框架，兩處理器（即神經(jīng)元芯片3150和單片機AT89C55）之間數(shù)據(jù)交換的方法，這種設(shè)計架構(gòu)模式使LON總線協(xié)議轉(zhuǎn)換控制器信息處理速度快，開發(fā)成本較低，性價比較高。神經(jīng)元芯片3150是一種專門為設(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)雜的通信過程簡化為網(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，將其定位從機角色，只承擔(dān)信息通信任務(wù)。AT89C55一款片內(nèi)具有20KFlash存儲器、存儲空間大，適合數(shù)據(jù)存儲和處理，將其定位主機角色，承擔(dān)數(shù)據(jù)的存儲和處理。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MAX485/MAX232芯片接收和發(fā)送Modbus標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議數(shù)據(jù)報文；3150通過FTT-10A收發(fā)器接收和發(fā)送LonTalk標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議數(shù)據(jù)報文；Modbus標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議數(shù)據(jù)報文和LonTalk標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議數(shù)據(jù)報文通過Slave A模式的并行接口實現(xiàn)相互轉(zhuǎn)換。AT89C55除了協(xié)議轉(zhuǎn)換功能外，還擔(dān)負著現(xiàn)場信號采集和信號輸出的功能。

3 LON總線協(xié)議轉(zhuǎn)換控制器的的硬件設(shè)計

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～IO7、1根片選信號～CS、1根握手信號HS、1根讀寫控制信號R/～W構(gòu)成，支持最高速率3.3M[3]，極大提高數(shù)據(jù)報文處理的實時性。神經(jīng)元芯片3150的IO0～IO7管腳依次與單片機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線，3150的IO9管腳與AT89C55的P11管腳相連形成讀寫控制線，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制下實現(xiàn)數(shù)據(jù)報文的交換，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數(shù)據(jù)報文的主動權(quán)。當(dāng)片選信號線～CS為低電平時，讀寫操作由R/～W控制信號線決定，當(dāng)R/～W為低電平時，AT89C55占有令牌，當(dāng)R/～W 為高電平時，3150占有令牌。握手信號HS為高電平時，3150處于忙狀態(tài)，握手信號HS為低電平時，3150處于空閑狀態(tài)。當(dāng)AT89C55檢測握手信號線HS為低電平時，在～CS信號的下降沿將數(shù)據(jù)寫入數(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AT89C55采用的是標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平，實現(xiàn)AT89C55與Modbus協(xié)議設(shè)備的數(shù)據(jù)報文相互傳遞，采用MAX232和MAX485進行電平轉(zhuǎn)換，從而形成1路RS232接口和1路RS485接口，通過多路開關(guān)SW來決定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

實現(xiàn)LON總線協(xié)議轉(zhuǎn)換控制器主機AT89C55數(shù)據(jù)報文的采集接受和輸出發(fā)送，AT89C55通過UART串行中斷接收和發(fā)送Modbus協(xié)議設(shè)備的數(shù)據(jù)報文，通過定時中斷采集現(xiàn)場信號和輸出信號，并將采集和接收到的數(shù)據(jù)報文暫存自己的數(shù)據(jù)存儲區(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、報文內(nèi)容、校驗碼、結(jié)束碼等部分組成。Modbus協(xié)議數(shù)據(jù)報文格式如下所示：

同步碼 控制碼 地址碼 報文內(nèi)容 校驗碼 結(jié)束碼

實現(xiàn)LON總線協(xié)議轉(zhuǎn)換控制器主機AT89C55與從機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，兩處理器開始交換數(shù)據(jù)報文，AT89C55置低R/～W信號線占有令牌，通過置低～CS信號線選通3150并時刻監(jiān)聽從機3150的閑忙狀態(tài)，當(dāng)檢測到信號線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)送過來的數(shù)據(jù)報文寫到Slave A模式并行接口的數(shù)據(jù)總線上，同時置高R/～W信號線交出虛擬令牌給3150，然后置高～CS信號線（同時迫使HS信號線也置高）開始讀取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When( nv_update_occurs(輸入網(wǎng)絡(luò)變量 ))語句，當(dāng)輸入網(wǎng)絡(luò)變量的值被更新時，通過io-out（ ）函數(shù)將數(shù)據(jù)報文發(fā)送到Slave A模式并行接口數(shù)據(jù)總線上，同時交出虛擬令牌，然后置低HS信號線，并通過任務(wù)驅(qū)動語句When()和io_in( )函數(shù)讀取AT89C55發(fā)送過來的數(shù)據(jù)報文，由Neuron C語言設(shè)計的調(diào)度程序?qū)笪臄?shù)據(jù)賦值給輸出網(wǎng)絡(luò)變量，并通過3150內(nèi)部固化的LonTalk協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層、MAC層將類型、源地址、目標(biāo)地址、變量名、變量內(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 校驗碼

圖4 虛擬令牌乒乓式傳輸機制流程圖

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)議能夠自動完成虛擬令牌乒乓式傳輸機制，采用Neuron C語言將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，3150交出令牌，io_out_request（）為真時，3150擁有令牌。AT89C55不能自動完成虛擬令牌傳遞，需要用C語言編制虛擬令牌傳遞協(xié)議，包括主機的同步、握手、數(shù)據(jù)讀寫、令牌傳遞過程，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 實驗

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LNS DDE SERVER或NL-OPC Server工具訪問LON網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，實現(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232/485端口輸出數(shù)據(jù)，Modbus設(shè)備通過232/485端口返回數(shù)據(jù)，LON總線協(xié)議轉(zhuǎn)換控制器接收到數(shù)據(jù)報文后，進行LRC校驗，然后解析，通過LonMaker軟件監(jiān)測返回的數(shù)據(jù)報文。

6 結(jié)論

通過LonMaker監(jiān)測到的返回數(shù)據(jù)正確，當(dāng)每秒要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)報文達500～1000包時，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?；贚onTalk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)換控制器是推進了企業(yè)網(wǎng)絡(luò)一體化建設(shè)進程，實現(xiàn)了現(xiàn)場控制、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)和運營成本的同時又能使管理者高效監(jiān)管企業(yè)生產(chǎn)和運營。

[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[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[J].工礦自動化.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[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[J].自動化儀表.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[J].電測與儀表.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[J].礦山機械.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)場總線技術(shù)和集散控制技術(shù)有機結(jié)合，設(shè)計了一種Host Based架構(gòu)模式LON總線協(xié)議轉(zhuǎn)換控制器。采用單片機AT89C55和神經(jīng)元芯片3150分別作為LON總線協(xié)議轉(zhuǎn)換控制器的主從處理器，通過建立的Slave A模式并行接口實現(xiàn)了虛擬令牌乒乓式傳遞機制下的數(shù)據(jù)報文的傳遞。LON總線協(xié)議轉(zhuǎn)換控制器實現(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)報文的相互轉(zhuǎn)換。實驗表明：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，研究方向為機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劃項目（SN12052）；2013年淮安市創(chuàng)新載體平臺建設(shè)計劃項目（HAP201313）