現(xiàn)代工業(yè)過程控制領(lǐng)域?qū)y控系統(tǒng)的速度、精度,、成本等方面提出了更高的要求，全數(shù)字,、雙向,、多節(jié)點(diǎn)的現(xiàn)場總線應(yīng)運(yùn)而生?，F(xiàn)場總線是一種串行的數(shù)字通信鏈路，它溝通了生產(chǎn)領(lǐng)域的現(xiàn)場設(shè)備之間以及與更高層次控制過程設(shè)備之間的聯(lián)系,。
　　LonWorks技術(shù)是Echelon公司于90年代推出的一種主要用于設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的局域操作網(wǎng)絡(luò)技術(shù)LON(Local Operating Network),。LonWorks技術(shù)的優(yōu)勢是將通訊協(xié)議固化于Neuron芯片中，并且提供一套完整的開發(fā)與建網(wǎng)工具——LonBuilder和NodeBuilder,。這樣使得用戶可以較少關(guān)心網(wǎng)絡(luò)的通訊,，而集中于節(jié)點(diǎn)的具體應(yīng)用開發(fā)。LonWorks技術(shù)極大地方便了用戶,，也促進(jìn)了該技術(shù)的推廣應(yīng)用,。
　　現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)是工業(yè)控制系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢，然而在短時期內(nèi)它無法完全取代DCS系統(tǒng),，因此現(xiàn)有的4～20mA模擬儀表到現(xiàn)場總線的接口開發(fā)具有較強(qiáng)的可行性及現(xiàn)實(shí)意義,。本文擬對基于LonWorks 網(wǎng)絡(luò)的PID控制節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與開發(fā)作一論述。
1 整體設(shè)計(jì)思想
　　現(xiàn)場儀表,，如測量變送器,、執(zhí)行器、調(diào)節(jié)閥等的輸入/輸出信號多為4～20mA模擬信號,。本節(jié)點(diǎn)的任務(wù)是在完成現(xiàn)場模擬儀表與LonWorks網(wǎng)絡(luò)連接的基礎(chǔ)上,，實(shí)現(xiàn)對被控對象的控制，即對現(xiàn)場儀表進(jìn)行測量信號采集,，控制運(yùn)算及控制信號輸出,。整體節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)分為三部分：信號采集、控制運(yùn)算及信號輸出,。
　　Neuron芯片能夠完成信息的輸入,、處理、輸出,，并可通過不同的收發(fā)器與不同的通訊介質(zhì)相連接,，方便地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊。以其為中心器件,，配以相關(guān)外圍電路構(gòu)成的節(jié)點(diǎn),，實(shí)現(xiàn)了用戶應(yīng)用程序與組網(wǎng)通訊的統(tǒng)一。
　　本文設(shè)計(jì)的PID控制節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示,。

　　考慮到工業(yè)現(xiàn)場的電氣工作情況,，為保護(hù)節(jié)點(diǎn)核心部分免受損壞，在模擬輸入/輸出與Neuron芯片之間加入光電耦合器件,，從而提高了節(jié)點(diǎn)的抗干擾性能,。
2 節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)
2.1 關(guān)鍵技術(shù)
　　LonWorks技術(shù)的核心是Neuron芯片。它是由美國Motorola和日本東芝兩大芯片制造商生產(chǎn)的,，共有兩個系列MC143150和MC143120,。本設(shè)計(jì)采用的是MC143150,，可帶片外存儲器類型。該類型專門用于需要較大應(yīng)用程序的傳感器控制系統(tǒng),。
　　MC143150芯片內(nèi)部有三個CPU,，即：介質(zhì)訪問CPU,，網(wǎng)絡(luò)CPU,，應(yīng)用CPU。它們與片內(nèi)存儲器,、網(wǎng)絡(luò)通訊接口,、定時/計(jì)數(shù)器、I/O口驅(qū)動電路通過16位地址總線和8位數(shù)據(jù)總線相連,。芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如2所示,。

　　Neuron芯片有11個可編程的I/O引腳，并提供四類共34種I/O對象,。通過引腳的不同配置,，為外部硬件提供靈活的接口，實(shí)現(xiàn)不同的I/O對象,。這四類I/O對象為：直接I/O,、并行I/O、串行I/O和計(jì)時器/計(jì)數(shù)器I/O對象,。
　　本設(shè)計(jì)選用串行I/O對象中的Neuronware對象,。該對象通過Neuron芯片11個引腳中的IO.8～I(xiàn)O.10進(jìn)行三線串行傳輸，IO.0～I(xiàn)O.7可作為片選信號輸出,。數(shù)據(jù)傳輸以8位為單位,，一次最多可傳輸255位。對于10MHz晶振輸入的Neuron芯片,，其串行時鐘頻率為20kHz,，串行數(shù)據(jù)傳輸速率滿足現(xiàn)場控制要求。
　　Neuron芯片的輸入/輸出對象中有parallel并行I/O對象,。該對象有3.3Mbps的高傳輸速率,，但由于其適用于8位并行數(shù)據(jù)，而且占用I/O引腳較多,，功能擴(kuò)展較復(fù)雜,。所以不采用并行I/O對象。
2.2 節(jié)點(diǎn)硬件/軟件設(shè)計(jì)
　　信號采集部分,，采用高速,、串行12位、8通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器MAX186?，F(xiàn)場4～20mA測量信號經(jīng)過200Ω精密電阻變?yōu)?.8～4V電壓,，進(jìn)入MAX186的輸入通道,。MAX186具有一個內(nèi)部4.096V基準(zhǔn)源，每一通道帶跟蹤/保持(T/H)電路,，最高采樣頻率可達(dá)133kHz,。其SCLK、Din,、Dout引腳分別與Neuron芯片的IO.8,、IO.9、IO.10相連,。IO.1作為MAX186的片選信號(/CS),。MAX186的控制字的寫入與轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的輸出通過串行數(shù)據(jù)線完成。其各個輸入通道由控制字進(jìn)行選擇,。MAX186外部接線簡潔,。
　　信號采集電路如圖3所示。

　　MAX186接口程序?yàn)椋?BR>　　IO_8 neuroware master select(IO_1) MAX186;
　　//定義I/O對象為neuroware,，IO_8為時鐘輸出引腳,；IO_9為串行數(shù)據(jù)輸出引腳；IO_10為串行數(shù)據(jù)輸入引腳,；選擇主模式,，MAX186片選信號由IO_1輸出；數(shù)據(jù)在時鐘上升沿被傳輸//
　　IO_1 output bit MAX186_CS＝1;
　　//定義IO_1為位輸出,，作MAX186的片選信號//
　　When(timer_expires(clock_1))
　　// 定時/計(jì)數(shù)器clock_1滿事件驅(qū)動//
　　Io_out(MAX186_CS,0);
　　//選中MAX186//
　　Io_out(MAX186,10001111);
　　//向MAX186送控制字：選擇通道0,，單極性，單端輸入,，外部時鐘模式//
　　Input＝io_in(MAX186,&input,16);
　　//輸入轉(zhuǎn)換結(jié)果//
　　Input＝input＞＞4;
　　Io_out(MAX186_CS,1);
　　//不選中MAX186,，結(jié)束信號采集//
　　控制運(yùn)算部分主要通過對Neuron芯片編程完成。Neuron芯片的編程語言為由ANSI C發(fā)展而來的Neuron C語言,。它包括對ANSI C的擴(kuò)展,，并增添了一些較強(qiáng)的功能，如：網(wǎng)絡(luò)變量類型,，事件調(diào)度when語句,。網(wǎng)絡(luò)變量簡化了節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)共享。本設(shè)計(jì)中PID控制運(yùn)算的設(shè)定值,、比例放大系數(shù),、積分/微分時間等數(shù)值均通過網(wǎng)絡(luò)變量的形式傳送。
　　PID控制運(yùn)算的流程圖如圖4所示,。

　　信號輸出部分選用串行12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器MAX538,。由于現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)多接收4～20mA信號，所以需要將MAX538的電壓輸出轉(zhuǎn)換成電流信號,，為此選用AD694完成電壓/電流轉(zhuǎn)換,。AD694具有內(nèi)部電壓基準(zhǔn),，可輸出作為MAX538的D/A轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)，簡化了電路設(shè)計(jì),，節(jié)省了空間,。另外，AD694有較強(qiáng)的驅(qū)動能力,，對于需要免除噪聲的4～20mA信號傳遞以驅(qū)動操作電子管,、傳動裝置和其他控制器件，它是理想的選擇,。
　　本PID控制節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)為兩路輸出,，片選信號分別由IO.2,、IO.3給出,，具體電路如圖5所示。