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1、基于LON总线的楼宇自动化系统的设计与实现 哈尔滨理工大学硕士学位论文基于LON总线的楼宇自动化系统的设计与实现姓名:刘鑫申请学位级别:硕士专业:仪器仪表工程指导教师:曹伟;郭强20050601哈尔滨理工大学工程硕士学位论文基于总线的楼宇自动化系统的设计与实现摘要随着经济的发展,我国的建筑规模居世界前列,对大厦智能化的要求越来越高。智能大厦是适应经济发展和生活条件改善的必然产物。智能大厦监控系统的应用也越来越广,需要监控的对象越来越多,必须使用具有统一规范、组建灵活、高可靠性、良好的扩展性和维护性、性价比高的方式来组建系统。因此,作为智能大厦的一个重要组成部分?智能节点的研制具有重要的意义。网
2、络控制技术是一种新型的现场总线技术。总线作为当前最为流行的现场总线之一在楼宇、运输、能源等领域得到广泛应用。技术集计算机、网络、控制于一体,集成了/的全部七层协议,同时具有通信和控制功能,组网灵活,开放性好。本论文介绍了一种应用网络控制技术构建的楼宇自动化系统的实现方法,详细论述了智能温度测控节点的设计思路、硬件电路、软件设计,并对系统的抗干扰设计进行了分析。中央监控系统由协议适配卡将机与网络相联;智能温度测控节点采用神经元芯片作为通信;传输介质采用双绞线。智能温度测控节点采用语言编制程序,中央监控系统的人机操作界面程序使用.编写。关键词现场总线:楼宇自动化;智能节点哈尔滨理工大学工程硕士学位
3、论文 ,. . , ,. , ., ?. . . ,. : , . .; ;儿.哈尔滨理工大学工程硕士学位论文绪论第章.智能大厦及楼宇自动化系统简介.智能大厦发展状况智能大厦 是信息科学和计算机应用科学的必然产物。智能大厦的含义随着科技的发展不断完善,一般认为是利用系统集成的方法,将计算机技术、通信技术、信息技术和建筑艺术有机地结合起来,通过对设备的自动监控、信息资源的有效管理和使用者的信息服务及建筑的优化组合,所获得的投资合理、适合信息社会要求并且具有安全、高效、舒适便利和灵活等特点的建筑物?。智能大厦采用电子信息技术对建筑大楼的设备进行自动监控,对信息资源进行管理和对用户提供信息服务,可以
4、大大提高大厦的管理效益和最大限度降低大厦的各种运行费用”“?。智能大厦在我国近几年将会得到迅猛地发展。智能大厦是科学技术与经济实力的综合体现,可以反映出一个国家的综合经济实力“。智能大厦通常包含三大基本组成要素:楼宇自动化系统、通讯自动化系统、办公自动化系统撮 ,通常称之为“”系统”“”。不同类型的智能大厦中智能化系统的总体结构不尽相同,但其核心功能、系统是相同的。智能系统所用的主要设备通常放置在智能化建筑环境内,它通过综合布线的系统集成中心 与各种终端设备如通信终端和传感器相联接,感知建筑内各个空间中的信息及变化,并通过计算机处理给出相应的对策,再通过通信终端或控制终端门禁、开关、阀门等给出
5、相应的反应,使整幢大楼系统处于动态实时监控状态,实现高度智能化”。智能大厦从年出现至今经过短短年的发展,从最初的小规模简单对象控制、分散管理控制、人工信息传递汇集到现在的一体化集成时代和网络时代,主要经历了以下几个阶段:.?年:单一功能专用系统时代,各子系统独立运转;.?年:多功能系统时代,子系统数减少,部分系统集成:.?年:系统集成时代,将集中控制变为分散控制;哈尔滨理工大学工程硕士学位论文.年至今:一体化集成时代,利用现场总线技术将所有的子系统集成为一个网络系统”。目前国内大厦监控系统大都采用集散式控制与通讯技术,即使用系统机为上位视、单片机为核心的仪器作为下位机以及以或一串行通讯总线”作
6、为系统链接。监控系统通过现场安装的传感器、控制器或相应的变送器和执行机构对各种被监控对象进行自动检测和控制。这种系统虽然可以满足大多数用户的要求,但由于下位机的工作完全由上位机控制,上位机一旦出现故障,整个系统将失控瘫痪,可靠性较差,同时,集成度较低、规范性差,而且又无统一标准,所以,系统的可靠性、维修性、互换性以及可扩充性均难以达到理想效果和规范要求。随着我国经济的发展,对大厦智能化的要求越来越高,需要监控的对象种类繁多,必须使用具有统一规范、组建灵活、高可靠性、良好的扩展性和维护性、性价比高的方式来组建系统。.楼宇自动化系统的构成建筑物的智能化往往是从楼宇自动化系统开始。是智能大厦智能化的
7、必备要素之一,缺少就不称其为“智能大厦”。在智能建筑物的建设中,楼宇自动化的目标是创建安全、方便、舒适、经济、节能的工作和生活环境,为客户提供周全、便利的服务,为公司提供现代化的管理系统,以提高工作效率、节省能源、增加附加值,适应未来社会的进步和发展。通过楼字自动化系统的建设,实现建筑物内部智能化的空调系统、热力系统、变配电系统、给排水系统、通风系统、环境检测系统、消防报警系统、安全防范系统、电梯系统、停车场管理系统等。各系统内部及系统之间通常采用集中式的智能化管理,实现最优化的控制管理“?。楼宇自动化系统通过计算机对各子系统进行检测、控制、记录,实现分散节能控制和集中科学管理,从而达到以下目
8、的:为用户提供良好的工作环境;为管理者提供方便的管理手段:为经营者减少能耗并降低成本;为物业管理现代化提供物质基础。一个典型的楼宇自动化系统包括智能化的空调系统、热力系统、变配电系统、给排水系统、通风系统、环境检测系统、消防报警系统、安全防范系统、电梯系统、停车场管理系统等。.空调监控系统空调监控系统应完成新风、回风、排风的控制;控制空哈尔滨理工大学工程硕士学位论文调系统的温度、湿度;过滤器的状态检测,制冷器的防冻监控,风机的状态及故障报警。.热力系统 由中央监控系统检测热交换器的热水出水温度、热水流量,并控制热水泵的启停。.变配电监控系统变配电监控系统包括低压配电系统、计算机不间断电源系统、
9、冷冻站配电、变压器、高压系统和高压二次线中各个点的监测控制。.给排水系统对生活用水、消防用水、污水、冷冻水箱等排水装置进行监测和启停控制,以保证给排水系统的正常运行。.照明监控系统由中央监控系统按每天预定的时间顺序来启停开关并监视其开关状态和工作状态,同时自动实现对照明回路的分组控制和对用电过大的照明设备自动切断,以及对厅堂和办公室等地的无人熄灯控制。.消防报警系统消防系统是楼宇自动化中的重要组成部分,它监视与自动控制着建筑物内所有的消防设备,一旦出现火警,立即通过楼宇自动化系统,向变配电、给排水、空调、电梯等相关系统发出消防模式的命令,由这些设备自身的控制系统来协调和实现消防动作。.安全防范
10、系统通过闭路电视监视、出入口控制、防盗报警、保安巡更等基本手段,辨别出运行物体、火焰、烟及其它异常状态,并进行报警及自动录象,控制有关进出入对象,最大限度地保证安全。.电梯系统 电梯是建筑物内交通的重要枢纽。对带有完备控制装置的电梯,将其控制装置与楼宇自动化系统相连接,以实现相互间的数据通信,使管理中心能够随时掌握各个电梯的工作状况,并在火灾、安保等特殊场合对电梯的运行进行直接的控制。.停车场管理系统可实时监察每辆车的出入情况并自动记录,包括出入。时间、出入口、车主姓名、权限等,也可对车库车辆作各种统计与查询,打印出商业报表“。.楼宇自动化系统的发展状况半个多世纪以来,楼宇自动化控制发展经历了
11、以下几个阶段:. 气动控制系统阶段的基本思想是基于?的气动信号标准,其特点是简单的就地操作模式。控制理论初哈尔滨理工大学工程硕士学位论文步形成,无控制室概念。. 模拟控制系统阶段的基本思想是基于一或.的电流模拟信号标准,其特点是以电气替代气动,奠定了现代控制论的理论基础,确立了控制室的概念,将被控对象进行功能分离。. 计算机控制系统阶段世纪年代,开始了数字计算机在控制领域中的应用,其特点是在测量、模拟控制、逻辑控制过程中普遍实行集中控制,建立中央计算机系统。信号传输系统大部分沿用.模拟信号。控制的集中增加了系统失控危险的可能性.潜伏着系统一点不慎造成系统瘫痪的危险,可靠性较差。. 集散控制系统
12、阶段针对的可靠性较差问题,使用微处理器变集中控制为分散控制,其特点是由几台计算机和智能部件构成控制系统,功能分散是显著特点。信号传输有一的模拟信号,也有数字化信号。 现场总线控制系统阶段是的发展.采用现场总线控制系统,即从分散控制到现场控制。数据传输采用总线方式。其特点是数字化程度高,总线上传送的信号全部为数字信号,资源可共享“。目前总线标准规范有多种,著名的如基金会现场总线、局部操作网络总线 、控制局域网络 、过程现场总线可寻址远程传感器高速通信的开放通信协议等“”?。.现场总线及技术在自动化控制系统装备领域中,国产系统无论是设计水平还是制造水平都?,相对比较落后。主要原因是作为控制系统主流
13、的技术复杂且大都不是开放系统,因此,我国现有技术水平短期内在传统的领域赶超国外先进水平有很大的难度。世纪年代以来,现场总线技术的诞生引发了传统工业自动化仪表与控制系统的革命“”“”。基于现场总线技术的工业过程智能自动化仪表和开放的自动化系统引起了广泛的注意和高度的重视,成为国内外自动化技术发展的一个热点“?。哈尔滨理工大学工程硕士学位论文.现场总线的概念现场总线是当前自动化技术的一种新事物,是用于现场仪表与控制系统和控制室之间的一种全分散、全数字化、智能、双向的通讯系统。现场总线是用于过程自动化和制造自动化最底层的现场设备或现场仪表互连的通信网络,是现场通信网络与控制系统的集成。根据定义,现场
14、总线是“安装在生产过程区域的现场设备/仪表与控制室内的自动控制装置/系统之间的一种串行、数字式、双向传输、多分支结构的通信网络”。或者说,现场总线是一种串行化、数字化数据通信链路,它沟通了生产过程领域的基本控制设备即场地级设备之间以及与更高层次自动控制领域的自动化控制设备即车间级设备之间的联系【?”。现场总线是以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点,这些网络节点和以往的设备不同,不再是传统的单功能的仪表,而是具有综合能力的智能仪表,它们之间用总线联接实现信息互换,共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统。现场总线系统是计算机控制系统与通讯技术结合的产物,是新一代全数字、全分散
15、和全开放的现场控制系统。其中,现场是指工作环境处于生产设备的一侧;现场设备/仪表是指位于生产现场的各种传感器、驱动器和执行器等设备;“生产过程”包括连续生产过程和断续生产过程两种;总线是指传送信息的公共路径,这些遵守相同联接规范的设备通过“公共路径”联接为系统,并实现相互操作。因此,现场总线是面向工厂底层自动化及信息集成的数字化网络技术。人们把基于这项技术的自动化系统称为基于现场总线的控制系统。现场总线技术的核心是它的通信协议,它必须根据国际标准化组织。”的计算机网络开放系统互连基本参考模型 来制定,它是一种开放的七层网络协议标准,多数现场总线技术只使用其中的一、二和七层协议。.现场总线的特点
16、.信号传输方式用数字信号传输取代模拟信号传输。.系统的全开放性系统的技术和标准实现全开放,可供任何人使用,从总线标准、产品检验到信息发布全部公开,面向世界任何一个制造商和用户。.智能化与自治性由于控制功能下移,实现彻底的分散控制,使现场设哈尔滨理工犬学工程硕士学位论文备具有智能化与功能自治性。它将传感测量、运算、处理与控制等功能分散到现场设备中完成,在现场设备中具有自动控制的基本功能。从根本上改变了现有集中与分散相结合的集散控制系统体系,简化了系统结构,提高了可靠性。.现场环境的适应性它可支持双绞线、同轴电缆、光缆、电力线、无线、红外线等,具有较强的抗干扰能力,可采用两线制通信,并可满足本质安
17、全防爆要求。.互操作性不同厂家生产的产品可在同一系统中统一组态。.功能综合化集现场设备的远程控制、参数化及故障诊断为一体。鉴于现场总线技术的以上鲜明特征,因此它具有传统设备所无法比拟的优势:设计简单;节省硬件数量与投资;节省安装费用;节省维护开销;用户具有高度的系统集成主动权;提高了系统的准确性与可靠性。.现场总线技术的发展与应用前景现场总线 于世纪年代初提出,年代成为工控界最为热门的话题之一。世纪年代初,德国公司推出控制局域网络总线协议。年,美国公司提出标准。年,美国公司推出协议,在模拟信号的基础上叠加数字信号。随后,德国的、等公司推出了标准。年,美国公司推出并由公司和公司共同倡导的总线技术
18、。年,美国的、公司、德国的、公协司、日本的横河、等公司成立了 议集团,以德国标准为基础提出了协议,先后有多家公司加盟。年,美国的 、.、日本的山武、日立、富士电机等公司成立了 “”组织,共有多家成员,以法国的标准为基础提出了总线标准”“。“。目前,世界上约有多种现场总线。在众多的现场总线产品中,下列产品是比较有影响的。.公司于年月成立总线公司和了现场总线基金会,致力于开发国际上统一的现场总线协议。基金会现场总线的主要技术内容包括通信协议、用于完成开放互联模型中第?层通信协议哈尔滨理工大学工程硕士学位论文;用于描述设备特征、参数、属性及操作接口的通信栈的设备描述语言;设备描述字典;用于实现测量、
19、控制、工程量转换等应用功能的功能块;实现系统组态、调度、管理等功能的系统软件技术以及构筑集成自动化系统、网络系统的系统集成技术“”。目前,它几乎集中了世界上所有的主要自动化制造商,已成为北美和亚太地区实际上的国际标准“”。”。. ,过程现场总线总线是由总线德国等家工业企业和家科研机构在联合开发项目中制定的标准化规范,是德国标准和欧洲标准。它提供一个从传感器/执行器直至管理层的透明网络,供应完整的产品系列,从底层测控网络、工厂管理网络直至系统集成方案,被称为风靡全球的现场总线“。在欧洲享有不容置疑的特殊优势,仅从制造业自动化方面看,约占%的市场份额,居欧洲之冠。在德国市场份额达%,在英国为%。.
20、总线,控制局域网络总线由德国公司于年推出。“,主要用于各种过程监测及控制的一种网络。是一种点对点 。现场总线网络,其总线规范已被认定为国际标准。包括一系列规范:通信、设备、接口、应用行规等。支持对等式结构,网络上的节点可设置优先级,以满足不同的实时要求。采用非破坏性总线仲裁技术。由于得到了,等公司的支持而被广泛应用在分散控制领域。它的应用节点数量巨大,到年底已达到万个。它不仅用于工业生产线、机器人等工业控制,而且还用于医疗器械、铁路、航海、航空建筑自动化等领域。由于其性能优异,价格低廉,因此很快被等自动化厂家广泛应用。特别是在离散制推广到工业测控现场,被造加工领域,总线具有较强的竞争力”“。.
21、总线最早由公司开发并得到多家著名仪表公司的支持,于年成立了通信基金会。这种被称为可寻址远程传感器高速通信的开放通信协议,其特点是在模拟信号传输线上实现数字信号通信,属于模拟系统向数字系统转变过程中的过渡性产品,因而,在当前的过渡时期具有较强得市场竞争力,得到了较快的发展“”。.:总线技术采用符合/模型全部七层标准的通信协议,传输速率可达.,传输距离最长可达,双绞线,个网上的节点数可达个”?。技术被广泛的应用在工业、楼宇、家庭、能源、交通等自动化领域“。哈尔滨理工大学工程硕士学位论文. 技术的发展及前景技术是美国公司于世纪年代初推出的一种现场总线技术“?,推出后立即引起轰动,技术的用户、系统集成
22、商和产品生产商的队伍迅速扩大,其中包括世界上许多著名的自动化厂商如、等。技术是用于开发监控网络系统的一个完整的技术平台,并具有现场总线技术的一切特点,技术包括监控网络的设计、开发、安装和调试等一整套方法,要使用多种专用的硬件设备和软件程序。网络系统由智能节点组成,每个智能节点可具有多种形式的的功能,节点之间可通过不同的传输媒介进行通信,并遵守/的七层模型协议”“”。在工业控制领域,根据自动化研究协会和风险开发协会的独立研究,网络被认为是工业传感器和设备总线网络市场的开拓者和领导者。在建筑业中,协议中的第一、二层已被美国供暖、空调和制冷工程师学会接纳为建筑自动化控制网络的标准,同时也被美国国家标
23、准协会制定的有关标准所采纳。在欧洲,协议被认为是欧洲标准 和 的一部分。网络和,取消了那些复杂的配线线束,取消了 将控制分散到整个网络节点上去。此外,在半导体制造厂、气体压缩站、石油储罐区、印染厂、造纸厂等应用领域都占有重要的地位。技术最大的应用领域在楼宇自动化方面”?,它包括建筑物监控系统的所有领域,即入口控制、电梯和能源管理、消防/救生/安全、照明、供暖通风、测量、保安等。作为智能大厦中最重要的三个子系统?保安、防火和设备自控,目前能够利用技术承担系统集成的产品有:美国的、美国公司的?、瑞士能得的和新加坡科技电子与工程有限公司的等。技术的迅速发展和普遍采用使许多用户及生产商认识到,为监控网
24、络建立一个互操作的标准是非常必要的,只有实现了网络互操作的功能,最终用户和集成商在设备采购方面才有更多选择余地,他们可以在一个网络系统上使用多家厂商的产品进行安装和组态,这样会给用户带来极大便利。于是,在年月成立了互操作协会,它被世界上许多著名的自动化公司所支持,现已有家会员?。互操作协会的主要任务是制定并维护技术的指导标准,以帮助生产厂商和最终用户制造和使用统一的哈尔滨理工大学工程硕士学位论文开放式可互操作的产品。互操作协会的工作对技术的发展和应用起到了极大的推动作用。技术诞生至今已有几年的历史,随着科学技术的飞速发展,它本身也在不断地更新改进,如新一代 的时钟频率已从升至,而且公司已经宣布
25、,开发商可以把协议固化到任何一种微处理器中去,这就为技术打开了新的发展空间。为了和迅猛发展的互联网及其它网络系统交换信息,现已有生产厂商开发出多种网络接口卡,使用语言编程、可进行远程查询和控制”“,这就使技术又插上了远航的翅膀。随着计算机技术的迅速发展和日益普及,利用计算机技术对现代化商场、宾馆、酒店、办公楼、住宅等实行智能化管理和控制的技术也目益成熟”“,近年来国内已先后引进和研制了多种适用于楼堂、馆所的智能化管理和控制的楼宇自动化控制系统。.本课题的目的和内容。.选题的背景及意义本课题是牡丹江电力局计划委托研制项目。本人通过对技术的大量调研,充分看到了它的前景和趋势,了解了其在国内的现状和
26、不足,提出了一种应用网络控制技术构建的楼字自动化系统的实现方法,进行了智能温度测控等节点的开发和设计,通过对本课题的研究以及实际的开发实施工作,希望能对中国技术的推广和中国智能建筑控制系统的标准化工作起到一定的推广作用。本课题具有如下的现实意义和实际价值。.跟踪国际先进技术作为一名工程技术人员,应时刻关注国内外技术的最新动态,从全世界的角度,去考察自己所处的位置,选择最有力的切入点,去赶超世界技术潮流。在当今的工控领域中,最热门的话题之一为现场总线技术,而技术作为其中的标准之一,因其起步较晚但发展迅速,倍受业内人士关注。.技术的本土化对世界上的任何先进技术跟踪了解的最终目的都是为了此项技术的本
27、土化。而技术因其开放性,为国内企业的了解学习提供了有利的条件。在所有的现场总线中,开发技术所需的启动资金相对较低,这就为广大中小企业及科研机构介入提供了方便之门。同时也为技术的推广和利用提供了更为广泛的基础。哈尔滨理工大学工程硕士学位论文近两年在国内悄然兴起的智能建筑逐渐升温,作为智能建筑重要组成部分的楼宇自动化系统对技术提出了更高的要求。一些外国大企业凭借其技术实力和成熟产品,首先在中国抢滩登陆,迅速占领了中国的先期市场。为了弘扬自己的民族产业,生产出更加适合中国国情、更加低廉的楼宇自动化系统产品,已成为业内有识之士的共同心声和愿望。.本课题研究的内容本文在研究了现场总线及相关技术的基础上,
28、结合应用实例,详细阐述了基于现场总线的的实现过程和智能温度测控节点的开发和设计。主要具体工作如下:掌握技术的核心内容。概述了楼宇自动化系统的现状和发展趋势:比较传统的,说明在中引入现场总线技术的优点和意义。结合实际应用,提出一种应用网络控制技术构建的楼宇自动化系统的实现方案,介绍了技术构建的硬件及软件方案和实现方法,并进行了智能温度测控节点和显示节点的开发和设计。在了解电磁兼容性特点的基础上,讨论干扰源的产生并设计防护措施。堕塑堡呈冀望堡望堡垒二:?:竺釜第章技术。引言.主要技术特点是美国公司推出的一种综合的测控网络。它可以解决在控制网络的设计、构成、安装和维护中出现的大量问题。技术的主要特点
29、:,. 开放性网络协议是开放的,而且对任何用户都是对等的。其协议已被一些国际标准组织确认为一些标准,如 和。.互操作性通信协议是符合国际标准化组织定义的开放互连模型。网络协议完整到任何制造商的产品都可以实现互操作。该技术提供的微处理器接口程序软件允许开发各种低成本网关,方便了不同系统的互联。也使得系统具有高的可靠性。.通信介质可采用包括双绞线、电力线、无线、红外线、光缆等在内的多种介质进行通信,并且多种介质可以在同一网络中混合使用。这一特性使得不同工业现场的不同设备实现互联。增强了网络的兼容性。.通信方法网络通信采用面向对象的设计方法。网络技术称之为“网络变量”,它使网络通信的设计简化为参数设
30、置,增加了通信的可靠性。通信的每帧有效字节可从到个字节。技术在一个测控网络上的节点数可达个。通信速率可达./。此时有效距离为;/的双绞线,直线通讯距离长达。.网络结构能够使用所有现有的网络结构,如主从式、对等式以及客户朋艮务式/。.网络拓扑可以自由组合,支持总线型、环型、自由拓扑型等网络拓扑形式。尤其是自由拓扑形式使锝网络构建更为方便灵活。.分布式处理 网络上的每个设备都不依赖于其它设备独立地接收、发送和处理网络信息。这意味着控制网络上的每个设备都可以进行决策和信息处理,而不依赖于计算机、或其它形式的中央处理器。消除中央处理器意味着减少控制网络的总成本。由于个别设备的故障并不会影响网络中其它部
31、分的工作,也使得控制网络更加可靠。哈尔滨理工大学工程硕士学位论文. 技术核心元件芯片内部装有个位微处理器,种/对象和定时器/计数器等,还有通信协议。芯片具备通信和控制功能。.冲突检测算法改善了,采用可预测坚持,这样,在网络负载很重的情况下,不会导致网络瘫痪“。除上述特点外,控制网络在功能上就具备了网络的基本功能,它本身就是一个局域网,和具有很好的互补性,又可方便的实现互联,易于实现更加强大的功能。以其独特的技术优势,将计算机技术、网络技术和控制技术融为一体,实现了测控和组网的统一,丽其在此基础上开发出的/功能将进一步使得网络与以太网更为方便的互联。.技术简介技术是一种控制网络层次上的技术,技术
32、是一个实现控制网络系统的完整平台。网络由传输介质将智能设备或智能节点连接构成。对于组成网络的节点而言,所完成的任务无非是获取和传输数据,著根据所获取的数据信息来执行相应的控制逻辑。智能设备或智能节点与它们所处的环境进行交互作用,通过不同的通信介质与其他节点进行通信”“,这种通信采用一种通用的、基于消息的控制协议。节点的开发离不开对网络的整体考虑。根据控制策略的不同,节点的开发会有所不同。本章分四部分来讨论节点的开发,即神经元芯片的硬件结构、协议、收发器和和开发工具。.神经元芯片的硬件结构神经元芯片是由美国公司研制的一种集通信、控制、调度和/支持为一体的高级器件,是技术的核心器件。神经元芯片可以
33、来自于两家供应商:美国和日本公司,其机构和性能完全一致,其型号前分别加上和符号。一个典型的节点是以神经元芯片为核心,外加供电电源电路、通过网络介质通信的收发器、扩展内存只有芯片具有、时钟电路及/电路、复位电路、安装服务电路及被监控设备接口的应用电路组成。图.为一简化的典型神经元节点的结构框图。哈尔滨理工大学工程硕士学位论文每个神经元芯片中可以存储和安装指定的参数及程序,通过对硬件和固件的有机集合,使用不同的通信介质通过神经元芯片内置的通信协议可以完成网络节点需要的所有关键功能。即处理所有通信协议消息,传感信号输入和控伟信号输出,实现各种应用功能等”“。图神经元节点的结构框图.神经元芯片的结构和
34、存储器配置神经元芯片包含和两大系列,它们的区别在于系列可以扩展外部内存空间,而系列则只有片内固定的内存空间。本身为一完整的最小系统,它支持小型应用程序,适用于简单的低成本系统;芯片支持外部存储器,可进行软件的扩展,适用于大型复杂系统;两种神经元芯片的主要硬件资源配置和结构框图如表.和图.所示。在两种芯片的中存储有网络配置、编址信息以及神经元芯片的唯一位标识符 由生产厂商写入,另外还有用户应用程序代码和只读数据。在两种芯片的静态中和,设有数据堆栈,存储有应用程序和系统数据,并开辟有协议中的网络缓冲区和应用缓冲区。“。哈尔滨理工大学工程硕士学位论文外部存储器总线仅对 。淋孙 篙嚣挚 宅络 应用 ,
35、为。个 个 十 个 个 个内部地址总线 内部地址总线. 一一定时马控制、 网络通时钟与控制 应用,模块:加载寄存器、计数器等定时器 信端口。 个 个, 、 , 、 、, ,、 、 ,、 ,、强 , : 、图神经元芯片框图.表?神经元芯片硬件配置比较表 特 征处理器, 佃 位定时器/计数器 外部存储器接口 有无 无 无封装 管脚.哈尔滨理工大学工程硕士学位论文两种神经元芯片的存储器配置是不同的,不可外接外部,而则可以,因此它有外部数据线和地址线及少量控制线的引脚。图.图分别示出了几种神经元芯片的存储器布局和功用”“。?。存储器映像存储器映像/和保留空间 /和保留空间.保留.保留. 用户可用 不可
36、用存储器空间吐,神经元芯片神经元芯片固件和保留空间固件.十榔懈丫丁棚上图芯片存储器分类 图/芯片存储器分配.? /.保留用于存保留用于存储器映像/储器映像/保留保留 不可用不可用。芯片芯片固件固件木霎十丁椭上图芯片存储器分配 图 芯片存储器分配.?.?哈尔滨理工大学工程硕士学位论文对于芯片,内存和外存总共有字节地址空间,可为,或,处理器通过外部存储器可访问其中的,另外的为内部映射。需要的外部存储器来存储协议的内容,包括介质访问控制和网络处理器执行系统软件以及/驱动和事件驱动工作软件,它们是由生产厂在芯片中固化好的。而余下的外部存储器可用于存储用户写入的应用程序代码、存储附加的应用程序读写数据、
37、附加的网络缓冲区和应用程序缓冲区。对于芯片,在的神经元芯片固件区内也同样存有协议的内容。而用户程序只能使用.的。.神经元芯片的结构使用技术制造的神经元芯片是总线技术的核心。神经元芯片是高度集成的,使用它所需要的外部器件是最少的。神经元芯片内部含有个位流水线作业的微处理器。神经元芯片内个处理器功能如图?所示。”。”。共享图?神经?芯片处理器功能.? 处理器”为介质访问控制处理器,它处理七层协议中的第一层物理层和第层数据链路层,并可以驱动通信子系统的硬件来完成冲突避免算法。处理器“通过共享存储器中的网络缓冲区与处理器通信,正确地对在网络上传括的报文进行编码和解码。处理器为网络处理器,实现七层协议中
38、的第层到第层网哈尔滨理工大学工程硕士学位论文络层、运输层、会话层和表示层。处理器完成网络变量编址、寻址、处理事项进程、报文鉴定、背景诊断、软件定时器、网络管理和路由寻址等功能。处理器。通过共享存储器中的网络缓冲区与处理器”通信,使用应用缓冲区与处理器通信。处理器为应用处理器,实现七层协议中的第层应用层,它通过执行用户代码和用户代码调用的操作系统进行工作。处理器通过共享存储器中的应用缓冲区与处理器通信。七层协议中的第层到第层由固件来完成。用户可以不必关心网络底层的事情,这些都由处理器和自动完成。只需要编写应用层程序,大部分应用程序的编程语言为 语言。.。神经元芯片的通信功能神经元芯片可支持多种通
39、信介质,如双绞线、无线、红外、光纤、同轴电缆等;支持各种网络结构,如总线型、星型、环型、树型等拓扑方式。在各种通信介质中,双绞线以高性价比而应用最为普遍。公司提供的双绞线变压器耦合收发器支持总线型和自由拓扑型拓扑,其抗干扰能力强,可承受持续时间为的电压,采用总线拓扑的网络最长可达,采用自由拓扑的网络最长可达,组网灵活,可满足一般的工业应用。神经元芯片通过只引脚与各种通信介质接口即网络收发器连接。为适合不同的通信介质,可将个管脚配置为种不同的接口模式:单端模式主要用于光纤、同轴电缆或无线射频收发器:差分模式主要用于连接带隔离变压器的双绞线网络收发器;专用模式,在使用时,和分别输出位和帧的同步信号
40、,可用于和用户设计的智能型网络收发器连接,便于用户任意的构成自己所需要的方式,这样就大大提高了神经元芯片在通信方式上的灵活性。在单端模式和差分模式工作时,通信端口使用曼彻斯特差分编码技术对数据进行编码和解码。这种编码在每一位的起始时刻总有一次跳变,而“”和“”的差别在于“”在中间的位置多一次跳变。这种编码方式有利于在接受端从数据流中提取发送端的时钟信息而不需专用时钟线。网络的通信速率根据时钟频率的不同和传输介质的差异而不同,最高可达.,最低为.。数据传输持续吞吐量为包/秒,在.时最高可达包/秒。对于差分模式可以由电流输出来驱动双绞线网络,另外可选用冲突检测输入信号以保证通信的可靠性“。哈尔滨理
41、工大学工程硕士学位论文.神经元芯片的/功能和芯片都有只/引脚,它们是节点与传感器、执行器和控制器相连的物理硬件接口。这些引脚可通过编程设定为各种不同的功能,用户可根据需要灵活地配置,使用起来十分方便。其中,具有高电流吸收能力、.,可以直接驱动些小功率的设备;具有片内可选择上拉电阻,具有标准接收能力、.;另外,还带有低电平检测锁存器。所有引脚信号均为带滞后的电平。只引脚可以组成种不同的/功能,它可分为输入、输出和双向三大类别。神经元芯片带有两个片内定时/计数器。图?为神经元芯片的定时,计数器外部连接图。定时,计数器为多路选择定时/计数器,时钟输入可通过一个多路选择开关从中选择一个通道,输出为。定
42、时/计数器为专用定时/计数器,它的输入是,输出是。每个定时/计数器包括:位计数器;可以被写入的位装入寄存器;可以被读出的位锁存器。”“。叭;:嘶叭图神经元芯片定时,计数器外部连接图/ /.?.神经元芯片的其它功能.时钟系统在神经元芯片中包括一个分频器,通过外部的一个输入晶振来输入时钟,神经元芯片的输入时钟可以是如下标准频率:、.和是对于低压神经元芯片来说的。.复位电路对于任一个节点,必须有一个上电复位电路,使其在上电时哈尔滨理工大学工程硕士学位论文完成复位过程。在复位电路中,应有一个低压保护器件: 与神经元芯片的管脚相连,以确保神经元芯片在较低电压下停止工作时进入保护状态。.定时器神经元芯片为
43、防止软件失效和存储器错误,在三个内部均包含有定时器。如果应用软件和系统没有在规定的时间内刷新这些定时器,整个神经元芯片将自动复位。定时器的复位周期依赖于神经元芯片输入时钟的频率,例如在输入频率为时,定时器周期是.。当神经元芯片处于睡眠状态时,所有的定时器被禁止。.睡眠/唤醒机制神经元芯片可在软件控制下进入低功耗睡眠模式,此时神经元芯片关闭系统时钟和所有的定时/计数器,但包括片内在内的系统所有的状态信息均保留。当以下任一输入跳变出现即可恢复正常操作:由定时器/计数器的多路复用器选择的管脚中的任一个;服务功能管脚非屏蔽:通信端口可屏蔽差分式直接模式时的或,单端直接模式时的,专用模式时的。.是神经元
44、芯片里的一个非常重要的管脚,在节点的配置、安装和维护的时候都需要使用该管脚。该管脚具有输入和输出的双重功能。作为输入,当管脚收到一个逻辑低时,神经元芯片传送一个包括该节点位的 网络管理信息。输出时, 通过一个低电平来点亮外部的,表示该节点没有应用代码或芯片已坏;以/的频率闪烁表示该节点处于未配置状态。为完成输入输出功能,该管脚的输入输出以的频率、%的占空比复用。当没有连接和上拉电阻时,有一个片内可选的上拉电阻以保证输入是无效的状态。. 协议.概述协议是技术的网络通信协议。协议遵循由国际标准化组织定义的开放系统互连参考模型。协议提供了参考模型所定义的全部七层服务,是支持节点间可靠通信和有效使用通
45、信介质的各种服务的集合。它包容了总线的所有网络通信功能,包含一个功能强大的网络操作系统,哈尔滨理工大学工程硕士学位论文除了协议以外还没有哪一个协议宣称它能够提供参考模型所定义的全部七层服务。这是协议区别于其它各种协议的重要特点。一般网络只能选用某种专用的介质,而协议支持以不同通信介质分段的网络。协议支持的介质包括双绞线、电力线、无线、红外线、同轴电缆和光纤。通过所提供的网络开发工具生成固件,可使通信数据在各种介质中非常可靠地传输。协议要求每个节点都需要物理地连接到信道上,网络由一个或多个信道组成。不同信道通过路由器相互连接。路由器是连接两个信道并控制两个信道之间数据包传送的器件。由于协议对的七层协议
