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)點的現(xiàn)場總線應(yīng)運而生。現(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)點的具體應(yīng)用開發(fā)。LonWorks技術(shù)極大地方便了用戶，也促進了該技術(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)具有較強的可行性及現(xiàn)實意義。本文擬對基于LonWorks 網(wǎng)絡(luò)的PID控制節(jié)點的設(shè)計與開發(fā)作一論述。
1 整體設(shè)計思想
　　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，實現(xiàn)對被控對象的控制，即對現(xiàn)場儀表進行測量信號采集，控制運算及控制信號輸出。整體節(jié)點設(shè)計分為三部分：信號采集、控制運算及信號輸出。
　　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，實現(xiàn)了用戶應(yīng)用程序與組網(wǎng)通訊的統(tǒng)一。
　　本文設(shè)計的PID控制節(jié)點的結(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，為保護節(jié)點核心部分免受損壞，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)點的抗干擾性能。
2 節(jié)點實現(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和計時器/計數(shù)器I/O對象。
　　本設(shè)計選用串行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，功能擴展較復(fù)雜。所以不采用并行I/O對象。
2.2 節(jié)點硬件/軟件設(shè)計
　　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。現(xiàn)場4～20mA測量信號經(jīng)過200Ω精密電阻變?yōu)?.8～4V電壓，進入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接口程序為：
　　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的擴展，并增添了一些較強的功能，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)點間的數(shù)據(jù)共享。本設(shè)計中PID控制運算的設(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，節(jié)省了空間。另外，AD694有較強的驅(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)點設(shè)計為兩路輸出，片選信號分別由IO.2、IO.3給出，具體電路如圖5所示。