基于AT89C2051單片機的VCN-MIO智能節(jié)點模板電路設(shè)計

0.引言

基于具有三個CPU且固化了LonTalk通信協(xié)議的神經(jīng)元(Neuron)芯片的智能節(jié)點模板，由于Neuron芯片是八位處理器,而且只提供了11個通用I/O口，并采用了基于事件巡檢的軟件調(diào)度機制，故其控制功能相對較弱,使它無法完成實時性高的多進程、多任務(wù)的并行處理，不能滿足采集量和控制量要求較多的多現(xiàn)場設(shè)備管控的高要求，且性價比較低。要滿足這種高要求，就要減少Neuron芯片在外部事件上的開銷，讓其充分發(fā)揮它在通訊組網(wǎng)上的優(yōu)越性，能使現(xiàn)場設(shè)備之間快速地交換信息，滿足系統(tǒng)實時監(jiān)控的要求;而對于提高網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的測控能力，必須另擇門路。嵌入控制功能強、物美價廉的單片機，專門完成多節(jié)點的智能測控，構(gòu)成一種基于AT89C2051單片機的VCN-MIO(多I/O)智能節(jié)點模板，不失為一種上乘的較佳選擇，本文介紹它的電路設(shè)計。

1.VCN-MIO智能節(jié)點模板的總體設(shè)計

VCN-MIO智能節(jié)點模板，以包含Neuron芯片在內(nèi)的TP/FT-10F閃控模塊和AT89C2051單片機為核心，采用標(biāo)準(zhǔn)的控制網(wǎng)絡(luò)協(xié)議LonTalk，實現(xiàn)了真正的對等層點到點通信的分布式控制網(wǎng)絡(luò)。其總體設(shè)計如圖1所示。圖中，A為8路AI、6路DO;B為網(wǎng)絡(luò)、直流電壓與交流源接口;C、D、E分別為擴充模塊的I/O端口，其功能由擴充I/O模塊定義，可以根據(jù)工程實際需求靈活配置。

圖1 VCN-MIO智能節(jié)點模板總體設(shè)計

(*中國高等教育學(xué)會“十一五”教育科學(xué)規(guī)劃課題(批準(zhǔn)號：06AIP0090046);江蘇省教育科學(xué)“十一五”規(guī)劃2006年度課題(立項編號:179); 山東省教育科學(xué)“十一五”規(guī)劃2006年度課題(立項編號:115GG41); 黑龍江省教育科學(xué)“十一五”規(guī)劃2006年度課題(批準(zhǔn)編號:HGG027);黑龍江省教育廳2006年科學(xué)技術(shù)研究計劃項目(項目編號：11513037);朱靜(1966-),女，江蘇淮安人，副教授，高工。研究方向：機電工程控制)

2.TP/FT-10F 主控核心模塊電路設(shè)計

主控制模塊提供了一種簡單、有效的方法將LonWorks技術(shù)運用到任何控制系統(tǒng)中。本設(shè)計控制模塊存儲器采用 FLASH EPROM，它能夠在掉電的情況下保證數(shù)據(jù)不丟失，同時在上電的情況下還能夠?qū)λM行可反復(fù)擦寫1000次的數(shù)據(jù)寫操作，在FLASH EPROM中，ATMEL公司的AT89C512 與MC143150 的時序配合最為合適，存儲空間以64K為首選。收發(fā)器選用 FTT-10A，它在未加電時呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，不會影響網(wǎng)絡(luò)通信。FTT-10A 與神經(jīng)元芯片3150的接口電路如圖2所示。

圖2中，Cl 是靜態(tài)放電電容，在需要的情況下，要盡可能耐高壓，電容值偏小，如 1000pF;C2 是供電電源的解耦電容，通常選用0.1uF/5V解藕電容;C3、C4為DC模塊電容，取值為22uF/50V;二極管為電容暫態(tài)限幅，保證收發(fā)器靜態(tài)放電安全可靠，建議使用 IN4148或 BAV99。圖3所示控制模塊的左側(cè)18插腳分別與神經(jīng)元芯片的11個I/O、RESET、SERVICE、電源及接地引腳等直接相連，右側(cè)6個插腳與圖2的Net1、Net2直接相連。

圖2 FTT-10A 與神經(jīng)元芯片3150的接口電路

圖3 TP/FT-10F控制模塊結(jié)構(gòu)圖

3 VCN-MIO底板與擴展模塊的電路設(shè)計

3.1單片機AT89C2051與神經(jīng)元芯片MC143150的接口電路設(shè)計

底板的結(jié)構(gòu)設(shè)計用來排列核心模塊和擴展模塊，并給各個擴展模塊提供電源，同時底板又是一個8路AI/6路DO的基礎(chǔ)板。核心模塊和擴展模塊、核心模塊與底座的通信即神經(jīng)元芯片與單片機AT89C2051芯片通信采用的是SPI方式，如圖4所示，由于神經(jīng)元芯片的IO口不多，故選用串行方式。SPI接口是一種同步全雙工串行外圍接口，突出優(yōu)點是在使用最少的微控制器引腳的前提下，實現(xiàn)相對高速的短程通信。神經(jīng)元芯片提供Neurowire對象實現(xiàn)SPI方式通信，IO8、IO9、IO10分別是同步時鐘、數(shù)據(jù)輸出、輸入;IO0-IO7任意一個可作為片選。

圖4單片機AT89C2051與神經(jīng)元芯片MC143150的接口電路

3.2輸入輸出接口電路設(shè)計

數(shù)字量輸出模塊采用達林頓陣列ULN2003集電極開路輸出，最大電壓50V，最大吸收峰值電流500mA，最大壓降1.2V。但ULN2003芯片功耗為:PD=(最大結(jié)溫-工作溫度)/73。

當(dāng)最大結(jié)溫取150℃，工作溫度取40℃時，PD=1.5W，建議不要超過1W。由于每塊達林頓陣列ULN2003用了5路，即每路0.2W，當(dāng)平均壓降取1V時，每路額定吸收電流則僅為200mA。輸入可采用干觸點輸入或者電壓輸入。為了簡化電路和電源，采用二極管隔離方式。干觸點接通時要求接觸電阻不大于500Ω，響應(yīng)時間可達2ms，通過觸點的電流不大于1mA;干觸點斷開時，觸點的電壓不大于5V，要求觸點斷開電阻不小于30KΩ。電壓輸入，高電平+3V～+30V，低電平0～+1V，脈沖響應(yīng)時間可達2ms。數(shù)字量輸入輸出接口電路如圖5所示。

圖5 數(shù)字量輸入輸出接口電路

模擬信號部分電路相對復(fù)雜，針對交流輸入和直流輸入分別設(shè)計了不同的檢測濾波電路。圖6為模擬信號采集電路，適用于直流電壓、電流信號輸入，可通過軟件調(diào)整量程。AD7705是AD公司出品的適用于低頻測量儀器的AD轉(zhuǎn)換器。它能將從傳感器接收到的很弱的輸入信號直接轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號輸出，而無需外部儀表放大器。采用Σ-Δ的ADC，實現(xiàn)16位無誤碼的良好性能，片內(nèi)可編程放大器可設(shè)置輸入信號增益。

圖6 模擬信號采集電路

圖7為模擬量輸出電路，DAC7513是低功耗、單信道、12位緩沖電壓輸出D/A轉(zhuǎn)換器(DAC)。芯片內(nèi)含精密輸出放大器，使(rail-to-rail)軌對軌輸出成為可能。它采用通用三線串行接口，操作時鐘頻率高達30MHz，與標(biāo)準(zhǔn)接口兼容。DAC7513集成了上電復(fù)位電路，上電時輸出電壓為0V并保留此狀態(tài)直到產(chǎn)生對器件有效的寫，包含掉電特性，在結(jié)束串口訪問后，電流消耗可降為200nA(5V)。DAC7513的功耗為0.5mW(5V)，掉電模式均降為1μW。

圖7 模擬量輸出電路

4 節(jié)點故障診斷和抗干擾設(shè)計

4.1 故障診斷策略流程

在節(jié)點開發(fā)過程中，故障的出現(xiàn)是不可避免的。在出現(xiàn)故障后能迅速的診斷故障所在，并且及時地進行修正，是每個開發(fā)人員面臨的共同任務(wù)。而在故障的診斷中，具有一個好的策略流程，能有效的指導(dǎo)開發(fā)人員有順序的有邏輯的進行故障定位。圖8便是一個基本完整的策略流程圖。

圖8 節(jié)點故障診斷流程

4.2 電磁抗干擾設(shè)計

對于系統(tǒng)板上的數(shù)字芯片，由于3150 運行的工作頻率大概為10MHz，工作頻率高，高速跳變電流會產(chǎn)生較大的阻抗噪聲。為了抑制這種噪聲的影響，需要在芯片的電源引腳和接地引腳之間添加去耦電容，以通過電容的充放電來穩(wěn)定電流量;在信號傳輸頻率高的地方，盡量使用小的解耦電容。在電路板規(guī)劃的時候，采用四層電路板設(shè)計方案，可以減少電磁干擾;在電路板布線時，應(yīng)盡量縮短存儲芯片的數(shù)據(jù)線、地址線及控制線的走線距離，以減少對地電容;要保持多條地址線之間走線距離的一致性，否則各線會因走線距離不同而造成較大的阻抗差異，使到達終端的地址信號波形相差過大，最終導(dǎo)致控制信息失效。此外，數(shù)字芯片的未用輸入端不應(yīng)處于浮空狀態(tài)，而應(yīng)將其接入高電平，以防止電磁干擾竄入開路的輸入端，引起邏輯電路的誤動作。

4.3 靜態(tài)放電(ESD)影響處理

ESD是在電子應(yīng)用中經(jīng)常遇到的問題。減少ESD帶來的影響通常有兩種解決的辦法。首先，把敏感設(shè)備用電磁套包裝起來，使ESD不能到達敏感設(shè)備。接地可以為各電路的工作提供基準(zhǔn)電位，但同時也為不同電路的噪聲信號提供了一條耦合途徑。由于本系統(tǒng)板上既具有模擬通信接口、A/D 轉(zhuǎn)換等模擬電路，也具有存儲系統(tǒng)等數(shù)字電路，因而采取了模擬、數(shù)字電路單元內(nèi)部分別接模擬地和數(shù)字地，最后再將兩條地線接至一點的措施。這樣便在最大程度上降低了兩種電路間地線的公共阻抗，減少了兩種電路間的噪聲信號的互擾。

5 結(jié)語

本文設(shè)計了基于AT89C2051單片機的VCN-MIO智能節(jié)點模板結(jié)電路設(shè)計，單片機作為主處理器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集處理部分的工作，而Neuron芯片專門負(fù)責(zé)通信功能。這樣處理的最大好處是提高了數(shù)據(jù)處理的能力，提升了節(jié)點的性能?，F(xiàn)場的信號主要是數(shù)字量和模擬量兩種，故針對每種信號的特點分別設(shè)計了輸入輸出電路，值得強調(diào)的是VCN-MIO這種節(jié)點的結(jié)構(gòu)安排，即一個核心控制模塊配帶一些擴展模塊，端口的數(shù)量可以靈活配置，端口的形式也可以靈活配置。目前已開發(fā)出具有44路I/O節(jié)點的高性能智能模板，并已將其應(yīng)用于第十屆“挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技競賽作品“現(xiàn)代化立體車庫的遠程智能網(wǎng)絡(luò)管控系統(tǒng)”制作，效果顯著。實驗表明，該多I/O智能節(jié)點模板的智能節(jié)點數(shù)大大增多;通信、控制調(diào)度、實時性、可靠性大大增強;性價比大大提高;能夠滿足目前現(xiàn)代工業(yè)過程控制領(lǐng)域復(fù)雜測控系統(tǒng)的高要求。