基于Host Based架構模式的LON總線協議轉換控制器

楊 帥，王 超，成建生

（1. 淮安信息職業技術學院，淮安 223003；2.江蘇電子產品裝備制造工程技術研究開發中心，淮安 223003）

基于Host Based架構模式的LON總線協議轉換控制器

楊 帥1,2，王 超1,2，成建生1,2

（1. 淮安信息職業技術學院，淮安 223003；2.江蘇電子產品裝備制造工程技術研究開發中心，淮安 223003）

0 引言

現場總線技術發展至今，憑借其優越的開放性、互換性、分布式等優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，應用領域還是比較狹窄。在目前集散控制還是主流控制的背景下，提高現場總線應用范圍的有效措施就是現場總線控制技術與集散控制技術融合，兩者取長補短，增強系統的控制性能，為控制網絡提供更大的靈活性。現場總線控制和集散控制是兩種異域技術。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具有協議轉換功能，實現了與集散控制系統的有機結合，因此提出了一種基于LonTalk標準協議和Modbus標準協議轉換功能的LON總線協議轉換控制器。

1 LonTalk標準協議與Modbus標準協議

LON技術是一種致力于綠色節能和智能管理的總線控制網絡平臺，支持LonTalk標準協議。LonTalk協議所采用的算法是優先級帶預測的P-堅持CSMA（載波監聽多路訪問），該協議能夠預測LON總線網絡負載，輕載時給網上節點分配數目較少的隨機時隙以減少節點媒介訪問延時；重載時給網絡上節點分配的較多數目的隨機時隙以減少各節點因同時發送消息帶來的沖突，從而實現了隨機時隙數目以概率P值的動態的調整。為提高緊急事件的響應時間，提供一個可選擇優先級的機制，在發送過程中優先級數據報文將在時間片里將報文發送出去，加入優先級的節點具有更快的響應時間[1]。Modbus協議是應用于集散控制網絡上的一種通信規約，支持傳統的RS232、RS485。通過該協議控制器相互之間、控制器經由網絡與其他設備之間都可以通信，它已經成為主流的工業標準之一，符合Modbus協議的不同廠商生產的控制設備可以連成工業網絡，進行集中監控，實現LonTalk協議標準與Modbus協議標準的協議轉換，現實意義巨大。

2 LON總線協議轉換控制器的的原理模型

為了實現LON總線協議轉換控制器的LonTalk協議標準與Modbus協議標準的轉換，控制器采用Host Base設計框架，兩處理器（即神經元芯片3150和單片機AT89C55）之間數據交換的方法，這種設計架構模式使LON總線協議轉換控制器信息處理速度快，開發成本較低，性價比較高。神經元芯片3150是一種專門為設備提供智能和網絡控制能力的集成芯片，由于神經元芯片將復雜的通信過程簡化為網絡變量和捆綁和連接，為充分發揮其優異的通信特性，將其定位從機角色，只承擔信息通信任務。AT89C55一款片內具有20KFlash存儲器、存儲空間大，適合數據存儲和處理，將其定位主機角色，承擔數據的存儲和處理。為了提高LON總線協議轉換控制器的數據處理速度，3150和AT89C55之間采用Slave A模式并行接口進行連接，LON總線協議轉換控制器的原理模型如圖1所示。AT89C55通過MAX485/MAX232芯片接收和發送Modbus標準協議數據報文；3150通過FTT-10A收發器接收和發送LonTalk標準協議數據報文；Modbus標準協議數據報文和LonTalk標準協議數據報文通過Slave A模式的并行接口實現相互轉換。AT89C55除了協議轉換功能外，還擔負著現場信號采集和信號輸出的功能。

3 LON總線協議轉換控制器的的硬件設計

圖1 LON總線協議轉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根雙向數據總線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構成，支持最高速率3.3M[3]，極大提高數據報文處理的實時性。神經元芯片3150的IO0～IO7管腳依次與單片機AT89C55的P00～P07管腳相連形成數據總線，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數據報文的交換，有效解決了數據總線頻繁占用、數據阻塞的瓶頸弊端[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據報文的主動權。當片選信號線～CS為低電平時，讀寫操作由R/～W控制信號線決定，當R/～W為低電平時，AT89C55占有令牌，當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，握手信號HS為低電平時，3150處于空閑狀態。當AT89C55檢測握手信號線HS為低電平時，在～CS信號的下降沿將數據寫入數據總線。Modbus標準協議設備是采用的是標準EIA電平，單片機AT89C55采用的是標準的TTL電平，實現AT89C55與Modbus協議設備的數據報文相互傳遞，采用MAX232和MAX485進行電平轉換，從而形成1路RS232接口和1路RS485接口，通過多路開關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總線協議轉換控制器的的軟件設計

實現LON總線協議轉換控制器主機AT89C55數據報文的采集接受和輸出發送，AT89C55通過UART串行中斷接收和發送Modbus協議設備的數據報文，通過定時中斷采集現場信號和輸出信號，并將采集和接收到的數據報文暫存自己的數據存儲區。AT89C55與Modbus協議設備的通信數據是成幀成包發送的。每包數據都有同步碼、控制碼、地址碼、報文內容、校驗碼、結束碼等部分組成。Modbus協議數據報文格式如下所示：

同步碼 控制碼 地址碼 報文內容 校驗碼 結束碼

實現LON總線協議轉換控制器主機AT89C55與從機3150的數據交換，采用虛擬令牌乒乓式傳輸，LON總線協議轉換控制器上電復位后，AT89C55發送同步值，3150讀取后向AT89C55發送應答同步，當AT89C55和3150同步后，兩處理器開始交換數據報文，AT89C55置低R/～W信號線占有令牌，通過置低～CS信號線選通3150并時刻監聽從機3150的閑忙狀態，當檢測到信號線HS為低電平，即3150處于空閑狀態，AT89C55立即將Modbus協議設備發送過來的數據報文寫到Slave A模式并行接口的數據總線上，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模式并行接口數據總線。當3150占有虛擬令牌后，3150輪巡檢測When( nv_update_occurs(輸入網絡變量 ))語句，當輸入網絡變量的值被更新時，通過io-out（ ）函數將數據報文發送到Slave A模式并行接口數據總線上，同時交出虛擬令牌，然后置低HS信號線，并通過任務驅動語句When()和io_in( )函數讀取AT89C55發送過來的數據報文，由Neuron C語言設計的調度程序將報文數據賦值給輸出網絡變量，并通過3150內部固化的LonTalk協議的網絡層、MAC層將類型、源地址、目標地址、變量名、變量內容等消息層層打包[5,6]，將打包后的數據幀發送給LON網絡總線上的LonTalk協議目標設備，LonTalk協議數據幀的格式如下：

同步碼 域ID 地址碼 配置表 網絡變量消息 校驗碼

圖4 虛擬令牌乒乓式傳輸機制流程圖

網絡變量消息的代碼第一字節的第1位是1，表明該消息是網絡變量；第2位表明該消息是輸入網絡變量還是輸出網絡變量（0為輸入，1為輸出），3～8位是網絡變量選擇器的高有效位；網絡變量消息的代碼第二字節是網絡變量選擇器的低有效位；余下的字節是網絡變量的值；當網絡變量修改消息發送后，如果LON總線網絡的其它LonTalk標準協議接收設備有一個輸入網絡變量的選擇器的值與發送消息中的選擇器的值相同，那么接收設備上對應的輸入網絡變量修改事件發生，輸入網絡變量的值修改為發送網絡變量消息的值，實現LON總線協議轉換控制器與其它LonTalk標準協議設備的通信。LON總線協議轉換控制器中3150固化的LonTalk協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議，包括主機的同步、握手、數據讀寫、令牌傳遞過程，傳送的數據要遵從一定的格式，傳送的數據要遵從一定的格式[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組網工具把LON總線協議轉換控制器添加到LON網絡上，通過LNS DDE SERVER或NL-OPC Server工具訪問LON網絡數據，實現LON總線協議轉換控制器的網絡集成，修改LON總線協議轉換控制器的網絡變量數值，該控制器通過232/485端口輸出數據，Modbus設備通過232/485端口返回數據，LON總線協議轉換控制器接收到數據報文后，進行LRC校驗，然后解析，通過LonMaker軟件監測返回的數據報文。

6 結論

通過LonMaker監測到的返回數據正確，當每秒要傳輸的數據報文達500～1000包時，網絡碰撞率穩定在10%，LON總線協議轉換控制器性能良好。基于LonTalk協議標準與Modbus協議標準的轉換功能的LON總線協議轉換控制器是推進了企業網絡一體化建設進程，實現了現場控制、生產監控層、生產管理層和生產決策層相互貫通，構建了一種分散控制、集中企業體系，這種體系模式是降低現代企業生產和運營成本的同時又能使管理者高效監管企業生產和運營。

[1]楊帥.基于虛擬令牌傳輸協議的LonWorks監控系統設計[J].低壓電器.2010,(14):45-48.

[2]馮艷娜.基于Lonworks 總線的網關工具的設計[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節點[J].儀表技術與傳感器.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控制器的設計[J].電測與儀表.2011,48(4):86-89.

[6]楊帥.采用LonWorks電力載波技術的控制器[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控系統[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監控系統的設計[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現場總線技術和集散控制技術有機結合，設計了一種Host Based架構模式LON總線協議轉換控制器。采用單片機AT89C55和神經元芯片3150分別作為LON總線協議轉換控制器的主從處理器，通過建立的Slave A模式并行接口實現了虛擬令牌乒乓式傳遞機制下的數據報文的傳遞。LON總線協議轉換控制器實現了LonTalk標準協議和Modbus標準協議之間的數據報文的相互轉換。實驗表明：LON總線協議轉換控制器性能良好。

LonTalk協議；Modbus協議；協議轉換；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。

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年淮安市創新載體平臺建設計劃項目（HAP201313）