电路.docx
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电路
目录
目录1
绪论2
课题背景2
课题的意义3
课题的研究内容4
本文的结构安排5
PLC技术6
PLC技术6
PLC技术与其他的通信技术的比较6
电力线通信技术的发展状况6
国外发展状况6
国内发展状况6
系统的硬件设计6
主控模块的设计6
总设计框图6
主控模块造型7
Neuron芯片（PL3150）7
耦合电路12
PL3150外存扩展12
应用电路设计模块13
电源电路设计14
LONWORKS应用电路扩展15
XX模块的设计17
系统的软件设计17
平台构建17
基于Lonmaker的PLC程序设计17
系统的测试17
结论17
参考文献17
绪论
课题背景
现场总线是当今自动化领域技术发展的特点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。
它是现代计算机，通信和控制技术的集成，即通常所说的3C（Computer、Communication、Control）技术。
现场总线是一种工业总线，它是自动化领域中计算机通信体系最低层的成本网络，国际电工委员会（IEC）和现场总线基金会（FF）对现场总线做了如下定义：
现场总线是连接智能设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。
LON（LocalOperatingNetworks）总线是美国Echelon公司1991年推出的局部操作网络，为集散式监控系统提供了很强的实现手段，在其支持下诞生了新一代的智能化低成本的现场测控产品。
为支持LON总线，Echelon公司开发了Lon2works技术，它为LON总线设计，成品化提供了一套完整的开发平台。
LONWORKS技术的突出优点表现在以下几方面。
一是开放性，LonWorks协议是公开的，得到工业界的广泛接收和支持；二是互操作性凡是符合LonMark互操作规范的产品可以实现完全的互操作，从而为用户提供了更多的选择，保护了用户的投资，三是广泛的通讯介质支持和灵活的网络拓朴结构，LonWorks技术支持各种常用的通讯介质，如双绞线、电力线、光纤、同轴电缆、无线通讯和红外线等，多种介质可以同一个网络中混合使用，另外还支持各种网站拓扑结构，如总线型、星形、自由拓扑等。
以上诸多优点使得LonWorks技术应用于工业及国防工程监控系统可以降低工程造价，提高综合效益，对系统扩展、现场设备的更新换代和降低系统维护费用、提高现场控制的可靠性创造了条件。
课题的意义
随着社会的信息化程度高度发展，当今社会对智能楼宇和智能家居的需求越来越大。
但是具体的使用何种技术实现智能化成了人们广为思考的问题。
其中，使用最多的技术有无线技术、电力线通信技术等。
而电力线通信技术因为具有以下的优势被更为广泛的使用。
Lonworks技术具有以下的优势：
A.实现成本低：
由于可以直接利用已有的配电网络作为传输线路，所以不用进行额外布线，从而大大减少了网络的投资，降低了成本。
B.范围广：
电力线是覆盖范围最广的网络，它的规模是其他任何网络无法比拟的。
PLC可以轻松地渗透到每个家庭，为互联网的发展创造极大的空间。
C.高速率：
PLC能够提供高速的传输。
目前，其传输速率依设备厂家的不同而4.5M~45Mbps之间。
远远高于拨号上网和ISDN，比ADSL更快！
足以支持现有网络上的各种应用。
更高速率的PLC产品正在研制之中。
D.永远在线：
PLC属于"即插即用"，不用烦琐的拨号过程，接入电源就等于接入网络！
E.便捷：
不管在家里的哪个角落，只要连接到房间内的任何电源插座上，就可立即拥有PLC带来的高速网络享受！
Lonworks技术的实现可以完全依赖于现有的电力线，不需要另外布线。
这样不仅仅节省了相关的费用，对于一些老房子，还起到了避免房屋遭到破坏的危险。
除此之外，Lonworks还具有以下的用途：
A.可以为用户提供高速Internet访问服务、话音服务，从而为用户上网和打电话增加了新的选择。
B.通过与控制技术的结合，为在现有基础上实现"智能家庭"提供有力支持。
利用电力线路为物理媒介，可将遍布住宅各角落的信息家电、PC等连为一体，接入Internet，实现远程、集中的管理控制。
C.不用额外的布线，就可将家中的多太电脑连接起来，组建家庭局域网。
D.实现远程水、电、气等的自动抄表，一张收费单就可解决用户生活中的所有收费项目。
E.利用PLC的“永远在线”特点，构件防火、防盗、防有毒气体泄露等保安监控系统和医疗救护系统。
因为PLC技术用途广泛，实现便捷，在发展上有许多其他技术所不具备的优势。
所以对其研究具有丰富的现实意义。
课题的研究内容
本课题研究的内容为基于PLC技术的Lonworks应用，通过Lonworks应用，实现在多个节点间的联合通信。
课题的主要内容如下：
A.Lontalk协议的研究。
多个节点间的通信依赖于以电力线为载体、LonTalk协议为通信方式的联络。
这里，重点介绍了LonTalk协议的规范，实现方式。
B.硬件的开发。
我们依托于ECHELON公司的主控芯片，通过对周边硬件的开发及后续的编程实现，完成我们所需的特定用途。
C.Lonworks软件技术。
基于ANSIC的方言化C语言——NEURONC是由ECHELON公司专门为Lonworks设计的编程语言。
本项目中，我们将使用这个语言，借助ECHELON公司提供的开发套件，实现我们所需要的功能。
本文的结构安排
本文共分为6章。
第一章为绪论；第二章重点对PLC技术做了较为充分的阐述，并将PLC技术与其他的通信技术作了简单的比较；第三章介绍了国内外的电力线通信的发展情况；第四章着重讨论了基于Lonworks的PLC硬件开发；第五章讨论了基于Lonworks的PLC软件开发；第六章为结果的测试和最终讨论。
PLC技术
PLC技术
PLC技术与其他的通信技术的比较
电力线通信技术的发展状况
国外发展状况
国内发展状况
系统的硬件设计
主控模块的设计
总设计框图
主控模块造型
Neuron芯片（PL3150）
芯片（Neuronchip）：
是LonWorks技术的核心，它不仅是LON总线的通信处理器，同时也可作为采集和控制的通用处理器，LonWorks技术中所有关于网络的操作实际上都是通过它实现的。
神经元芯片目前由TOSHIBA和Cypress两家公司研制和生产，主要包含3150和3120两大系列。
3150支持外部存储器，适合更为复杂的应用；而3120则不支持外部存储器，它本身带有ROM。
芯片功能与特点
Neuron芯片有三个CPU：
CPU－1是介质访问控制处理器，处理LonTalk协议的第1、2层；CPU－2是网络处理器，它实现LonTalk协议的第3～6层；CPU－3是应用处理器，它执行用户编写的代码以及用户代码调用的操作系统命令。
3150芯片中无内部ROM，但拥有访问外部存储器的接口，需外接Flash或EEPROM存储器才能工作，寻址空间可达64KB，常用于复杂的应用系统中。
3150芯片的管脚分配如图所示。
Neuron3150芯片引脚排列图
3150系列神经元芯片外部储存器接口电路3150系列外部储存器总线有8根双向数据线和16根由处理器驱动的地址线两根接口线（R/～W和～E）用作外部存储器访问，其引脚功能如下表所示。
引脚名
方向
功能
A0～A15
输出
地址线
D0～D7
输入/输出
数据线
～E
输出
使能时钟
R/～W
输出
读/～写选择
如果输入时钟降低，就可以使用较低速的存储器。
使能时钟（～E）周期等于系统时钟周期，而系统时钟频率是输入时钟频率的一半。
当数据在神经元芯片和外部存储器间传输时，使能时钟为低电平。
三个处理器中的指令周期互相偏移三分之一个周期，所以在某一时刻只有一个处理器使用存储器总线。
神经元芯片应用I/O
在一个控制单元中需要有采集和控制的功能，为此在神经元芯片上特设置11个I／O口，这11个I／O口可根据不同的需求进行灵活配置，便于同外围设备进行接口。
如可配置成RS232、并口、定时／计数I／O、位I／O等。
神经元芯片通过11个引脚（IO0-IO10）连接到特定应用外部电路。
某些事件或输入值变化有关，任务调度器在变化发生时执行相应的应用代码，并且11个可编程I/O引脚具有34种可选的工作方式。
IO4～IO7可以通过编程设置成上拉；IO0～IO3带有高电流（20mA）接收（highcurrentsink）；IO0～IO10带有TTL标准的迟滞输入；IO0～IO7带有低电平检测锁存。
神经元芯片带有两个片内定时／计数器。
定时／计数器1称为多路选择定时／计数器，它的输入可通过一个多路选择开关，从IO4～IO7四个IO中选择一个，输出可连至IO0。
定时／计数器2称为专用定时／计数器，它的输入是IO4，输出是IO1。
每个定时／计数器包括：
可以被CPU写入的16位装入寄存器；16位计数器；可以被CPU读出的16位的锁存器。
网络功能
内置两个CPU处理通信协议。
配备有用于固化的LonTalk协议，它支持ISO所提出参考模型的完整的7层协议。
高可靠的通信协议以固件方式提供。
对普通方式改进的双绞线收发器，并具有驱动电流的能力。
配置支持不同类型的外接收发器的通信方式和通信速度。
支持双绞线、电力线、无线电、红外线、同轴电缆以及光纤。
存储在EEPROM内的通信端口收发方式和逻辑地址，可通过网络作修改。
其他功能
应用程序被存储在EEPROM内，可以通过网络下载更新，EEPROM可以外加扩充。
内置看门狗定时器。
每个芯片拥有惟一的ID号，用于在网络中逻辑识别。
休眠工作方式下低电能消耗。
内置低电压检测电路，防止掉电时误操作和对EEPROM的写错误。
采用QFP64－P－1414－0.80A封装。
复位
复位（RESET）引脚是一漏极开路、双向且低电平有效的I/O引脚，其内部有一个电流源充当上拉电阻。
复位引脚即可以被外部信号置位低电平有效，也可以在内部控制下产生低电平有效。
神经元芯片内部复位电路含有电压检测（lowvoltagedetector-LVD）电路,当电源电压（VDD）低于阙值电压（VLVD）时，复位引脚会被设成低电平，同时产生内部复位信号。
引起复位引脚复位的内部控制有：
●软件（应用程序或来自于网络的复位信息）
●看门狗定时器超时。
●检测到低电压状态（VDD≦1.5V）
当复位引脚回到高电平后，神经元芯片从地址0x0001处启动初始化程序
通常，复位引脚在下列情况下会起到关键作用：
●VDD上电（保证神经元芯片正常初始化）。
●VDD电源波动（VDD电压稳定后正常恢复神经元芯片操作）。
●应用程序恢复（如果应用程序由于地址或数据错误而失效，外部复位信号可能恢复正常操作；看门狗定时器超时，也能触发软件复位）。
●VDD掉电（保证正常关机）。
需要注意的一点是，如果复位时神经元芯片正处在EEPROM的写周期，则正在进行写操作的内存可能会发生错误。
在加电到电源电压稳定的过程中，复位引脚应始终维持低电平，避免启动出故障。
在保证神经元芯片可靠的工作条件下，神经元芯片最简单的外接复位电路如图所示
有些神经元芯片内部带有低压中断（lowvoltageinterrupt-LVI）电路。
这类芯片是否需要外接LVI电路，取决于应用的需要。
若不能确保应用所使用的电源性能良好，最好还是使用外接LVI电路。
一种带有外接LVI电路的复位电路如图。
Ce为可选外部复位电容。
LVI电路的作用是在系统电源出现电压抖动或未完全掉电的情况下，检测电源电压VDD是否低于规定的工作电压，若是，该电路将下拉复位线至低电平，神经元芯片重新初始化。
由于神经元芯片复位引脚是双向的，LVI电路必须是集电极开路或漏极开路输出。
如果LVI驱动使得复位为高电平，在软件复位期间神经元芯片将不可能可靠地判断复位引脚是否为低电平。
神经元芯片复位引脚的这种不确定性将引起一些违规的现象发生，如设备出现非应用错误、神经元芯片的复位电路损坏等。
在复位引脚会受景点影响的应用中，应增加一个适当的外部保护电路，即串一个300左右的电阻。
服务引脚
服务（SERVICE）引脚在神经元芯片中起着非常重要的作用，在设备配置、安装和维护时都需要使用该引脚。
该引脚可用作输入，也可作漏极开路输出。
当其作为输出时，它能吸收20mA电流用于驱动一个LED（称为SERVICE灯）；当其用作输入时，它有一个可选的片内上拉电阻使输入能被拉高为高电平而进入无效状态。
下图为服务引脚的电路图。
图中的LED灯可用来指示设备的状态，当设备神经元芯片存储区内有应用程序但还未配置网络信息时，LED闪烁，频率是0.5Hz；若设备已配置网络信息，则LED关闭。
下表列出了电路上LED的状态。
复位时，服务引脚的状态不确定。
服务引脚的上拉电阻默认是使能。
服务引脚LED灯状态
节点状态
状态代码
服务引脚电路LED
节点状态
状态代码
服务引脚电路LED
非应用或未配置
3
亮
已配置，硬件脱机
6
关闭
未配置（有应用）
2
闪烁
已配置
4
关闭
PLT-22智能收发器
PLT-22智能电力线收发器，是将通信数据调制成载波信号或扩颇信号，然后通过耦合器耦合到220v或其他交直流电力线上，甚至是没有电力的双绞线。
通信介质
波特率
拓扑
距离
节点个数
方式
重要属性
PLT-22
电力线
5.4kbps
自由拓扑，支持现有的电力线和无电的双绞线
由发射-接收、衰减和接收噪音决定
32385
载波
符合FCC，加拿大标准和CENELECEN50065-1，可在CENELECB/C波段和A波段操作（需换晶振），与PLT-20和PLT-21兼容
PLT-22电力线收发器，提供了直流、交流电路中，无论在高、中、低、电压下都能可靠地进行电力线通信，它采用了数项专利的数字处理逻辑算法，功能强大的输出发大器，专利的、低开销的前向纠错算法以确保通信的可靠性。
PLT-22载波通信模块的内部结构如图所示。
CKout、CKsel1、CKsel0、CP1、CP2、CP4、Reset等管脚主要用于和Neuron芯片通信；PKD为数据包检测指示信号；BIU为信道被占用指示信号，可外接LED作为指示；RXm、TXout分别是耦合信号输入和信号输出管脚；RXcomp用于连接接收外补偿器件；TX[v]用于控制输出发大器的增益。
A/D转换单元把电力线耦合来的信号滤波并将模拟信号转换为数字信号。
数字信号处理单元式信号处理的核心部分，它一方面将A/D转换单元处理后的数字信号进行解码处理，并将处理后的数据与神经元芯片进行交换；另一方面，它将需要发送的信号精心编码处理。
D/A单元的主要作用是将数字信号处理单元处理后的要发送的数字信号转换为模拟信号，放松发送和滤波电路将D/A转换后的次年好进行功率放大并发送到耦合电路。
耦合电路
PL3150外存扩展
3150模块国产的TMPN3150模块通常用双面线路板制成，板上含有Neuron芯片TMPN3150B1FU、存储器AT29C512、双绞线收发器FTT－10A和欠压复位LVI（LowVoltageInterrupt）等元器件。
由于3150片内没有ROM，因此它必须接存储器，作为Neuron芯片的固件和预留区，存放应用程序和数据。
外接存储器空间可由RAM、ROM、PROM、EPROM、EEPROM或Flash组合占用，以256字节递增。
外存配置如附表所示。
TMPN3150使用的存储器是64K×8闪存AT29C512，低16KB用于存放固件，高48KB用于开发程序。
上图给出了TMPN3150芯片与只读存储器相联接的例子可以注意到，当A15为低电平时，TMPN3150访问外部存储区，所访问的地址空间为0000～7FFF；～E引脚可使外部存储区的驱动器处于适当的状态；此处没有使用引脚R/～W。
应用电路设计模块
彩灯控制器电原理图。
ICl由555接成多谐振荡器。
IC3由4位2进制计数器74LS93接成16进制计数器，其4个输出端可分别输出对计数脉冲的2、4、8、16分频信号。
IC5是双4选l数据选择器74LSl53，这里只用了它的一组4选1数据通道。
IC6是3位单向移位寄存器74LSl64，它是产生移动灯光信号的核心器件。
驱动电路用8只三极管组成8路射随器作缓冲放大，去触发作电流开关的8只双向可控硅，以控制彩灯发光。
电路的十5V电源由220V／9V变压器降压，经D1一D4桥式整流，7805稳压后给控制电路供电。
从ICl⑧脚出来的脉冲信号分为两路：
一路作为计数脉冲送到IC3的⑩脚；另一路作为移位时钟脉冲加到IC6的⑧脚。
调节RWl改变ICl的振荡频率，可以改变灯光的移动速度，以得到不同的动态效果。
IC5共同组成了一个电子开关。
从IC5第⑦脚输出的数据信号送到IC6的输入端，在时钟脉冲作用下，数据在IC6的8位并行输出端从Q0一Q7顺序移动。
这一移动的8位控制信号经功率驱动电路去推动8路彩灯，就出现了8路4花样自动循环切换的流水彩灯。
电源电路设计
我们要到实际所需电压电源方法是：
用变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路来制作，参考电路如下图所示。
经变压器变压可以将220V交流电变为某一定值的交流电，在再经过4个整流二极管整流变成脉动的直流，再经过C1和C2滤波，然后通过7805稳压，最后同过C3和C4滤波即可得到所需的直流电。
D3是一个发光二极管，用于指示电源工作是否正常；D2可在直接接直流电，并且把正负极政府及弄反了时，起到保护作用。
LONWORKS应用电路扩展
立体车库智能系统控制电路
硬件接口电路
主芯片LON模块的IO8时钟线（SCL），IO9是串口数据线（SDA）。
ZLG7290B能在5V供电的情况下正常工作，LON控制模块提供3条I/O线（一条中断信号线，另两条为SDA与SCL）即可与ZLG7290B相连，如下图所示。
数据输入电路
此设计的技能控制节点主要功能之一就是实现简单的人机交互功能。
采用ZLG7290B驱动芯片的相应管脚与键盘和数码管进行连接，即可实现人机交互电路的设计。
LED数码管闲事部分的电路图如下图所示。
ZLG7290B提供两种控制方式；寄存器映射控制和命令解释控制。
寄存器映射控制实现基本控制功能，如显示缓存的循环、移位等操作。
通过这两种控制方式能很方便地对键盘和数码管进行控制。
数据通信电路
立体车库智能控制节点内部器件之间采用I2C总线的通信方式。
I2C总线是双向传输总线，因此主机和从机都可能成为发送器和接收器。
这样不需要多余的地址译码器和片选信号，主从芯片就能通过I2C总线进行通信。
ZLG7290B芯片与LON控制模块之间的数据传输是通过SCL和SDA两个引脚，按I2C总线接口方式进行数据的读取和写入。
SCL引脚的最大时钟频率为32KHz，且通过ZLG7290B的INT引脚，给LON控制模块提供键盘中断信号。
LON控制模块通过其自身的双绞线通信口与外部LON总线上的节点进行通信，实现数据传输。
外部电路
外部电路主要包括晶振电路、复位电路、滤波电路。
⑴晶振电路。
晶振电路为ZLG7290B提供工作时钟。
⑵复位电路。
复位电路为智能节点提供复位动作，采用手动复位方式，在控制节点印刷版上提供一个“复位”键。
⑶滤波电路。
主要在各个集成元器件的电源附件放置100uf的滤波电容，对集成元器件起到保护作用。
XX模块的设计
系统的软件设计
平台构建
基于Lonmaker的PLC程序设计
系统的测试
结论
参考文献
升级会员 