神经元芯片在智能建筑设备自动化系统中的应用

LonWorks的节点分为智能节点和通信节点两类。智能节点主要由四部分组成：神经元（Neuron）芯片、I/O外部电路、收发器、存储器。智能节点是组成LonWorks网络最基本的控制单元。它下接传感器或执行器，上接LonWorks网络，是一类具有数据采集、处理、设备控制以及通信等功能的自治节点，其构成如图6-6所示。

图6-6 智能节点结构框图

通信节点也称为通信接口适配器或LonWorks网络接口，其结构框图如图6-7所示。其中，神经元芯片只用作通信处理器，节点应用程序由主处理器来执行。通信节点用于建造基于主处理器而不是神经元芯片的节点，主要用于处理能力、I/O能力要求较高的场所。

图6-7 通信节点结构框图

神经元芯片是节点的核心部分，包括一套完整的通信协议，即LonTalk协议，从而确保节点间使用可靠的通信标准进行操作。因为神经元芯片可直接与它所监视的传感器和控制设备连接，所以一个神经元芯片可以传输传感器或控制设备的状态，执行控制算法，和其他神经元芯片进行数据交换等。

神经元芯片在大多数LON节点中是一个独立的处理器，如果节点需要具备更强的信号处理能力或I/O通道，芯片可以用作其他处理器的通信协处理器，共同构成所需的节点。

1.神经元芯片的结构和处理器

神经元芯片包含3150和3120，其中，3150神经元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；3120系列神经元芯片本身为一个完整的最小系统，支持小型应用程序，适用于简单的低成本系统。两种神经元芯片的结构框图和主要硬件资源配置如图6-8和表6-3所示。

图6-8 神经元芯片框图

可见，两种神经元芯片的存储器配置是不同的，3120系列神经元芯片不可外接EPROM，而3150神经元芯片则可以，因此它有外部数据线和地址线及少量控制线的引脚。在两种神经元芯片的EEPROM中存储有网络配置、编址信息以及神经元芯片的唯一48位神经元芯片标识符（Neuron ID由生产厂商写入），另外还有用户应用程序代码和只读数据。

表6-3 神经元芯片硬件配置比较表

在两种芯片的静态RAM中（2KB和1KB），设有数据堆栈，存储有应用程序和系统数据，并开辟有LonTalk协议中的网络缓冲区和应用缓冲区。

对于Neuron 3150神经元芯片，如图6-9所示。内存和外存总共有64KB地址空间，可为ROM、EPROM、EEP-ROM或RAM，处理器通过外部存储器可访问其中的58KB，另外的6KB为内部映射。需要16KB的外部存储器来存储LonTalk协议的内容，包括媒体访问控制和网络处理器执行系统软件以及I/O驱动和事件驱动工作软件，它们是由生产厂商在芯片中固化好的。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、附加的网络缓冲区和应用程序缓冲区。

图6-9 3150芯片存储器分配

图6-10 处理器结构及存储器分配

神经元芯片由3个8位的微处理器组成，如图6-10所示。它包括媒体访问控制、网络处理器和应用处理器，每个处理器均有自己独特的功能。

1）CPU-1是媒体访问控制处理器，处理LonTalk协议的第1、2层，这包括驱动通信子系统硬件和执行MAC算法。CPU-1和CPU-2用共享存储区中的网络缓存区进行通信，正确地对网上报文进行编解码。

2）CPU-2是网络处理器，它实现LonTalk协议的第3～6层，这包括处理网络变量、寻址、事务处理、权限证实、背景诊断、软件定时器、网络管理和路由等。同时，它还控制网络通信端口，发送和接收数据包。该处理器用共享存储区中的网络缓存区与CPU-1通信，利用应用缓存区与CPU-3通信。

3）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。在多数应用中，使用的编程语言是Neuron C。

2.神经元芯片的I/O功能与通信功能(www.xing528.com)

3120和3150神经元芯片都有11个I/O引脚（IO0～IO10），这些引脚可通过专用编程语言Neuron C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。11个引脚可以组成34种不同的I/O功能，它可分为输入、输出和双向三大类别。在IO0～IO10的11个引脚中，IO0～IO3具有高电流吸收能力（20mA，0.8V），IO4～IO7具有片内可选择上拉电阻，所有引脚信号均为带滞后的TTL电平，其中IO0～IO7还带有低电平检测锁存器。

神经元芯片通过5个引脚（CP0～CP4）与各种通信介质接口即网络收发器连接。表6-4是与每种工作方式对应的引脚定义。

表6-4 引脚定义

为适合不同的通信介质，可将5个引脚配置为三种不同的接口模式：单端、差分和专用工作方式，图6-11所示给出了内部收发器框图。

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发送和接收的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“1”和“0”的差别在于“0”在中间的位置多一次跳变。这种编码方式有利于在接收端从数据流中提取发送端的时钟信息，而不需要专用时钟线。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，单端模式则可用于光纤、同轴电缆或无线射频收发器。专用模式时，CP2和CP4分别输出位和帧的同步信号，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。

图6-11 内部收发器框图

3.收发器

神经元芯片可支持多种通信介质，最为通用的是构成双绞线、电力线网络，其他的还有射频（RF）、红外光波、光纤以及同轴电缆等，见表6-5。

表6-5 常用收发器类型及传输速率

（1）双绞线收发器 双绞线收发器是最通用的收发器类型，在许多设计中，双绞线收发器可以配置获得较高的性价比。双绞线与神经元芯片接口有以下两种基本类型。

1）EIA-485：市场上可购得的EIA-485收发器与其他收发器相比，在费用、性能、体积上都有较多的优势。在外部部件参数不变的情况下，能支持多种数据传输速率（最高为1250bit/s）以及多种类型的传输线。采用EIA-485收发器时，通用方式的电压范围最好在直接驱动接口所能获得的电压范围内，但又低于变压器耦合式收发器。通用方式的电压范围是-7V～+12V，当然还可添加光隔离器来提高其电压范围。

EIA-485芯片有两种：双极性器件和CMOS器件。两者相比，CMOS器件功耗低，无需驱动输出，但该类器件的价格要高于双极性器件。

要实现EIA-485网络，神经元芯片通信端口应采用单端工作方式。为确保网络节点的互操作性，LonMark互操作协会建议拥有EIA-485收发器的节点使用39kbit/s的数据传输速率。图6-12给出的是一个典型的电路配置，能支持32个节点，节点数据传输速率为39kbit/s、传输距离最远可达600m。使用普通电源，在39kbit/s下能很好地工作，个别的节点当通用电压超过-7V、+12V时，节点将会损坏。

图6-12 EIA-485典型电路

EIA-485的所有收发器都需要有公共的参考地，要实现这一点，方法有两种：①在网络电缆中增加第三根导线作为各收发器的公共地；②收发器分别连接到各自节点的公共地。

2）变压器耦合接口：对于需要高性能、高隔离度、高抗干扰能力的应用，最好使用变压器耦合接口。变压器耦合收发器数据传输速率可达1.25Mbit/s，共模电压有效值达277V。变压器的类型很多，设计人员可以开发自己的变压器耦合电路，如二线或四线的变压器。Echelon公司提供一系列的双绞线收发器，最常见的是自由拓扑型的双绞线收发器，它分为两种：一种是变压器隔离型；另一种是信通电源型。它们可以支持总线形、环形、星形等拓扑结构。这类收发点仅需要一对双绞线，可以是非屏蔽线，与极性无关。另外，还有神经元芯片与双绞线收发器合二为一的智能收发器。

3）直接驱动收发器：直接驱动是使用神经元芯片的通信端口作为收发器，同时加入电阻和瞬态抑制器作为电流限制和静电放电（ESD）保护。这种方式适合于网络上的所有节点在同一个大设备中使用同一个电源。直接驱动收发器支持的最大通信传输速率是1.25Mbit/s，在该速率下，一条通道最多能有64个节点，距离长度达30m。

（2）其他类型收发器

1）电力线收发器：不断变化的噪声源、阻抗的变化以及衰减，对电力线作为信号传输的环境提出了极大的挑战。Echelon公司的第一代电力线收发器采用了多种创新技术，确保了通信的可靠性。该收发器可在全球范围内使用，符合美国联邦通信委员会（FCC）、加拿大工业部、英国邮电部（MPT）和欧洲电工标准化委员会（CENELEC）电力线通信规范或协议。同时，该收发器采用宽带双频调制，可在主频率被噪声阻塞后，自动选择备用通信频率。此外，该收发器可在CENELEC A波段和C波段上使用，因而可用在电力行业和民用方面，在家庭内应用时，可实现“即插即用”。另外，神经元芯片与电力线收发器合二为一的智能收发器也已问世。

2）无线收发器：在LonWorks技术中，使用无线通信技术可达到的目的有两个：应用范围更广；可选频率范围宽。与无线收发器接口的神经元芯片通信端口应工作在单端工作方式，能达到的数据传输速率最高为19.5kbit/s。

3）光纤收发器：目前使用的LonWorks光纤收发器是美国Control By Light公司开发生产的一系列LonWorks光纤产品，其中包括光纤和双绞线的路由器。该收发器通信速率是1.25Mbit/s，最长通信距离分别是30km（多模）或40km（单模），采用LonWorks标准模块传输收发器（SMX），每一个收发器包含两路独立光纤端口，可以方便地实现光纤环网，增加系统的可靠性。