一種Lonworks無線通信SCADA系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

摘    要：本文給出了一種Lonworks無線通信SCADA系統(tǒng)的設計方案。系統(tǒng)以AT89C52單片機和美國Echelon公司的雙絞線智能收發(fā)器FT3150為通信控制器，結合單芯片射頻收發(fā)器nRF401實現(xiàn)了Lonworks現(xiàn)場總線和無線通信的有機結合。
關鍵詞： Lonworks；SCADA系統(tǒng)；智能收發(fā)器；射頻收發(fā)器

引言
目前，現(xiàn)場總線技術在數據采集與監(jiān)控系統(tǒng)(SCADA)、工業(yè)控制、樓宇自動化、智能交通等領域得到了廣泛的應用。作為目前流行的現(xiàn)場總線技術之一Lonworks，以其突出的特點在國內的應用也越來越廣泛。本文通過Lonworks技術和無線通信的有機結合，設計并實現(xiàn)了一種功能較強、可擴展性好、安裝方便的數據采集與監(jiān)控系統(tǒng)。

系統(tǒng)總體結構設計
根據數據采集與監(jiān)控系統(tǒng)的要求、Lonworks現(xiàn)場總線技術的特點以及數據采集與監(jiān)控節(jié)點的現(xiàn)場環(huán)境，系統(tǒng)選用三級通信結構(如圖1示)。根據需要本設計采用Lonworks網絡作為整個系統(tǒng)的主要通信方式之一，來組建整個SCADA系統(tǒng)。第一級通信出現(xiàn)在上位管理計算機與Lonworks網絡之間。實現(xiàn)二者之間的通信方式有多種，但是考慮到現(xiàn)成設備的高昂價格，本設計利用自行設計開發(fā)的LON—PC機ISA接口卡來實現(xiàn)上位管理計算機與Lonworks網絡之間的數據交換；第二級通信實現(xiàn)Lonworks網絡上智能節(jié)點之間的信息交互；第三級通信網絡是實現(xiàn)現(xiàn)場信息無線采集的關鍵。現(xiàn)場采集信息傳遞到Lonworks網絡有兩種不同的方式，一種是直接利用Lonworks智能節(jié)點進行現(xiàn)場信息的采集，還有一種是通過無線通信將現(xiàn)場采集信息傳送至Lonworks網絡，這是本文討論的重點。
系統(tǒng)的總體結構主要由以下幾部分組成：主控機，LON—PC機ISA接口卡，Lonworks無線通信模塊，單片機數據采集模塊，Lonworks數據采集控制模塊?？傮w結構框圖如圖1所示。
為了實現(xiàn)人機界面，并通過LON—PC機ISA接口卡向Lonworks總線上的其他模塊(Lonworks無線通信模塊或Lonworks數據采集控制模塊)發(fā)送控制命令或接收來自這些模塊轉發(fā)的采集數據，系統(tǒng)設計采用VC++開發(fā)了一套簡單實用的管理軟件。該軟件可以方便的對LON—PC機ISA接口卡進行讀寫操作，并將所得數據在界面進行顯示的同時進行存儲。
LON—PC機ISA接口卡的設計，采用IDT7024雙口RAM來實現(xiàn)Lonworks神經元芯片與計算機ISA端口之間的數據交換。
現(xiàn)場采集信息的無線傳輸是通過為Lonworks智能節(jié)點和單片機數據采集模塊分別添加設計nRF401無線通信電路來實現(xiàn)的。后面將對這兩部分電路的設計進行詳細介紹。
Lonworks無線通信模塊主要接收總線上來自主控機的控制命令，通過射頻通信控制數據采集模塊進行數據采集或發(fā)送控制信號，并將來自采集模塊的數據轉發(fā)至Lonworks總線上。
現(xiàn)場信息的采集主要由Lonworks數據采集控制模塊和單片機數據采集模塊完成。Lonworks數據采集控制模塊直接接收總線上來自主控機的控制命令，并按命令進行數據采集、轉發(fā)(轉發(fā)至Lonworks總線)或對現(xiàn)場執(zhí)行機構發(fā)送控制命令。而單片機數據采集模塊則通過射頻通信接收控制命令，并依據命令內容完成數據采集、轉發(fā)(通過射頻無線通信)或對現(xiàn)場執(zhí)行機構發(fā)送控制命令等功能。

系統(tǒng)無線通信的設計與實現(xiàn)
無線通信的實現(xiàn)是整個系統(tǒng)設計的關鍵。本系統(tǒng)分別為Lonworks智能節(jié)點和現(xiàn)場單片機數據采集模塊設計添加了無線通信接口以完成此部分功能，具體設計如圖2所示。
Lonworks無線通信模塊設計
Lonworks無線通信模塊電路中FT3150芯片定義IO8、IO10為異步串行對象，用來接收和發(fā)送來自nRF401的數據。IO1~IO3作為通信的控制端。
數據采集模塊的硬件框圖如圖3所示。AT89C52單片機也通過異步串口與nRF401通信，并用P1.1、P1.2、P1.3口作為通信的控制端。
在nRF401芯片使用時，設定好工作頻率，進入正常工作狀態(tài)后，通信控制器根據需要進行收發(fā)轉換控制，發(fā)送／接收數據或進行狀態(tài)轉換。
無線通信電路設計時應注意以下問題：通信的可靠性、抗干擾性是無線通信電路設計所要解決的主要問題。因而需對整個電路的PCB設計進行全局考慮。整個PCB板采用4層電路板設計，增加電源層和地層，并在上、下表面進行敷銅處理，以提高整個電路的抗干擾性。模擬部分與數字部分電路盡量分開；采用特性較好的鉭電容組成LC濾波電路，對nRF401的VCC進行專門的濾波處理；nRF401和主控制芯片共用晶振，因而要十分注意晶振電路的走線，盡可能的短并遠離數據線、控制線；無線射頻電路的所有元件以nRF401為中心并緊靠其擺放，其中VCO電感的布局對通信效果有著明顯的影響，匹配網絡的元器件最好靠近nRF401的ANT1和ANT2，以減小雜散電感和雜散電容；最后，系統(tǒng)還采用了高增益天線來提高通信的距離。

系統(tǒng)軟件設計
整個系統(tǒng)的軟件部分主要分為四大部分：主控機上位機軟件、LON—PC機ISA接口卡程序、Lonworks無線通信模塊程序以及數據采集模塊程序。
上位機軟件采用VC++語言編寫，主要完成通過人機界面的設計，從ISA口接收采集數據或發(fā)送控制命令。LON—PC機ISA接口卡程序采用Neuron C并口編程，從而實現(xiàn)FT3150與ISA總線上的數據交換。下面主要對系統(tǒng)無線通信部分程序進行詳細的介紹。
無線通信程序設計
在設計程序時，要注意各狀態(tài)轉換的時延。nRF401的通訊速率最高為20kbit/s，發(fā)送數據之前需將電路置于發(fā)射模式；接收模式轉換為發(fā)射模式的轉換時間至少為1ms；可以發(fā)送任意長度的數據；發(fā)射模式轉換為接收模式的轉換時間至少為3ms。在待機模式時，電路不接收和發(fā)射數據。待機模式轉換為發(fā)射模式的轉換時間至少為4ms；待機模式轉換為接收模式的轉換時間至少為5.0ms。
Lonworks 無線通信模塊程序采用Neuron C語言編寫，程序運行采用事件觸發(fā)方式。通過網絡變量把節(jié)點間數據的共享變?yōu)楹唵蔚木W絡變量連接。本系統(tǒng)采集模塊采用中斷方式實現(xiàn)串口通信，以提高效率。單片機串口中斷服務程序流程和Lonworks 無線通信模塊的通信流程圖分別如圖4、5所示。
軟件編程應注意的問題
首先，為了保證nRF401的正常工作，軟件上應當注意在控制nRF401進行狀態(tài)轉換時進行適當的延時處理，因此單片機程序中需分別設計相應的延時函數。而在FT3150中通過調用DELAY()函數便可進行適當的延時。
其次，為了保證通信的可靠性，通信協(xié)議應在軟件實現(xiàn)上對傳輸的數據進行相應的編碼處理，即為傳輸數據增添特殊的數據頭，具體的編解碼過程由于篇幅有限不做詳細描述。

結語
本文利用無線收發(fā)芯片nRF401實現(xiàn)了Lonworks 無線測控網絡，系統(tǒng)通信可靠性高、實時性好，適于多種應用領域，有較大推廣價值?！?/p>

參考文獻
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2 Echelon. FT3120/FT3150 Smart Transceiver Data Book
3 TOSHIBA ，Neuron Chip TMPN315/3120 DATA BOOK
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