基于LonWorks現(xiàn)場總線的樓宇溫度測控系統(tǒng)

　　摘　要　簡要介紹了LonWorks現(xiàn)場總線及其特點，提出了一種基于LonWorks現(xiàn)場總線的、采用AT89C52單片機和神經(jīng)元芯片3120為微處理器的樓宇溫度測控系統(tǒng)，并對整個系統(tǒng)的功能和構(gòu)成情況進行了詳細闡述。<--摘要CH(結(jié)束)←-->

　　關鍵詞：LonWorks，現(xiàn)場總線，神經(jīng)元芯片

　　1　引　言

　　隨著電力工業(yè)的不斷發(fā)展，以及人們環(huán)保意識的增強，采用地熱電纜低溫輻射式供暖將呈現(xiàn)非常廣闊的前景。因此，開發(fā)一套溫度監(jiān)控系統(tǒng)，對室內(nèi)溫度進行合理調(diào)節(jié)，從而最大限度地降低采暖費用非常必要。目前，國內(nèi)大都采用常規(guī)的計算機與通訊技術(shù)來實現(xiàn)此類系統(tǒng)，即，將以單片機為核心的區(qū)域控制系統(tǒng)和以RS－232或RS－422／RS485串行通訊總線為標準的系統(tǒng)連接，通過現(xiàn)場安裝的傳感器、控制器及相應的變送器和執(zhí)行機構(gòu)對各種被監(jiān)控對象進行自動監(jiān)測和控制。這種系統(tǒng)雖然可以滿足大多數(shù)用戶的要求，但由于它的集成度較低，規(guī)范性差，且無統(tǒng)一標準，所以其可*性、維修性、互換性以及可擴充性均難以達到理想效果和規(guī)范要求。使用現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS（FieldbusControl System），將系統(tǒng)的分散控制轉(zhuǎn)換到現(xiàn)場控制，數(shù)據(jù)傳輸采用總線方式，使系統(tǒng)具有數(shù)字化信號傳輸、分散型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、良好的互操作性、開放的互聯(lián)網(wǎng)絡及多種傳輸媒介和拓撲結(jié)構(gòu)等特點〔1〕〔2〕。因此，利用現(xiàn)場總線技術(shù)構(gòu)成的自動化控制系統(tǒng)使系統(tǒng)的可*性、維修性、互換性以及可擴充性大大提高，符合國際上的主流趨勢〔3〕。基于LonWorks現(xiàn)場總線的樓宇溫度測控系統(tǒng)可以有效地實現(xiàn)對居室溫度的實時監(jiān)控，使室內(nèi)溫度可以自由調(diào)節(jié)，從而更加合理地利用能源，大大地降低了冬季采暖費用。

2　LonWorks技術(shù)概況及其特點

2．1　LonWorks技術(shù)概況

　　LonWorks技術(shù)是美國Echelon公司于20世紀90年代推出的一種現(xiàn)場控制網(wǎng)絡產(chǎn)品〔1〕。該產(chǎn)品以其優(yōu)秀的分布處理能力、開放性、互操作性、多媒介適應能力以及多網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)等特點，適應了未來發(fā)展對測控網(wǎng)絡的要求。LonWorks技術(shù)是用于開發(fā)監(jiān)控網(wǎng)絡系統(tǒng)的一個完整的技術(shù)平臺，并具有現(xiàn)場總線技術(shù)的一切特點。LonWorks網(wǎng)絡系統(tǒng)由智能節(jié)點組成，節(jié)點包括神經(jīng)元芯片、傳感器、控制設備、收發(fā)器和電源。圖1是一種典型的LON節(jié)點方框圖〔1〕。每個智能節(jié)點可具有多種形式的I／O功能，節(jié)點之間可通過不同的傳輸媒介進行通信，并遵守ISO／OSI的七層模型協(xié)議，LonWorks技術(shù)包括監(jiān)控網(wǎng)絡的設計、開發(fā)、安裝和調(diào)試等一整套方法，要使用多種專用的硬件設備和軟件程序。

3　系統(tǒng)的硬件設計

　　本系統(tǒng)采用的基于LonWorks總線的網(wǎng)絡模型如圖2所示。

　　圖中每個節(jié)點有16路輸入和16路輸出，它主要完成以下的功能：（1）實時檢測大樓內(nèi)各房間的溫度；（2）根據(jù)設定的溫度界限自動控制繼電器，以實現(xiàn)對各個房間內(nèi)的加熱設備的控制；（3）用鍵盤輸入和數(shù)碼管顯示實現(xiàn)與用戶的交互；（4）故障報警；（5）保存各房間的溫度和加熱設備運行狀態(tài)的數(shù)據(jù)；（6）根據(jù)供電峰谷時間電價不同的特點，合理地調(diào)整加熱設備的運行時間；（7）與上位機進行信息交換，接收上位機的控制命令，并將各時間段的運行數(shù)據(jù)傳入上位機。其原理如圖3所示。

　　該節(jié)點中的主處理器是AT89C52單片機，它完成實時溫度采集、接收鍵盤輸入、輸出數(shù)碼顯示、控制繼電器動作、存儲運行數(shù)據(jù)、和神經(jīng)元芯片3120進行通信等功能。神經(jīng)元芯片選用TMPN3120，溫度傳感器選用Dallas公司生產(chǎn)的DS1820，它可把溫度信號直接轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號供微機處理。由于每個DS1820包含一個48位的序列號，使得多個DS1820能夠同時用一根總線連接，這樣就可以在不同的地方放置溫度傳感器，本節(jié)點能夠?qū)?6個采溫點的溫度進行測量和控制。存儲器選用EPROM27C256和RAM62256，使節(jié)點的功能具有很好的可擴充性。收發(fā)器選用FTT－10A，網(wǎng)絡采用自由拓撲結(jié)構(gòu)，傳輸介質(zhì)為雙絞線，通信模式為差分曼徹斯特編碼。

　　神經(jīng)元芯片支持串行操作和并行操作。Neuron芯片應用串行I／O支持異步串行數(shù)據(jù)格式，對于串行操作，串行輸出模式在IO9實現(xiàn)，串行輸入模式在IO8實現(xiàn)。對象聲明為：

　　IO—8 input—serial—baud(constant)io—object—name;

　　其中:io—object—name為用戶所起的串行輸入輸出對象名。本系統(tǒng)中神經(jīng)元芯片3120與89C52單片機的通信采用并行方式，神經(jīng)元芯片3120的工作模式為slave A。神經(jīng)元芯片3120與89C52單片機的接口電路如圖4所示。由于神經(jīng)元芯片3120的握手信號HS是集電極開路的，因此，需要接上一個10kΩ的上拉電阻。在slave A模式中，神經(jīng)元芯片3120是在主處理器的控制下工作的，對主處理器來說，神經(jīng)元芯片3120是含8個數(shù)據(jù)位和3個控制位的并行I／O設備。單片機的P0口與神經(jīng)元芯片3120的IO0～IO7相連作為8位數(shù)據(jù)總線，P2．3與神經(jīng)元芯片3120的IO10相連作為握手信號端，P2．7與IO8相連作為CS信號端。HS信號由神經(jīng)元芯片3120的內(nèi)部固件控制，當HS為高電平時，表示神經(jīng)元芯片3120正在讀寫數(shù)據(jù)、處于忙狀態(tài)，當HS為低電平時，表示神經(jīng)元芯片3120數(shù)據(jù)處理完畢，可以進行下一次通信了。在總線上，主處理器和從處理器之間不斷交換一個虛擬的寫令牌，令牌的擁有者有寫數(shù)據(jù)、或傳遞數(shù)據(jù)的權(quán)力。主處理器寫時，當89C52單片機判斷到HS信號為低時，在CS信號的下降沿將數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)總線，在信號CS的上升沿數(shù)據(jù)被神經(jīng)元芯片3120的輸入緩沖區(qū)截取，同時導致HS端變?yōu)楦唠娖?，當?shù)據(jù)讀取結(jié)束時，HS被置低，等待下次通信。

　　在本系統(tǒng)中，用雙絞線作通信介質(zhì)，網(wǎng)絡與中央控制單元PC機的接口采用Echelon公司生產(chǎn)的PCLTA－10PCLonTalk適配卡，該卡是專門為個人電腦及兼容操作系統(tǒng)提供的，高性能的16位ISA總線LonWorks接口卡，支持Microsoft Windows2000、Windows95／98和Windows NT4．0。

4　系統(tǒng)的軟件設計

　　本系統(tǒng)中的軟件設計主要包括兩部分。第一部分為下位機的軟件設計，它主要完成：現(xiàn)場溫度數(shù)據(jù)的采集處理與存儲，控制繼電器動作，輸出顯示以及鍵盤輸入，配置3120的工作模式，89C52與3120進行通信并通過3120與上位機進行信息交互。在本系統(tǒng)中，使用了Neuron C編程語言，現(xiàn)以并行口讀寫為例說明其特點，對并行口讀寫首先要用下面的聲明語句：

　
IO—0parallel slave｜master io—object—name;

　　為應用Neuron芯片的I/O對象，io—in()和io—out()需要指向parallel—io—interface結(jié)構(gòu)，其定義如下：

　　struct parallel—io—interface
{
　

　　必須說明這樣一個結(jié)構(gòu)，并給出合適的maxlength定義，標明數(shù)據(jù)傳送的最長緩沖區(qū)尺寸，應用內(nèi)嵌的Neuron C函數(shù)和事件如：io—out—request(),io—in—ready,io—out—ready,io—in(),io—out（）等，Neuron芯片的進行I/O對象就很容易被訪問〔4〕。神經(jīng)元芯片3120接收數(shù)據(jù)程序流程圖如圖5所示。

　　第二部分為上位機的軟件設計，本系統(tǒng)用VisualBasic 6．0開發(fā)。實現(xiàn)了一個十分友好的人機操作界面，用戶可以在主控室內(nèi)查詢大樓內(nèi)各房間的溫度及加熱電纜的運行情況，并可設置各房間的運行參數(shù)，還可查看歷史運行紀錄和實時運行費用等。
5　結(jié)束語

　　本系統(tǒng)是我們?yōu)槟档そ炒髽嵌倦姛岵膳_發(fā)的，系統(tǒng)投入運行以后，能夠合理地調(diào)節(jié)室溫，有效節(jié)約電能，受到了用戶的好評。

參考文獻

　　1　陽憲惠．現(xiàn)場總線技術(shù)及應用．北京：清華大學出版社，1998

　　2　廖常初．現(xiàn)場總線的特點與發(fā)展趨勢．電氣時代，2001（11）3　Jonahs Berge．Fieldbus Enables Innovative Measurements．Advances in Instrumentation and Control，Vol．51，1996