基于神經(jīng)無(wú)芯片的遠(yuǎn)程水溫監(jiān)控系統(tǒng)

在生產(chǎn)生活中，熱水的使用量非常大，而市面上流行的熱水器通常只能設(shè)定固定的溫度，并且一般需要在現(xiàn)場(chǎng)控制。但在許多工業(yè)場(chǎng)合，經(jīng)常需要對(duì)遠(yuǎn)端熱水裝置的工作過(guò)程進(jìn)行控制，使其生產(chǎn)出穩(wěn)定的熱水，并可隨時(shí)調(diào)節(jié)水溫。本文使用普通的單股雙絞線作為網(wǎng)絡(luò)物理介質(zhì)，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于LON網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，來(lái)完成上述功能。

1 Lonworks總線和神經(jīng)芯片
Lonworks控制網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前最為流行的現(xiàn)場(chǎng)總線之一，它的核心是神經(jīng)元芯片(neuron chip)和LonTalk通信協(xié)議。LonTalk通信協(xié)議支持0SI／RM的所有七層模型，使得LON網(wǎng)絡(luò)與其他網(wǎng)絡(luò)有著良好的接口和兼容性。支持多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通信介質(zhì)可選雙絞線、電力線、紅外線、光纖、同軸電纜等媒介，使得網(wǎng)絡(luò)布線更加方便。應(yīng)用程序采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)變量進(jìn)行節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)交換，使網(wǎng)絡(luò)通信簡(jiǎn)化為參數(shù)設(shè)置。

本系統(tǒng)中用到兩種關(guān)鍵部件。
(1)神經(jīng)芯片
神經(jīng)元(Neuron)芯片使用CMOS VLSI技術(shù)，允許運(yùn)行價(jià)格低廉的控制網(wǎng)絡(luò)。其主要包括MCl43150和MCl43120兩大系列。神經(jīng)元芯片的主要特點(diǎn)是：
◇高度集成，所需要的外部部件較少；
◇3個(gè)8位的CPU，輸入時(shí)鐘可選擇的范圍10~625Hz：
◇片上存儲(chǔ)器；
◇11個(gè)可編程I／O引腳(有34種可選擇的工作方式)；
◇2個(gè)16位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器；
◇15個(gè)軟定時(shí)器；
◇5個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信端口，有3種方式可選擇(單端反射、差分方式和專用方式)；
◇固件包括符合0SI七層協(xié)議的LonTalk協(xié)議，I／0驅(qū)動(dòng)程序和事件驅(qū)動(dòng)多任務(wù)調(diào)度程序；
◇服務(wù)引腳用于遠(yuǎn)程識(shí)別和診斷；
◇48位內(nèi)部Neuron ID用于唯一識(shí)別Neuron芯片；
在兩大系列中，3120芯片內(nèi)部包含E2PROM、RAM和ROM存儲(chǔ)器，而3150芯片內(nèi)部無(wú)ROM，但擁有訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器的接口，可根據(jù)實(shí)際情況靈活配置存儲(chǔ)器。

(2)收發(fā)器
提供神經(jīng)芯片與Lonworks網(wǎng)絡(luò)的物理通信接口。

2 水溫監(jiān)控系統(tǒng)硬件組成及工作原理
本系統(tǒng)由監(jiān)控結(jié)點(diǎn)、執(zhí)行結(jié)點(diǎn)兩個(gè)結(jié)點(diǎn)組成。它們位于LON網(wǎng)絡(luò)的兩端，結(jié)構(gòu)如圖l所示。

本系統(tǒng)中選用單股雙絞線作為網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)，收發(fā)器采用Echelon公司的FTT-10A型收發(fā)器，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)變量進(jìn)行通信．
在每個(gè)節(jié)點(diǎn)中，選用3150芯片外加一塊a2 KB的Flash存儲(chǔ)器芯片AT29C257來(lái)存儲(chǔ)應(yīng)用程序、數(shù)據(jù)和通信協(xié)議等神經(jīng)芯片固件。神經(jīng)芯片和存儲(chǔ)器之間的連接如圖2所示。

監(jiān)控結(jié)點(diǎn)位于中心控制室，能顯示實(shí)時(shí)水溫，用戶通過(guò)它對(duì)遠(yuǎn)端加熱裝置器進(jìn)行水溫設(shè)置。監(jiān)控節(jié)點(diǎn)中神經(jīng)芯片的I／O部分電路如圖3所示。

在本電路中，用戶調(diào)節(jié)電位器來(lái)設(shè)置水溫；電位器上得到的電壓經(jīng)A／O轉(zhuǎn)換后變?yōu)镺~100之間的數(shù)，發(fā)往執(zhí)行結(jié)點(diǎn)，并在前兩個(gè)數(shù)碼管上顯示出來(lái)。執(zhí)行結(jié)點(diǎn)傳過(guò)來(lái)的實(shí)時(shí)水溫顯示在后兩個(gè)數(shù)碼管上。為了充分利用芯片的I／0口，使用移位計(jì)數(shù)器74HC595擴(kuò)展I／O口，采用芯片的串行輸出功能，I／O8作為時(shí)鐘信號(hào)，I／09作為數(shù)據(jù)輸出口，I／06作為數(shù)據(jù)鎖存控制端．根據(jù)實(shí)際情況的需要可用液晶顯示屏替換8段數(shù)碼管。

執(zhí)行結(jié)點(diǎn)位于加熱器端，它檢測(cè)水溫井將數(shù)值發(fā)往監(jiān)控結(jié)點(diǎn)，接收監(jiān)控結(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的控制溫度數(shù)據(jù)／根據(jù)情況啟動(dòng)／停止熱水器工作。執(zhí)行節(jié)點(diǎn)中神經(jīng)芯片的I／O部分電路如圖4所示。

在本電路中，實(shí)時(shí)水溫由溫度傳感器檢測(cè)出，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后變?yōu)?~100之間的值，保存并發(fā)往監(jiān)控結(jié)點(diǎn)。神經(jīng)芯片把從監(jiān)控結(jié)點(diǎn)收到控制溫度值與檢測(cè)溫度值相比較，若檢測(cè)值小，則閉合繼電器，加熱器開始工作；若檢測(cè)值大，則斷開繼電器，加熱器停止工作。

為避免加熱器反復(fù)通斷電工作，可以設(shè)置一個(gè)可接受的溫度控制精度區(qū)間。本電路中設(shè)置為3℃，即加熱時(shí)，當(dāng)檢測(cè)溫度高過(guò)控制溫度3℃時(shí)才斷開繼電器；不加熱時(shí)，當(dāng)檢測(cè)溫度低于控制溫度3℃時(shí)才閉合繼電器。

3 軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)軟件部分采用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)方法，將檢測(cè)信號(hào)、控制信號(hào)、神經(jīng)芯片I／O分別定義為不同的對(duì)象，使用NeuronC進(jìn)行編程。監(jiān)控節(jié)點(diǎn)與執(zhí)行節(jié)點(diǎn)的程序見網(wǎng)站(www．dpi．com．cn)。

結(jié) 語(yǔ)
本文利用Lonwork網(wǎng)絡(luò)在單股雙絞線上實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)距離的節(jié)點(diǎn)通信，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了對(duì)遠(yuǎn)端水溫的監(jiān)控。本系統(tǒng)只涉及對(duì)溫度的控制，在實(shí)際應(yīng)用中，只需增加簡(jiǎn)單的電路和程序代碼，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力、氧氣含量(如公共浴室)等其他指標(biāo)的控制。