基于LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線的樓宇溫度測(cè)控系統(tǒng)

　　摘　要　簡(jiǎn)要介紹了LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線及其特點(diǎn)，提出了一種基于LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線的、采用AT89C52單片機(jī)和神經(jīng)元芯片3120為微處理器的樓宇溫度測(cè)控系統(tǒng)，并對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的功能和構(gòu)成情況進(jìn)行了詳細(xì)闡述。<--摘要CH(結(jié)束)←-->

　　關(guān)鍵詞：LonWorks，現(xiàn)場(chǎng)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(shí)的增強(qiáng)，采用地?zé)犭娎|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(duì)室內(nèi)溫度進(jìn)行合理調(diào)節(jié)，從而最大限度地降低采暖費(fèi)用非常必要。目前，國(guó)內(nèi)大都采用常規(guī)的計(jì)算機(jī)與通訊技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)此類系統(tǒng)，即，將以單片機(jī)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(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)連接，通過現(xiàn)場(chǎng)安裝的傳感器、控制器及相應(yīng)的變送器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)各種被監(jiān)控對(duì)象進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)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(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，所以其可*性、維修性、互換性以及可擴(kuò)充性均難以達(dá)到理想效果和規(guī)范要求。使用現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)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(hào)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(luò)及多種傳輸媒介和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等特點(diǎn)〔1〕〔2〕。因此，利用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)構(gòu)成的自動(dòng)化控制系統(tǒng)使系統(tǒng)的可*性、維修性、互換性以及可擴(kuò)充性大大提高，符合國(guó)際上的主流趨勢(shì)〔3〕?；贚onWorks現(xiàn)場(chǎng)總線的樓宇溫度測(cè)控系統(tǒng)可以有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)居室溫度的實(shí)時(shí)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(fèi)用。

2　LonWorks技術(shù)概況及其特點(diǎn)

2．1　LonWorks技術(shù)概況

　　LonWorks技術(shù)是美國(guó)Echelon公司于20世紀(jì)90年代推出的一種現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)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(yīng)能力以及多網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，適應(yīng)了未來(lái)發(fā)展對(duì)測(cè)控網(wǎng)絡(luò)的要求。LonWorks技術(shù)是用于開發(fā)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的一個(gè)完整的技術(shù)平臺(tái)，并具有現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的一切特點(diǎn)。LonWorks網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由智能節(jié)點(diǎn)組成，節(jié)點(diǎn)包括神經(jīng)元芯片、傳感器、控制設(shè)備、收發(fā)器和電源。圖1是一種典型的LON節(jié)點(diǎn)方框圖〔1〕。每個(gè)智能節(jié)點(diǎn)可具有多種形式的I／O功能，節(jié)點(diǎn)之間可通過不同的傳輸媒介進(jìn)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(luò)的設(shè)計(jì)、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(shè)備和軟件程序。

3　系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

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

　　圖中每個(gè)節(jié)點(diǎn)有16路輸入和16路輸出，它主要完成以下的功能：（1）實(shí)時(shí)檢測(cè)大樓內(nèi)各房間的溫度；（2）根據(jù)設(shè)定的溫度界限自動(dòng)控制繼電器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)房間內(nèi)的加熱設(shè)備的控制；（3）用鍵盤輸入和數(shù)碼管顯示實(shí)現(xiàn)與用戶的交互；（4）故障報(bào)警；（5）保存各房間的溫度和加熱設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)；（6）根據(jù)供電峰谷時(shí)間電價(jià)不同的特點(diǎn)，合理地調(diào)整加熱設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間；（7）與上位機(jī)進(jìn)行信息交換，接收上位機(jī)的控制命令，并將各時(shí)間段的運(yùn)行數(shù)據(jù)傳入上位機(jī)。其原理如圖3所示。

　　該節(jié)點(diǎn)中的主處理器是AT89C52單片機(jī)，它完成實(shí)時(shí)溫度采集、接收鍵盤輸入、輸出數(shù)碼顯示、控制繼電器動(dòng)作、存儲(chǔ)運(yùn)行數(shù)據(jù)、和神經(jīng)元芯片3120進(jìn)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(hào)直接轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號(hào)供微機(jī)處理。由于每個(gè)DS1820包含一個(gè)48位的序列號(hào)，使得多個(gè)DS1820能夠同時(shí)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(diǎn)能夠?qū)?6個(gè)采溫點(diǎn)的溫度進(jìn)行測(cè)量和控制。存儲(chǔ)器選用EPROM27C256和RAM62256，使節(jié)點(diǎn)的功能具有很好的可擴(kuò)充性。收發(fā)器選用FTT－10A，網(wǎng)絡(luò)采用自由拓?fù)浣Y(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(yīng)用串行I／O支持異步串行數(shù)據(jù)格式，對(duì)于串行操作，串行輸出模式在IO9實(shí)現(xiàn)，串行輸入模式在IO8實(shí)現(xiàn)。對(duì)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(duì)象名。本系統(tǒng)中神經(jīng)元芯片3120與89C52單片機(jī)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(jī)的接口電路如圖4所示。由于神經(jīng)元芯片3120的握手信號(hào)HS是集電極開路的，因此，需要接上一個(gè)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(duì)主處理器來(lái)說(shuō)，神經(jīng)元芯片3120是含8個(gè)數(shù)據(jù)位和3個(gè)控制位的并行I／O設(shè)備。單片機(jī)的P0口與神經(jīng)元芯片3120的IO0～I(xiàn)O7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(hào)端，P2．7與IO8相連作為CS信號(hào)端。HS信號(hào)由神經(jīng)元芯片3120的內(nèi)部固件控制，當(dāng)HS為高電平時(shí)，表示神經(jīng)元芯片3120正在讀寫數(shù)據(jù)、處于忙狀態(tài)，當(dāng)HS為低電平時(shí)，表示神經(jīng)元芯片3120數(shù)據(jù)處理完畢，可以進(jìn)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(gè)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(shí)，當(dāng)89C52單片機(jī)判斷到HS信號(hào)為低時(shí)，在CS信號(hào)的下降沿將數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)總線，在信號(hào)CS的上升沿?cái)?shù)據(jù)被神經(jīng)元芯片3120的輸入緩沖區(qū)截取，同時(shí)導(dǎo)致HS端變?yōu)楦唠娖?，?dāng)數(shù)據(jù)讀取結(jié)束時(shí)，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(luò)與中央控制單元PC機(jī)的接口采用Echelon公司生產(chǎn)的PCLTA－10PCLonTalk適配卡，該卡是專門為個(gè)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(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)中的軟件設(shè)計(jì)主要包括兩部分。第一部分為下位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)，它主要完成：現(xiàn)場(chǎng)溫度數(shù)據(jù)的采集處理與存儲(chǔ)，控制繼電器動(dòng)作，輸出顯示以及鍵盤輸入，配置3120的工作模式，89C52與3120進(jìn)行通信并通過3120與上位機(jī)進(jìn)行信息交互。在本系統(tǒng)中，使用了Neuron C編程語(yǔ)言，現(xiàn)以并行口讀寫為例說(shuō)明其特點(diǎn)，對(duì)并行口讀寫首先要用下面的聲明語(yǔ)句：

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

　　為應(yīng)用Neuron芯片的I/O對(duì)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(shuō)明這樣一個(gè)結(jié)構(gòu)，并給出合適的maxlength定義，標(biāo)明數(shù)據(jù)傳送的最長(zhǎng)緩沖區(qū)尺寸，應(yīng)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(jìn)行I/O對(duì)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(jī)的軟件設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)用VisualBasic 6．0開發(fā)。實(shí)現(xiàn)了一個(gè)十分友好的人機(jī)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(yùn)行情況，并可設(shè)置各房間的運(yùn)行參數(shù)，還可查看歷史運(yùn)行紀(jì)錄和實(shí)時(shí)運(yùn)行費(fèi)用等。
5　結(jié)束語(yǔ)

　　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(yùn)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(píng)。

參考文獻(xiàn)

　　1　陽(yáng)憲惠．現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及應(yīng)用．北京：清華大學(xué)出版社，1998

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