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)的功能和構成情況進行了詳細闡述。<--摘要CH(結束)←-->

　　關鍵詞：LonWorks，現(xiàn)場總線，神經元芯片

　　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)，對室內溫度進行合理調節(jié)，從而最大限度地降低采暖費用非常必要。目前，國內大都采用常規(guī)的計算機與通訊技術來實現(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)結構、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構等特點〔1〕〔2〕。因此，利用現(xiàn)場總線技術構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〕?；贚onWorks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，使室內溫度可以自由調節(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技術概況及其特點

2．1　LonWorks技術概況

　　LonWorks技術是美國Echelon公司于20世紀90年代推出的一種現(xiàn)場控制網(wǎng)絡產品〔1〕。該產品以其優(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)絡拓撲結構等特點，適應了未來發(fā)展對測控網(wǎng)絡的要求。LonWorks技術是用于開發(fā)監(jiān)控網(wǎng)絡系統(tǒng)的一個完整的技術平臺，并具有現(xiàn)場總線技術的一切特點。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技術包括監(jiān)控網(wǎng)絡的設計、開發(fā)、安裝和調試等一整套方法，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)、和神經元芯片3120進行通信等功能。神經元芯片選用TMPN3120，溫度傳感器選用Dallas公司生產的DS1820，它可把溫度信號直接轉換成串行數(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)點能夠對16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)絡采用自由拓撲結構，傳輸介質為雙絞線，通信模式為差分曼徹斯特編碼。

　　神經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)中神經元芯片3120與89C52單片機的通信采用并行方式，神經元芯片3120的工作模式為slave A。神經元芯片3120與89C52單片機的接口電路如圖4所示。由于神經元芯片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口與神經元芯片3120的IO0～IO7相連作為8位數(shù)據(jù)總線，P2．3與神經元芯片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信號由神經元芯片3120的內部固件控制，當HS為高電平時，表示神經元芯片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，網(wǎng)絡與中央控制單元PC機的接口采用Echelon公司生產的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結構，其定義如下：

　　struct parallel—io—interface
{
　

　　必須說明這樣一個結構，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查詢大樓內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