一種網(wǎng)絡(luò)化智能溫控器的設(shè)計與實現(xiàn)

　　1.引言

　　隨著“現(xiàn)場總線”的出現(xiàn)及其應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)測量和控制中信息的交換主要是通過現(xiàn)場總線和Internet等網(wǎng)絡(luò)來完成，為了實現(xiàn)多傳感器、控制器之間的信息交換，有必要將傳感器內(nèi)各個敏感單元及其功能單元以及控制器聯(lián)系在一起，通過軟件輸出符合某種協(xié)議格式的數(shù)字信號，從而可實現(xiàn)傳感器與傳感器之間、傳感器與控制器之間、傳感器與系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換和共享，其未來發(fā)展方向就是網(wǎng)絡(luò)化智能測控器。網(wǎng)絡(luò)化智能測控器是測試網(wǎng)絡(luò)中一個獨立的節(jié)點，能夠獨立地完成測試和控制任務(wù)，是實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化測控的基礎(chǔ)。使傳感器和控制器在現(xiàn)場級實現(xiàn)某種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，使現(xiàn)場測控數(shù)據(jù)就近登臨網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)所能及的范圍內(nèi)適時發(fā)布和共享，是網(wǎng)絡(luò)化智能測控器的研究目標(biāo)所在，也是目前國內(nèi)外競相搶占制高點的前沿技術(shù)之一。

　　2. 網(wǎng)絡(luò)化智能測控器簡介

　　智能測控器由智能傳感器和智能控制器組成。

　　“智能傳感器”能夠?qū)崿F(xiàn)對傳感器的原始信號進行加工處理，并按標(biāo)準(zhǔn)格式與外部進行數(shù)據(jù)交換。智能傳感器具備如下的功能：①對輸入信號進行檢測，根據(jù)輸入信號數(shù)值并進行判斷和制定決策；②能夠通過軟件來設(shè)置和實現(xiàn)不同的功能；③能夠與外部進行信息交換，有標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出接口；④具有自檢測、自修正和自保護功能。智能傳感器要實現(xiàn)對溫度補償、修正、校準(zhǔn)，同時利用A／D變換器將模擬信號轉(zhuǎn)換數(shù)字信號，因此它不是簡單的硬件構(gòu)成，而是通過硬軟件綜合技術(shù)的運用，對信號進行處理，最后輸出數(shù)字信號。

　　“智能控制器”可在智能芯片的控制下，根據(jù)測量值和預(yù)先編制好的控制算法，算出相應(yīng)的控制量，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后輸出模擬信號，驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)對測量點進行控制。

　　網(wǎng)絡(luò)化智能測控器的實質(zhì)是在智能測控器的基礎(chǔ)上實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化和信息化，其核心是使測控器實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)化智能測控器的特點主要有：(1)可靈活尋址通信。每個智能測控器具有一個獨立的地址，通過標(biāo)準(zhǔn)接口，可實現(xiàn)與其他智能測量及控制設(shè)備的互連組網(wǎng)。傳感器之間、傳感器與控制器之間能相互通信，完成數(shù)據(jù)信息交換和共享。 (2)狀態(tài)參數(shù)的靈活設(shè)置。作為網(wǎng)絡(luò)上的一個節(jié)點，用戶可以根據(jù)需要通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送不同的命令，對存放在智能測控器內(nèi)部EEPROM 中的狀態(tài)參數(shù)和控制算法進行重新編置，保證智能測控器工作在最佳狀態(tài)。

　　3.Lonworks技術(shù)簡介

　　LON(Local Operating Networks)總線是美國Echelon公司于1991年推出的局部操作網(wǎng)。目前已成為應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。LonWorks使用的開放式通信協(xié)議LonTalk為設(shè)備之間交換控制狀態(tài)信息建立了一個通用的標(biāo)準(zhǔn)。這樣在LonTalk協(xié)議的協(xié)調(diào)下，以往那些孤立的系統(tǒng)和產(chǎn)品融為一體，形成一個網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。它采用網(wǎng)絡(luò)變量這一形式，使節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳遞只是通過網(wǎng)絡(luò)變量的互相連接便可完成。又由于硬件芯片的支持，實現(xiàn)了實時性和接口直觀、簡潔的總線要求。LON總線性能特點主要有：

　　·擁有三個處理單元的神經(jīng)元芯片（Neuron芯片）――一個用于鏈路層的控制，一個用于網(wǎng)絡(luò)層的控制，另一個用于用戶的應(yīng)用程序，還包括11個I/O口，這樣在一個神經(jīng)元芯片上就能完成網(wǎng)絡(luò)和控制的功能；

　　·支持多種通信介質(zhì)（雙絞線、電力線、電源線、光纖、紅外、無線等）和它們的互連；

　　·LonWorks網(wǎng)絡(luò)拓撲可以選擇多種形式的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，包括總線、星形、環(huán)形、樹形甚至幾種方式的組合。

　　·LonTalk是LON總線的通信協(xié)議，支持七層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，提供了一個固化在神經(jīng)元芯片的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)；

　　·LonWorks技術(shù)改善了CSMA(載波偵聽多路訪問) 通信協(xié)議，使網(wǎng)絡(luò)在負載很重時，仍保持較高性能。LonWorks技術(shù)的通信速率可達1．25Mb／s，光纖介質(zhì)最長通信距離為3.5km。雙絞線介質(zhì)在通信速率為78kb／s時直接通信距離為2.7km。

　　·提供給開發(fā)者一個完整的開發(fā)平臺，包括現(xiàn)場調(diào)試工具LonBuilder、協(xié)議分析、網(wǎng)絡(luò)開發(fā)語言Neuron C等；

　　·由于支持面向?qū)ο蟮木幊蹋ňW(wǎng)絡(luò)變量NV），從而很容易實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的互操作。

　　4. 智能溫控器節(jié)點的設(shè)計

　　本文是以K型熱電偶構(gòu)成的溫度控制器為例，來具體介紹基于Lonworks技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化智能溫控器的設(shè)計原理和方法。

　　4.1  ADR－120模塊

　　ADR120為采用Lonworks技術(shù)的智能控制模塊，使用MC143150神經(jīng)元芯片，外部ROM、RAM和FLASH芯片作為存儲器。ADR-120內(nèi)部集成有8路A/D轉(zhuǎn)換器和4路D/A轉(zhuǎn)換器，可單獨作為回路控制器。其外形圖如圖1所示。ADR-120主要技術(shù)特點有：

　　·8路單端或4路差分信號的12位A/D轉(zhuǎn)換電路，0－5V電壓或0－20mA電流輸入；

　　·4路12位D/A轉(zhuǎn)換電路，可配置的0－5V、0－10V、-5－+5V電壓或4－20mA電流輸出；

　　·采用Echelon公司的FTT－10收發(fā)器，支持自由拓撲結(jié)構(gòu)；

　　·具有過電壓保護、尖峰電壓保護，電源接線反向保護，EMI/RFI濾波；

　　·EEPROM存儲器地電壓檢測保護；

　　·電源及狀態(tài)指示燈，SERVICE按鈕，方便用戶安裝維護；

　　·可插拔的接線端子，方便、迅速地安裝維護。

圖1  ADR-120外形圖

　　4.2 溫控器節(jié)點硬件設(shè)計

　　K型熱電偶智能溫控器節(jié)點的硬件原理圖如圖2所示，主要由ADR-120智能控制模塊、熱電偶、信號調(diào)理電路、可控硅調(diào)功器及報警電路等部分構(gòu)成。其中：

圖2   K型熱電偶智能溫控器節(jié)點硬件原理圖

　　信號調(diào)理電路選用K型熱電偶信號調(diào)理專用電路AD595。在實際的熱電偶測溫中，必須進行冷端補償、調(diào)零、電壓放大和線性化等比較繁瑣的工作，否則會造成很大的誤差。AD595是AD公司針對上述問題設(shè)計的專用芯片，內(nèi)部具有放大、冷端補償、冰點基準(zhǔn)、溫差電偶故障報警等電路。被測溫度與AD595輸出電壓的關(guān)系是10mV/℃，芯片在+5V~+30V范圍內(nèi)都可正常工作。隨所測溫度量程增大，電源電壓應(yīng)相應(yīng)提高。需注意的是，AD595的第1腳要求接熱電偶正極且接地。圖1中電位器Ｗ用于微調(diào)冷端補償電壓。AD595的7腳是負電源端，若不測0℃以下的溫度，不用負壓供電，此時7腳可接地。AD595的12、13腳是熱電偶故障報警電路的輸出端，13腳接地后，集電極開路的12腳接上拉電阻。熱電偶正常時輸出高電平，斷偶故障時輸出低電平。將這個邏輯電平引入ADR－120的第11端子，用于對熱偶電壓Vo的正確判斷。

　　智能控制模塊將測量的溫度值進行處理后，通過網(wǎng)絡(luò)接口將數(shù)據(jù)發(fā)布到LON總線上，交上位機進行處理和監(jiān)控，同時根據(jù)程序預(yù)先編制的控制算法得出控制量，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后變成0－5V電壓信號或4－20mA電流信號輸出至可控硅調(diào)功器，驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)對測溫點進行溫度調(diào)節(jié)控制。