基于神經(jīng)無(wú)芯片的遠程水溫監控系統

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定固定的溫度，并且一般需要在現場(chǎng)控制。但在許多工業(yè)場(chǎng)合，經(jīng)常需要對遠端熱水裝置的工作過(guò)程進(jìn)行控制，使其生產(chǎn)出穩定的熱水，并可隨時(shí)調節水溫。本文使用普通的單股雙絞線(xiàn)作為網(wǎng)絡(luò )物理介質(zhì)，設計了一個(gè)基于LON網(wǎng)絡(luò )的遠程監控系統，來(lái)完成上述功能。

1 Lonworks總線(xiàn)和神經(jīng)芯片
Lonworks控制網(wǎng)絡(luò )是當前最為流行的現場(chǎng)總線(xiàn)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(zhù)良好的接口和兼容性。支持多種拓撲結構，通信介質(zhì)可選雙絞線(xiàn)、電力線(xiàn)、紅外線(xiàn)、光纖、同軸電纜等媒介，使得網(wǎng)絡(luò )布線(xiàn)更加方便。應用程序采用面向對象的設計方法，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )變量進(jìn)行節點(diǎn)之間的數據交換，使網(wǎng)絡(luò )通信簡(jiǎn)化為參數設置。

本系統中用到兩種關(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／計數器；
◇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(zhuān)用方式)；
◇固件包括符合0SI七層協(xié)議的LonTalk協(xié)議，I／0驅動(dòng)程序和事件驅動(dòng)多任務(wù)調度程序；
◇服務(wù)引腳用于遠程識別和診斷；
◇48位內部Neuron ID用于唯一識別Neuron芯片；
在兩大系列中，3120芯片內部包含E2PROM、RAM和ROM存儲器，而3150芯片內部無(wú)ROM，但擁有訪(fǎng)問(wèn)外部存儲器的接口，可根據實(shí)際情況靈活配置存儲器。

(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 水溫監控系統硬件組成及工作原理
本系統由監控結點(diǎn)、執行結點(diǎn)兩個(gè)結點(diǎn)組成。它們位于LON網(wǎng)絡(luò )的兩端，結構如圖l所示。

本系統中選用單股雙絞線(xiàn)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)節點(diǎn)間通過(guò)網(wǎng)絡(luò )變量進(jìn)行通信．
在每個(gè)節點(diǎn)中，選用3150芯片外加一塊a2 KB的Flash存儲器芯片AT29C257來(lái)存儲應用程序、數據和通信協(xié)議等神經(jīng)芯片固件。神經(jīng)芯片和存儲器之間的連接如圖2所示。

監控結點(diǎn)位于中心控制室，能顯示實(shí)時(shí)水溫，用戶(hù)通過(guò)它對遠端加熱裝置器進(jìn)行水溫設置。監控節點(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(hù)調節電位器來(lái)設置水溫；電位器上得到的電壓經(jīng)A／O轉換后變?yōu)镺~100之間的數，發(fā)往執行結點(diǎn)，并在前兩個(gè)數碼管上顯示出來(lái)。執行結點(diǎn)傳過(guò)來(lái)的實(shí)時(shí)水溫顯示在后兩個(gè)數碼管上。為了充分利用芯片的I／0口，使用移位計數器74HC595擴展I／O口，采用芯片的串行輸出功能，I／O8作為時(shí)鐘信號，I／09作為數據輸出口，I／06作為數據鎖存控制端．根據實(shí)際情況的需要可用液晶顯示屏替換8段數碼管。

執行結點(diǎn)位于加熱器端，它檢測水溫井將數值發(fā)往監控結點(diǎn)，接收監控結點(diǎn)發(fā)來(lái)的控制溫度數據／根據情況啟動(dòng)／停止熱水器工作。執行節點(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出，經(jīng)A／D轉換后變?yōu)?~100之間的值，保存并發(fā)往監控結點(diǎn)。神經(jīng)芯片把從監控結點(diǎn)收到控制溫度值與檢測溫度值相比較，若檢測值小，則閉合繼電器，加熱器開(kāi)始工作；若檢測值大，則斷開(kāi)繼電器，加熱器停止工作。

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

3 軟件設計
本系統軟件部分采用面向對象的程序設計方法，將檢測信號、控制信號、神經(jīng)芯片I／O分別定義為不同的對象，使用NeuronC進(jìn)行編程。監控節點(diǎn)與執行節點(diǎn)的程序見(jiàn)網(wǎng)站(www．dpi．com．cn)。

結 語(yǔ)
本文利用Lonwork網(wǎng)絡(luò )在單股雙絞線(xiàn)上實(shí)現較遠距離的節點(diǎn)通信，設計并實(shí)現了對遠端水溫的監控。本系統只涉及對溫度的控制，在實(shí)際應用中，只需增加簡(jiǎn)單的電路和程序代碼，即可實(shí)現對壓力、氧氣含量(如公共浴室)等其他指標的控制。