一種Lonworks無(wú)線(xiàn)通信SCADA系統的設計與實(shí)現

摘    要：本文給出了一種Lonworks無(wú)線(xiàn)通信SCADA系統的設計方案。系統以AT89C52單片機和美國Echelon公司的雙絞線(xiàn)智能收發(fā)器FT3150為通信控制器，結合單芯片射頻收發(fā)器nRF401實(shí)現了Lonworks現場(chǎng)總線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)通信的有機結合。
關(guān)鍵詞： Lonworks；SCADA系統；智能收發(fā)器；射頻收發(fā)器

引言
目前，現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)在數據采集與監控系統(SCADA)、工業(yè)控制、樓宇自動(dòng)化、智能交通等領(lǐng)域得到了廣泛的應用。作為目前流行的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)之一Lonworks，以其突出的特點(diǎn)在國內的應用也越來(lái)越廣泛。本文通過(guò)Lonworks技術(shù)和無(wú)線(xiàn)通信的有機結合，設計并實(shí)現了一種功能較強、可擴展性好、安裝方便的數據采集與監控系統。

系統總體結構設計
根據數據采集與監控系統的要求、Lonworks現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的特點(diǎn)以及數據采集與監控節點(diǎn)的現場(chǎng)環(huán)境，系統選用三級通信結構(如圖1示)。根據需要本設計采用Lonworks網(wǎng)絡(luò )作為整個(gè)系統的主要通信方式之一，來(lái)組建整個(gè)SCADA系統。第一級通信出現在上位管理計算機與Lonworks網(wǎng)絡(luò )之間。實(shí)現二者之間的通信方式有多種，但是考慮到現成設備的高昂價(jià)格，本設計利用自行設計開(kāi)發(fā)的LON—PC機ISA接口卡來(lái)實(shí)現上位管理計算機與Lonworks網(wǎng)絡(luò )之間的數據交換；第二級通信實(shí)現Lonworks網(wǎng)絡(luò )上智能節點(diǎn)之間的信息交互；第三級通信網(wǎng)絡(luò )是實(shí)現現場(chǎng)信息無(wú)線(xiàn)采集的關(guān)鍵?，F場(chǎng)采集信息傳遞到Lonworks網(wǎng)絡(luò )有兩種不同的方式，一種是直接利用Lonworks智能節點(diǎn)進(jìn)行現場(chǎng)信息的采集，還有一種是通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信將現場(chǎng)采集信息傳送至Lonworks網(wǎng)絡(luò )，這是本文討論的重點(diǎn)。
系統的總體結構主要由以下幾部分組成：主控機，LON—PC機ISA接口卡，Lonworks無(wú)線(xiàn)通信模塊，單片機數據采集模塊，Lonworks數據采集控制模塊?？傮w結構框圖如圖1所示。
為了實(shí)現人機界面，并通過(guò)LON—PC機ISA接口卡向Lonworks總線(xiàn)上的其他模塊(Lonworks無(wú)線(xiàn)通信模塊或Lonworks數據采集控制模塊)發(fā)送控制命令或接收來(lái)自這些模塊轉發(fā)的采集數據，系統設計采用VC++開(kāi)發(fā)了一套簡(jiǎn)單實(shí)用的管理軟件。該軟件可以方便的對LON—PC機ISA接口卡進(jìn)行讀寫(xiě)操作，并將所得數據在界面進(jìn)行顯示的同時(shí)進(jìn)行存儲。
LON—PC機ISA接口卡的設計，采用IDT7024雙口RAM來(lái)實(shí)現Lonworks神經(jīng)元芯片與計算機ISA端口之間的數據交換。
現場(chǎng)采集信息的無(wú)線(xiàn)傳輸是通過(guò)為L(cháng)onworks智能節點(diǎn)和單片機數據采集模塊分別添加設計nRF401無(wú)線(xiàn)通信電路來(lái)實(shí)現的。后面將對這兩部分電路的設計進(jìn)行詳細介紹。
Lonworks無(wú)線(xiàn)通信模塊主要接收總線(xiàn)上來(lái)自主控機的控制命令，通過(guò)射頻通信控制數據采集模塊進(jìn)行數據采集或發(fā)送控制信號，并將來(lái)自采集模塊的數據轉發(fā)至Lonworks總線(xiàn)上。
現場(chǎng)信息的采集主要由Lonworks數據采集控制模塊和單片機數據采集模塊完成。Lonworks數據采集控制模塊直接接收總線(xiàn)上來(lái)自主控機的控制命令，并按命令進(jìn)行數據采集、轉發(fā)(轉發(fā)至Lonworks總線(xiàn))或對現場(chǎng)執行機構發(fā)送控制命令。而單片機數據采集模塊則通過(guò)射頻通信接收控制命令，并依據命令內容完成數據采集、轉發(fā)(通過(guò)射頻無(wú)線(xiàn)通信)或對現場(chǎng)執行機構發(fā)送控制命令等功能。

系統無(wú)線(xiàn)通信的設計與實(shí)現
無(wú)線(xiàn)通信的實(shí)現是整個(gè)系統設計的關(guān)鍵。本系統分別為L(cháng)onworks智能節點(diǎn)和現場(chǎng)單片機數據采集模塊設計添加了無(wú)線(xiàn)通信接口以完成此部分功能，具體設計如圖2所示。
Lonworks無(wú)線(xiàn)通信模塊設計
Lonworks無(wú)線(xiàn)通信模塊電路中FT3150芯片定義IO8、IO10為異步串行對象，用來(lái)接收和發(fā)送來(lái)自nRF401的數據。IO1~IO3作為通信的控制端。
數據采集模塊的硬件框圖如圖3所示。AT89C52單片機也通過(guò)異步串口與nRF401通信，并用P1.1、P1.2、P1.3口作為通信的控制端。
在nRF401芯片使用時(shí)，設定好工作頻率，進(jìn)入正常工作狀態(tài)后，通信控制器根據需要進(jìn)行收發(fā)轉換控制，發(fā)送／接收數據或進(jìn)行狀態(tài)轉換。
無(wú)線(xiàn)通信電路設計時(shí)應注意以下問(wèn)題：通信的可靠性、抗干擾性是無(wú)線(xiàn)通信電路設計所要解決的主要問(wèn)題。因而需對整個(gè)電路的PCB設計進(jìn)行全局考慮。整個(gè)PCB板采用4層電路板設計，增加電源層和地層，并在上、下表面進(jìn)行敷銅處理，以提高整個(gè)電路的抗干擾性。模擬部分與數字部分電路盡量分開(kāi)；采用特性較好的鉭電容組成LC濾波電路，對nRF401的VCC進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的濾波處理；nRF401和主控制芯片共用晶振，因而要十分注意晶振電路的走線(xiàn)，盡可能的短并遠離數據線(xiàn)、控制線(xiàn)；無(wú)線(xiàn)射頻電路的所有元件以nRF401為中心并緊靠其擺放，其中VCO電感的布局對通信效果有著(zhù)明顯的影響，匹配網(wǎng)絡(luò )的元器件最好靠近nRF401的ANT1和ANT2，以減小雜散電感和雜散電容；最后，系統還采用了高增益天線(xiàn)來(lái)提高通信的距離。

系統軟件設計
整個(gè)系統的軟件部分主要分為四大部分：主控機上位機軟件、LON—PC機ISA接口卡程序、Lonworks無(wú)線(xiàn)通信模塊程序以及數據采集模塊程序。
上位機軟件采用VC++語(yǔ)言編寫(xiě)，主要完成通過(guò)人機界面的設計，從ISA口接收采集數據或發(fā)送控制命令。LON—PC機ISA接口卡程序采用Neuron C并口編程，從而實(shí)現FT3150與ISA總線(xiàn)上的數據交換。下面主要對系統無(wú)線(xiàn)通信部分程序進(jìn)行詳細的介紹。
無(wú)線(xiàn)通信程序設計
在設計程序時(shí)，要注意各狀態(tài)轉換的時(shí)延。nRF401的通訊速率最高為20kbit/s，發(fā)送數據之前需將電路置于發(fā)射模式；接收模式轉換為發(fā)射模式的轉換時(shí)間至少為1ms；可以發(fā)送任意長(cháng)度的數據；發(fā)射模式轉換為接收模式的轉換時(shí)間至少為3ms。在待機模式時(shí)，電路不接收和發(fā)射數據。待機模式轉換為發(fā)射模式的轉換時(shí)間至少為4ms；待機模式轉換為接收模式的轉換時(shí)間至少為5.0ms。
Lonworks 無(wú)線(xiàn)通信模塊程序采用Neuron C語(yǔ)言編寫(xiě)，程序運行采用事件觸發(fā)方式。通過(guò)網(wǎng)絡(luò )變量把節點(diǎn)間數據的共享變?yōu)楹?jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò )變量連接。本系統采集模塊采用中斷方式實(shí)現串口通信，以提高效率。單片機串口中斷服務(wù)程序流程和Lonworks 無(wú)線(xiàn)通信模塊的通信流程圖分別如圖4、5所示。
軟件編程應注意的問(wèn)題
首先，為了保證nRF401的正常工作，軟件上應當注意在控制nRF401進(jìn)行狀態(tài)轉換時(shí)進(jìn)行適當的延時(shí)處理，因此單片機程序中需分別設計相應的延時(shí)函數。而在FT3150中通過(guò)調用DELAY()函數便可進(jìn)行適當的延時(shí)。
其次，為了保證通信的可靠性，通信協(xié)議應在軟件實(shí)現上對傳輸的數據進(jìn)行相應的編碼處理，即為傳輸數據增添特殊的數據頭，具體的編解碼過(guò)程由于篇幅有限不做詳細描述。

結語(yǔ)
本文利用無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片nRF401實(shí)現了Lonworks 無(wú)線(xiàn)測控網(wǎng)絡(luò )，系統通信可靠性高、實(shí)時(shí)性好，適于多種應用領(lǐng)域，有較大推廣價(jià)值?！?/p>

參考文獻
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