基于LonWorks現場(chǎng)總線(xiàn)的樓宇溫度測控系統

　　摘　要　簡(jiǎn)要介紹了LonWorks現場(chǎng)總線(xiàn)及其特點(diǎn)，提出了一種基于LonWorks現場(chǎng)總線(xiàn)的、采用AT89C52單片機和神經(jīng)元芯片3120為微處理器的樓宇溫度測控系統，并對整個(gè)系統的功能和構成情況進(jìn)行了詳細闡述。<--摘要CH(結束)←-->

　　關(guān)鍵詞：LonWorks，現場(chǎng)總線(xiàn)，神經(jīng)元芯片

　　1　引　言

　　隨著(zhù)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非常廣闊的前景。因此，開(kāi)發(fā)一套溫度監控系統，對室內溫度進(jìn)行合理調節，從而最大限度地降低采暖費用非常必要。目前，國內大都采用常規的計算機與通訊技術(shù)來(lái)實(shí)現此類(lèi)系統，即，將以單片機為核心的區域控制系統和以RS－232或RS－422／RS485串行通訊總線(xiàn)為標準的系統連接，通過(guò)現場(chǎng)安裝的傳感器、控制器及相應的變送器和執行機構對各種被監控對象進(jìn)行自動(dòng)監測和控制。這種系統雖然可以滿(mǎn)足大多數用戶(hù)的要求，但由于它的集成度較低，規范性差，且無(wú)統一標準，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范要求。使用現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統FCS（FieldbusControl System），將系統的分散控制轉換到現場(chǎng)控制，數據傳輸采用總線(xiàn)方式，使系統具有數字化信號傳輸、分散型系統結構、良好的互操作性、開(kāi)放的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )及多種傳輸媒介和拓撲結構等特點(diǎn)〔1〕〔2〕。因此，利用現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)構成的自動(dòng)化控制系統使系統的可*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現場(chǎng)總線(xiàn)的樓宇溫度測控系統可以有效地實(shí)現對居室溫度的實(shí)時(shí)監控，使室內溫度可以自由調節，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(shù)概況及其特點(diǎn)

2．1　LonWorks技術(shù)概況

　　LonWorks技術(shù)是美國Echelon公司于20世紀90年代推出的一種現場(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(kāi)放性、互操作性、多媒介適應能力以及多網(wǎng)絡(luò )拓撲結構等特點(diǎn)，適應了未來(lái)發(fā)展對測控網(wǎng)絡(luò )的要求。LonWorks技術(shù)是用于開(kāi)發(fā)監控網(wǎng)絡(luò )系統的一個(gè)完整的技術(shù)平臺，并具有現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的一切特點(diǎn)。LonWorks網(wǎng)絡(luò )系統由智能節點(diǎn)組成，節點(diǎn)包括神經(jīng)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節點(diǎn)方框圖〔1〕。每個(gè)智能節點(diǎn)可具有多種形式的I／O功能，節點(diǎn)之間可通過(guò)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)包括監控網(wǎng)絡(luò )的設計、開(kāi)發(fā)、安裝和調試等一整套方法，要使用多種專(zhuān)用的硬件設備和軟件程序。

3　系統的硬件設計

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

　　圖中每個(gè)節點(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)檢測大樓內各房間的溫度；（2）根據設定的溫度界限自動(dòng)控制繼電器，以實(shí)現對各個(gè)房間內的加熱設備的控制；（3）用鍵盤(pán)輸入和數碼管顯示實(shí)現與用戶(hù)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)的數據；（6）根據供電峰谷時(shí)間電價(jià)不同的特點(diǎn)，合理地調整加熱設備的運行時(shí)間；（7）與上位機進(jìn)行信息交換，接收上位機的控制命令，并將各時(shí)間段的運行數據傳入上位機。其原理如圖3所示。

　　該節點(diǎn)中的主處理器是AT89C52單片機，它完成實(shí)時(shí)溫度采集、接收鍵盤(pán)輸入、輸出數碼顯示、控制繼電器動(dòng)作、存儲運行數據、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，它可把溫度信號直接轉換成串行數字信號供微機處理。由于每個(gè)DS1820包含一個(gè)48位的序列號，使得多個(gè)DS1820能夠同時(shí)用一根總線(xiàn)連接，這樣就可以在不同的地方放置溫度傳感器，本節點(diǎn)能夠對16個(gè)采溫點(diǎn)的溫度進(jìn)行測量和控制。存儲器選用EPROM27C256和RAM62256，使節點(diǎn)的功能具有很好的可擴充性。收發(fā)器選用FTT－10A，網(wǎng)絡(luò )采用自由拓撲結構，傳輸介質(zhì)為雙絞線(xiàn)，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芯片應用串行I／O支持異步串行數據格式，對于串行操作，串行輸出模式在IO9實(shí)現，串行輸入模式在IO8實(shí)現。對象聲明為：

　　IO—8 input—serial—baud(constant)io—object—name;

　　其中:io—object—name為用戶(hù)所起的串行輸入輸出對象名。本系統中神經(jīng)元芯片3120與89C52單片機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單片機的接口電路如圖4所示。由于神經(jīng)元芯片3120的握手信號HS是集電極開(kāi)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，對主處理器來(lái)說(shuō)，神經(jīng)元芯片3120是含8個(gè)數據位和3個(gè)控制位的并行I／O設備。單片機的P0口與神經(jīng)元芯片3120的IO0～IO7相連作為8位數據總線(xiàn)，P2．3與神經(jīng)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(jīng)元芯片3120的內部固件控制，當HS為高電平時(shí)，表示神經(jīng)元芯片3120正在讀寫(xiě)數據、處于忙狀態(tài)，當HS為低電平時(shí)，表示神經(jīng)元芯片3120數據處理完畢，可以進(jìn)行下一次通信了。在總線(xiàn)上，主處理器和從處理器之間不斷交換一個(gè)虛擬的寫(xiě)令牌，令牌的擁有者有寫(xiě)數據、或傳遞數據的權力。主處理器寫(xiě)時(shí)，當89C52單片機判斷到HS信號為低時(shí)，在CS信號的下降沿將數據寫(xiě)入數據總線(xiàn)，在信號CS的上升沿數據被神經(jīng)元芯片3120的輸入緩沖區截取，同時(shí)導致HS端變?yōu)楦唠娖?，當數據讀取結束時(shí)，HS被置低，等待下次通信。

　　在本系統中，用雙絞線(xiàn)作通信介質(zhì)，網(wǎng)絡(luò )與中央控制單元PC機的接口采用Echelon公司生產(chǎn)的PCLTA－10PCLonTalk適配卡，該卡是專(zhuān)門(mén)為個(gè)人電腦及兼容操作系統提供的，高性能的16位ISA總線(xiàn)LonWorks接口卡，支持Microsoft Windows2000、Windows95／98和Windows NT4．0。

4　系統的軟件設計

　　本系統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：現場(chǎng)溫度數據的采集處理與存儲，控制繼電器動(dòng)作，輸出顯示以及鍵盤(pán)輸入，配置3120的工作模式，89C52與3120進(jìn)行通信并通過(guò)3120與上位機進(jìn)行信息交互。在本系統中，使用了Neuron C編程語(yǔ)言，現以并行口讀寫(xiě)為例說(shuō)明其特點(diǎn)，對并行口讀寫(xiě)首先要用下面的聲明語(yǔ)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(shuō)明這樣一個(gè)結構，并給出合適的maxlength定義，標明數據傳送的最長(cháng)緩沖區尺寸，應用內嵌的Neuron C函數和事件如：io—out—request(),io—in—ready,io—out—ready,io—in(),io—out（）等，Neuron芯片的進(jìn)行I/O對象就很容易被訪(fǎng)問(wèn)〔4〕。神經(jīng)元芯片3120接收數據程序流程圖如圖5所示。

　　第二部分為上位機的軟件設計，本系統用VisualBasic 6．0開(kāi)發(fā)。實(shí)現了一個(gè)十分友好的人機操作界面，用戶(hù)可以在主控室內查詢(xún)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，還可查看歷史運行紀錄和實(shí)時(shí)運行費用等。
5　結束語(yǔ)

　　本系統是我們?yōu)槟档そ炒髽嵌倦姛岵膳_(kāi)發(fā)的，系統投入運行以后，能夠合理地調節室溫，有效節約電能，受到了用戶(hù)的好評。

參考文獻

　　1　陽(yáng)憲惠．現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)及應用．北京：清華大學(xué)出版社，1998

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