基于LonWorks现场总线的楼宇温度测控系统

　　摘　要　简要介绍了LonWorks现场总线及其特点，提出了一种基于LonWorks现场总线的、采用AT89C52单片机和神经元芯片3120为微处理器的楼宇温度测控系统，并对整个系统的功能和构成情况进行了详细阐述。<--摘要CH(结束)←-->

　　关键词：LonWorks，现场总线，神经元芯片

　　1　引　言

　　随着电力工业的不断发展，以及人们环保意识的增强，采用地热电缆低温辐射式供暖将呈现非常广阔的前景。因此，开发一套温度监控系统，对室内温度进行合理调节，从而最大限度地降低采暖费用非常必要。目前，国内大都采用常规的计算机与通讯技术来实现此类系统，即，将以单片机为核心的区域控制系统和以RS－232或RS－422／RS485串行通讯总线为标准的系统连接，通过现场安装的传感器、控制器及相应的变送器和执行机构对各种被监控对象进行自动监测和控制。这种系统虽然可以满足大多数用户的要求，但由于它的集成度较低，规范性差，且无统一标准，所以其可*性、维修性、互换性以及可扩充性均难以达到理想效果和规范要求。使用现场总线控制系统FCS（FieldbusControl System），将系统的分散控制转换到现场控制，数据传输采用总线方式，使系统具有数字化信号传输、分散型系统结构、良好的互操作性、开放的互联网络及多种传输媒介和拓扑结构等特点〔1〕〔2〕。因此，利用现场总线技术构成的自动化控制系统使系统的可*性、维修性、互换性以及可扩充性大大提高，符合国际上的主流趋势〔3〕。基于LonWorks现场总线的楼宇温度测控系统可以有效地实现对居室温度的实时监控，使室内温度可以自由调节，从而更加合理地利用能源，大大地降低了冬季采暖费用。

2　LonWorks技术概况及其特点

2．1　LonWorks技术概况

　　LonWorks技术是美国Echelon公司于20世纪90年代推出的一种现场控制网络产品〔1〕。该产品以其优秀的分布处理能力、开放性、互操作性、多媒介适应能力以及多网络拓扑结构等特点，适应了未来发展对测控网络的要求。LonWorks技术是用于开发监控网络系统的一个完整的技术平台，并具有现场总线技术的一切特点。LonWorks网络系统由智能节点组成，节点包括神经元芯片、传感器、控制设备、收发器和电源。图1是一种典型的LON节点方框图〔1〕。每个智能节点可具有多种形式的I／O功能，节点之间可通过不同的传输媒介进行通信，并遵守ISO／OSI的七层模型协议，LonWorks技术包括监控网络的设计、开发、安装和调试等一整套方法，要使用多种专用的硬件设备和软件程序。

3　系统的硬件设计

　　本系统采用的基于LonWorks总线的网络模型如图2所示。

　　图中每个节点有16路输入和16路输出，它主要完成以下的功能：（1）实时检测大楼内各房间的温度；（2）根据设定的温度界限自动控制继电器，以实现对各个房间内的加热设备的控制；（3）用键盘输入和数码管显示实现与用户的交互；（4）故障报警；（5）保存各房间的温度和加热设备运行状态的数据；（6）根据供电峰谷时间电价不同的特点，合理地调整加热设备的运行时间；（7）与上位机进行信息交换，接收上位机的控制命令，并将各时间段的运行数据传入上位机。其原理如图3所示。

　　该节点中的主处理器是AT89C52单片机，它完成实时温度采集、接收键盘输入、输出数码显示、控制继电器动作、存储运行数据、和神经元芯片3120进行通信等功能。神经元芯片选用TMPN3120，温度传感器选用Dallas公司生产的DS1820，它可把温度信号直接转换成串行数字信号供微机处理。由于每个DS1820包含一个48位的序列号，使得多个DS1820能够同时用一根总线连接，这样就可以在不同的地方放置温度传感器，本节点能够对16个采温点的温度进行测量和控制。存储器选用EPROM27C256和RAM62256，使节点的功能具有很好的可扩充性。收发器选用FTT－10A，网络采用自由拓扑结构，传输介质为双绞线，通信模式为差分曼彻斯特编码。

　　神经元芯片支持串行操作和并行操作。Neuron芯片应用串行I／O支持异步串行数据格式，对于串行操作，串行输出模式在IO9实现，串行输入模式在IO8实现。对象声明为：

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

　　其中:io—object—name为用户所起的串行输入输出对象名。本系统中神经元芯片3120与89C52单片机的通信采用并行方式，神经元芯片3120的工作模式为slave A。神经元芯片3120与89C52单片机的接口电路如图4所示。由于神经元芯片3120的握手信号HS是集电极开路的，因此，需要接上一个10kΩ的上拉电阻。在slave A模式中，神经元芯片3120是在主处理器的控制下工作的，对主处理器来说，神经元芯片3120是含8个数据位和3个控制位的并行I／O设备。单片机的P0口与神经元芯片3120的IO0～IO7相连作为8位数据总线，P2．3与神经元芯片3120的IO10相连作为握手信号端，P2．7与IO8相连作为CS信号端。HS信号由神经元芯片3120的内部固件控制，当HS为高电平时，表示神经元芯片3120正在读写数据、处于忙状态，当HS为低电平时，表示神经元芯片3120数据处理完毕，可以进行下一次通信了。在总线上，主处理器和从处理器之间不断交换一个虚拟的写令牌，令牌的拥有者有写数据、或传递数据的权力。主处理器写时，当89C52单片机判断到HS信号为低时，在CS信号的下降沿将数据写入数据总线，在信号CS的上升沿数据被神经元芯片3120的输入缓冲区截取，同时导致HS端变为高电平，当数据读取结束时，HS被置低，等待下次通信。

　　在本系统中，用双绞线作通信介质，网络与中央控制单元PC机的接口采用Echelon公司生产的PCLTA－10PCLonTalk适配卡，该卡是专门为个人电脑及兼容操作系统提供的，高性能的16位ISA总线LonWorks接口卡，支持Microsoft Windows2000、Windows95／98和Windows NT4．0。

4　系统的软件设计

　　本系统中的软件设计主要包括两部分。第一部分为下位机的软件设计，它主要完成：现场温度数据的采集处理与存储，控制继电器动作，输出显示以及键盘输入，配置3120的工作模式，89C52与3120进行通信并通过3120与上位机进行信息交互。在本系统中，使用了Neuron C编程语言，现以并行口读写为例说明其特点，对并行口读写首先要用下面的声明语句：

　
IO—0parallel slave｜master io—object—name;

　　为应用Neuron芯片的I/O对象，io—in()和io—out()需要指向parallel—io—interface结构，其定义如下：

　　struct parallel—io—interface
{
　

　　必须说明这样一个结构，并给出合适的maxlength定义，标明数据传送的最长缓冲区尺寸，应用内嵌的Neuron C函数和事件如：io—out—request(),io—in—ready,io—out—ready,io—in(),io—out（）等，Neuron芯片的进行I/O对象就很容易被访问〔4〕。神经元芯片3120接收数据程序流程图如图5所示。

　　第二部分为上位机的软件设计，本系统用VisualBasic 6．0开发。实现了一个十分友好的人机操作界面，用户可以在主控室内查询大楼内各房间的温度及加热电缆的运行情况，并可设置各房间的运行参数，还可查看历史运行纪录和实时运行费用等。
5　结束语

　　本系统是我们为牡丹江某大楼冬季电热采暖开发的，系统投入运行以后，能够合理地调节室温，有效节约电能，受到了用户的好评。

参考文献

　　1　阳宪惠．现场总线技术及应用．北京：清华大学出版社，1998

　　2　廖常初．现场总线的特点与发展趋势．电气时代，2001（11）3　Jonahs Berge．Fieldbus Enables Innovative Measurements．Advances in Instrumentation and Control，Vol．51，1996