摘 要：簡要介紹了現場總線Lonworks控制網絡技術, 并對其構建的分散智能控制網絡系統的結構特征進行了分析, 著重探討了Lonworks測控網絡前端智能節點的硬件電路組成, 設計開發出一個具有對室內有害氣體CO進行數據采集監控報警等功能的智能節點模塊。
1 引言
現場總線(Field Bus) 是一種多點、多站、多變量、全分布式智能雙向串行的數字通訊鏈路, 它直接溝通生產現場的測量、控制與執行設備, 以及更高層的自動化控制設備, 它不僅是一個網絡, 而且是一個開放式的控制系統。現場總線技術的出現, 將傳統的 DCS 集中與分散相結合的集散系統結構變成了新型智能全分散結構, 使構建高性能的分散式智能化工業檢測系統成為可能。目前幾種流行的現場總線各有優勢, 但LON 總線以其突出的統一性、開放性、互操作性及其可適用多種通信媒介、網絡結構和網絡拓撲等優良性能, 成為眾多現場總線產品中的佼佼者, 被譽為通用控制網絡。它廣泛應用在樓宇自控系統、環境檢測系統、保安系統、辦公設備、交通運輸、化工行業、工業過程控制等行業, 并且在開發智能通信接口, 智能傳感器方面Lonworks 神經元芯片也具有獨特的優勢。
由于現場總線技術是一種新型智能全分散系統, 所以系統智能節點的開發與設計是構成全分布式控制系統的重要環節, 本文基于現場總線Lonworks 技術給出智能節點的設計思路與設計方法, 設計開發出一個具有對室內有害氣體CO進行數據采集監控報警等功能的智能節點模塊, 利用該節點可構成LON監控網絡, 能及時準確地對室內有害氣體進行濃度監控和報警, 使用這種監控系統可避免災難的發生, 為人民生命安全及國家財產安全提供保障。
2 LonWorks 網絡智能控制系統
2.1 LonWorks 技術概述
LonWorks 總線技術是由美國Echelon 公司研制的, 它由Motorala , IBM , Toshiba 等公司共同倡導于1999 年正式公布而形成的, 其性能特點如下: 擁有3個處理單元的神經元芯片(Neuron 芯片) , 一個用于鏈路層控制, 一個用于網絡層的控制, 另一個用于用戶層的應用程序, 還包括11 個I/ O 口, 這樣在一個神經元芯片上就能完成網絡和控制的功能。支持多種通信介質雙絞線、電力線、電源線、光線、無線、紅外等和它們的互連。它采用了ISO/ OSI 全部7層通信協議, 采用了面向對象的設計方法, 提供了一個固化在神經元芯片的網絡操作系統。提供了一個完整的開發平臺, 這包含現場調試工具lonbuilder , 協議分析, 網絡開發語言Neuron C 等。由于支持面向對象的編程(網絡變量NV) 從而很容易實現網絡的互操作。
圖1 LonWorks 智能控制及監控系統結構圖
圖2 一個典型的Lon 智能節點方框圖
圖3 Neuron3150 與7135 數據采集電路圖
LonWorks 技術包括以下幾個組成部分: (1)LonWorks節點和路由器; (2) Lontalk 協議; (3) Lon2Works 收發器; (4) LonWorks 網絡和節點開發工具。
2.2 LonWorks 網絡智能控制系統結構
LonWorks 網絡智能控制系統在功能實現上分為兩級, 如圖1 所示, 現場控制級和上層監控、管理級。現場控制級的核心即分布于設備現場的一個個智能節點,主要用于接收和處理來自傳感器的輸入數據、執行通訊和控制任務以及控制執行器操作等。節點采用自由拓撲結構, 分散自制, 每個節點一方面分散獨立地解決測控任務, 另一方面通過點對點、點對多點的通訊, 解決節點之間的信息傳輸, 實現分散基礎上的融合。在現場智能節點的基礎上, 通過DDE 服務器建立上層的監控應用, 實現系統地監控、管理、維護以及與其它計算機系統之間的信息交互, 從而實現控制信息和管理信息的集成。
3 Lon 智能節點構成
Lon 網上的每個控制點稱為Lon 節點或Lon2Works 智能設備或稱為智能節點Smart Node , 它的核心是NeuronChip 芯片根據實際需要配以相應的外圍接口電路, 以完成控制電路的各種要求, 如模擬量的輸入/ 輸出、數字量的輸入/ 輸出、24V 繼電器的開關量輸出以及干接觸輸入等數據采集和驅動單元的外圍電路。一個典型的現場控制節點框圖如圖2 所示。主要包含以下幾部分功能塊: Neuron 芯片、傳感和控制設備、收發器(用于建立Neuron 芯片和傳輸之間的物理連接) 和電源。其中Neuron 芯片是節點的核心部分, 它主要包括3 個8 位CPU , 非易失性隨機存儲器, 應用輸入輸出口和可執行Lontalk 協議的網絡通信口。Lon 節點通過固件完成Lontalk 協議的數據傳輸, 并通過事件調度完成用戶定義的各種計算、I/ O 事件處理及網絡報文處理等功能。
4 Lon 智能節點的開發與設計實例
4.1 智能節點的硬件電路的實現
本節點以芯片Neuron3150 為核心構成一個數據采集、對象控制、結果顯示、數據通信等功能的完整系統, 實現底層設備自制, 每一節點內部都具有實現其特定功能的軟件, 各節點以網絡變量(Network Variable) 的形式進行通訊。該節點是基于對室內CO氣體濃度監控而設計的, 設計思路如下: 由室內CO傳感器(選用MGS1100 , 是Motorola 生產的一種專門用于家庭用途的一氧化碳氣體傳感器) 獲得被測量對象即室內CO 濃度, 經過溫度補償和取樣放大得到矯正后的可匹配信號, 采樣保持后進入A/ D 轉換,得到被測對象數字量信號, 再由芯片進行處理, 得到最終的室內CO 濃度值, 將此數據保存在數據緩存區中, 同時根據系統設定的限值參數判斷環境濃度是否超標, 如超標立即向光隔離接口輸出控制信號, 通過繼電器打開排氣扇等, 如長時間處于危險狀態通過上位機通訊報警或者通過捆綁節點關閉氣源。該智能節點硬件配置為: 晶振10 MHz , 存儲器選用AT29C256 , 收發器選用FTT - 10 。圖3 為該節點數據采集電路圖, 它是按照特定的應用要求而設計的,只要通過配置I/ O 對象和編制NeuronC 應用程序,就能控制該應用系統工作, 從而實現室內CO 有毒氣體監控報警等功能。
系統的數據采集取決于采用的A/ D 轉換芯片,由于室內氣體濃度變化緩慢, 選用了低速高精度的A/ D 轉換芯片ICL7135 , 它是一種常用的4 位半雙積分單片集成ADC 芯片, 分辨率相當于14 位二進制數, 轉換精度高, 芯片采用了自動校零技術, 可保持零點在常溫下的長期穩定性。7135 工作的外圍電路及與芯片的連接如圖3 所示, MC1403 組成的電路模塊為7135 提供標準的1V 參考電壓, 4049 組成的振蕩電路為7135 提供125 kHz 的工作時鐘。7135 與芯片的連接是通過4 位2 選1 數據多路開關74LS157 來實現的, 選通B 或A 通道, 芯片讀入相映的狀態位或讀入8421 碼值B8 、B4 、B2 、B1 , 這樣可節約I/ O口資源, 3150 芯片I0～ I3 配置為半字節輸入端口,此外3150 芯片CL K1 、CL K2 端應接入晶振電路, 由于3150 芯片上無ROM 它還必須連接外接存儲器,用于存儲應用程序和數據、存儲Neuron 芯片固件及預留區。
圖4 應用程序流程圖
4.2 智能節點的軟件設計
該智能節點主要功能是完成對CO 氣體濃度進行數據采集及監控報警, 所以軟件程序設計主要完成信號采集, 定義網絡變量與上位機通信。考慮到系統的通用性、可靠性以及便于施工、調試、維護等方面的要求, 在編程時設置了一組方便監控的網絡變量。由于網絡變量具有支持在線修改參數, 隨時檢測參數的特性, 于是定義了一個上限CO 濃度值的網絡變量(nz) 直接從網絡上送入上限值, 方便調試, 并可減少等待時間。監控時可直接查看內部累加網絡變量(tempcount) , 以確保程序編寫無誤。應用程序流程圖如圖4 所示。應用程序中部分IO口及網絡變量定義如下:
IO - 0 input nibble io - all - points ; / / 半字節信號輸入端
IO - 4 input bit io - detector / / 芯片選通位輸入端
network input unsigned longint nz = 35ppm;
/ / 網絡變量CO 濃度上限值為35 ppm
network output unsigned longint nv- o - computer ;
/ / 輸出給上位機監控
network output unsigned longint tempcount ;
/ / 內部自加變量,便于監控
5 結論
現場總線Lonworks 控制網絡技術是一種分散式智能控制網絡系統, 它是過程控制技術、儀表工業技術和計算機網絡技術三者的結合, 代表了控制體系結構發展的方向。智能節點的開發設計是實現分散式智能控制網絡系統的重要環節, 根據用戶的不同要求,可實現很多功能如防火、防盜、人體感應、門禁等報警功能, 形成網絡監控管理功能, 實現家庭安防系統智能化, 并能實現工業網絡儀表智能化。該設計的節點已實驗成功, 可以應用到實際工程中, 如智能小區的安防系統、環境檢測系統, 該節點測量精確, 控制可靠能及時準確對室內有害氣體進行濃度監控和報警。
( 鄭州輕工學院信息與控制工程系,鄭州輕工學院計算機科學與工程系,孫君曼,馬莉)
