1 　引言

    現(xiàn)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(shù)字通訊鏈路, 它直接溝通生產(chǎn)現(xiàn)場的測量、控制與執(zhí)行設備, 以及更高層的自動化控制設備, 它不僅是一個網(wǎng)絡, 而且是一個開放式的控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線技術(shù)的出現(xiàn), 將傳統(tǒng)的 DCS 集中與分散相結(jié)合的集散系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變成了新型智能全分散結(jié)構(gòu), 使構(gòu)建高性能的分散式智能化工業(yè)檢測系統(tǒng)成為可能。目前幾種流行的現(xiàn)場總線各有優(yōu)勢, 但LON 總線以其突出的統(tǒng)一性、開放性、互操作性及其可適用多種通信媒介、網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡拓撲等優(yōu)良性能, 成為眾多現(xiàn)場總線產(chǎn)品中的佼佼者, 被譽為通用控制網(wǎng)絡。它廣泛應用在樓宇自控系統(tǒng)、環(huán)境檢測系統(tǒng)、保安系統(tǒng)、辦公設備、交通運輸、化工行業(yè)、工業(yè)過程控制等行業(yè), 并且在開發(fā)智能通信接口, 智能傳感器方面Lonworks 神經(jīng)元芯片也具有獨特的優(yōu)勢。

    由于現(xiàn)場總線技術(shù)是一種新型智能全分散系統(tǒng), 所以系統(tǒng)智能節(jié)點的開發(fā)與設計是構(gòu)成全分布式控制系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié), 本文基于現(xiàn)場總線Lonworks 技術(shù)給出智能節(jié)點的設計思路與設計方法, 設計開發(fā)出一個具有對室內(nèi)有害氣體CO進行數(shù)據(jù)采集監(jiān)控報警等功能的智能節(jié)點模塊, 利用該節(jié)點可構(gòu)成LON監(jiān)控網(wǎng)絡, 能及時準確地對室內(nèi)有害氣體進行濃度監(jiān)控和報警, 使用這種監(jiān)控系統(tǒng)可避免災難的發(fā)生, 為人民生命安全及國家財產(chǎn)安全提供保障。

    2 　LonWorks 網(wǎng)絡智能控制系統(tǒng)

    2.1 　LonWorks 技術(shù)概述

    LonWorks 總線技術(shù)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(jīng)元芯片(Neuron 芯片) , 一個用于鏈路層控制, 一個用于網(wǎng)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(jīng)元芯片上就能完成網(wǎng)絡和控制的功能。支持多種通信介質(zhì)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(xié)議, 采用了面向?qū)ο蟮脑O計方法, 提供了一個固化在神經(jīng)元芯片的網(wǎng)絡操作系統(tǒng)。提供了一個完整的開發(fā)平臺, 這包含現(xiàn)場調(diào)試工具lonbuilder , 協(xié)議分析, 網(wǎng)絡開發(fā)語言Neuron C 等。由于支持面向?qū)ο蟮木幊?網(wǎng)絡變量NV) 從而很容易實現(xiàn)網(wǎng)絡的互操作。 

圖1 　LonWorks 智能控制及監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 　一個典型的Lon 智能節(jié)點方框圖

圖3 　Neuron3150 與7135 數(shù)據(jù)采集電路圖

    LonWorks 技術(shù)包括以下幾個組成部分: (1)LonWorks節(jié)點和路由器; (2) Lontalk 協(xié)議; (3) Lon2Works 收發(fā)器; (4) LonWorks 網(wǎng)絡和節(jié)點開發(fā)工具。

    2.2 　LonWorks 網(wǎng)絡智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    LonWorks 網(wǎng)絡智能控制系統(tǒng)在功能實現(xiàn)上分為兩級, 如圖1 所示, 現(xiàn)場控制級和上層監(jiān)控、管理級?，F(xiàn)場控制級的核心即分布于設備現(xiàn)場的一個個智能節(jié)點,主要用于接收和處理來自傳感器的輸入數(shù)據(jù)、執(zhí)行通訊和控制任務以及控制執(zhí)行器操作等。節(jié)點采用自由拓撲結(jié)構(gòu), 分散自制, 每個節(jié)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(jié)點之間的信息傳輸, 實現(xiàn)分散基礎(chǔ)上的融合。在現(xiàn)場智能節(jié)點的基礎(chǔ)上, 通過DDE 服務器建立上層的監(jiān)控應用, 實現(xiàn)系統(tǒng)地監(jiān)控、管理、維護以及與其它計算機系統(tǒng)之間的信息交互, 從而實現(xiàn)控制信息和管理信息的集成。

    3 　Lon 智能節(jié)點構(gòu)成

    Lon 網(wǎng)上的每個控制點稱為Lon 節(jié)點或Lon2Works 智能設備或稱為智能節(jié)點Smart Node , 它的核心是NeuronChip 芯片根據(jù)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(shù)字量的輸入/ 輸出、24V 繼電器的開關(guān)量輸出以及干接觸輸入等數(shù)據(jù)采集和驅(qū)動單元的外圍電路。一個典型的現(xiàn)場控制節(jié)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(fā)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(jié)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(zhí)行Lontalk 協(xié)議的網(wǎng)絡通信口。Lon 節(jié)點通過固件完成Lontalk 協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸, 并通過事件調(diào)度完成用戶定義的各種計算、I/ O 事件處理及網(wǎng)絡報文處理等功能。

    4 　Lon 智能節(jié)點的開發(fā)與設計實例

    4.1 　智能節(jié)點的硬件電路的實現(xiàn)

    本節(jié)點以芯片Neuron3150 為核心構(gòu)成一個數(shù)據(jù)采集、對象控制、結(jié)果顯示、數(shù)據(jù)通信等功能的完整系統(tǒng), 實現(xiàn)底層設備自制, 每一節(jié)點內(nèi)部都具有實現(xiàn)其特定功能的軟件, 各節(jié)點以網(wǎng)絡變量(Network Variable) 的形式進行通訊。該節(jié)點是基于對室內(nèi)CO氣體濃度監(jiān)控而設計的, 設計思路如下: 由室內(nèi)CO傳感器(選用MGS1100 , 是Motorola 生產(chǎn)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(nèi)CO 濃度, 經(jīng)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(zhuǎn)換,得到被測對象數(shù)字量信號, 再由芯片進行處理, 得到最終的室內(nèi)CO 濃度值, 將此數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)緩存區(qū)中, 同時根據(jù)系統(tǒng)設定的限值參數(shù)判斷環(huán)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(tài)通過上位機通訊報警或者通過捆綁節(jié)點關(guān)閉氣源。該智能節(jié)點硬件配置為: 晶振10 MHz , 存儲器選用AT29C256 , 收發(fā)器選用FTT - 10 。圖3 為該節(jié)點數(shù)據(jù)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(tǒng)工作, 從而實現(xiàn)室內(nèi)CO 有毒氣體監(jiān)控報警等功能。

    系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集取決于采用的A/ D 轉(zhuǎn)換芯片,由于室內(nèi)氣體濃度變化緩慢, 選用了低速高精度的A/ D 轉(zhuǎn)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(shù), 轉(zhuǎn)換精度高, 芯片采用了自動校零技術(shù), 可保持零點在常溫下的長期穩(wěn)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(shù)據(jù)多路開關(guān)74LS157 來實現(xiàn)的, 選通B 或A 通道, 芯片讀入相映的狀態(tài)位或讀入8421 碼值B8 、B4 、B2 、B1 , 這樣可節(jié)約I/ O口資源, 3150 芯片I0～ I3 配置為半字節(jié)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(shù)據(jù)、存儲Neuron 芯片固件及預留區(qū)。 

圖4 　應用程序流程圖

    4.2 　智能節(jié)點的軟件設計

    該智能節(jié)點主要功能是完成對CO 氣體濃度進行數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控報警, 所以軟件程序設計主要完成信號采集, 定義網(wǎng)絡變量與上位機通信。考慮到系統(tǒng)的通用性、可靠性以及便于施工、調(diào)試、維護等方面的要求, 在編程時設置了一組方便監(jiān)控的網(wǎng)絡變量。由于網(wǎng)絡變量具有支持在線修改參數(shù), 隨時檢測參數(shù)的特性, 于是定義了一個上限CO 濃度值的網(wǎng)絡變量(nz) 直接從網(wǎng)絡上送入上限值, 方便調(diào)試, 并可減少等待時間。監(jiān)控時可直接查看內(nèi)部累加網(wǎng)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(wǎng)絡變量定義如下:

    IO - 0 input nibble io - all - points ; / / 半字節(jié)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(wǎng)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(jiān)控
    network output unsigned longint tempcount ;
    / / 內(nèi)部自加變量,便于監(jiān)控

    5 　結(jié)論

    現(xiàn)場總線Lonworks 控制網(wǎng)絡技術(shù)是一種分散式智能控制網(wǎng)絡系統(tǒng), 它是過程控制技術(shù)、儀表工業(yè)技術(shù)和計算機網(wǎng)絡技術(shù)三者的結(jié)合, 代表了控制體系結(jié)構(gòu)發(fā)展的方向。智能節(jié)點的開發(fā)設計是實現(xiàn)分散式智能控制網(wǎng)絡系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié), 根據(jù)用戶的不同要求,可實現(xiàn)很多功能如防火、防盜、人體感應、門禁等報警功能, 形成網(wǎng)絡監(jiān)控管理功能, 實現(xiàn)家庭安防系統(tǒng)智能化, 并能實現(xiàn)工業(yè)網(wǎng)絡儀表智能化。該設計的節(jié)點已實驗成功, 可以應用到實際工程中, 如智能小區(qū)的安防系統(tǒng)、環(huán)境檢測系統(tǒng), 該節(jié)點測量精確, 控制可靠能及時準確對室內(nèi)有害氣體進行濃度監(jiān)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)