基于现场总线Lonworks技术的智能节点的开发与设计

    1 　引言

    现场总线(Field  Bus) 是一种多点、多站、多变量、全分布式智能双向串行的数字通讯链路, 它直接沟通生产现场的测量、控制与执行设备, 以及更高层的自动化控制设备, 它不仅是一个网络, 而且是一个开放式的控制系统。现场总线技术的出现, 将传统的 DCS 集中与分散相结合的集散系统结构变成了新型智能全分散结构, 使构建高性能的分散式智能化工业检测系统成为可能。目前几种流行的现场总线各有优势, 但LON 总线以其突出的统一性、开放性、互操作性及其可适用多种通信媒介、网络结构和网络拓扑等优良性能, 成为众多现场总线产品中的佼佼者, 被誉为通用控制网络。它广泛应用在楼宇自控系统、环境检测系统、保安系统、办公设备、交通运输、化工行业、工业过程控制等行业, 并且在开发智能通信接口, 智能传感器方面Lonworks 神经元芯片也具有独特的优势。

    由于现场总线技术是一种新型智能全分散系统, 所以系统智能节点的开发与设计是构成全分布式控制系统的重要环节, 本文基于现场总线Lonworks 技术给出智能节点的设计思路与设计方法, 设计开发出一个具有对室内有害气体CO进行数据采集监控报警等功能的智能节点模块, 利用该节点可构成LON监控网络, 能及时准确地对室内有害气体进行浓度监控和报警, 使用这种监控系统可避免灾难的发生, 为人民生命安全及国家财产安全提供保障。

    2 　LonWorks 网络智能控制系统

    2.1 　LonWorks 技术概述

    LonWorks 总线技术是由美国Echelon 公司研制的, 它由Motorala , IBM , Toshiba 等公司共同倡导于1999 年正式公布而形成的, 其性能特点如下: 拥有3个处理单元的神经元芯片(Neuron 芯片) , 一个用于链路层控制, 一个用于网络层的控制, 另一个用于用户层的应用程序, 还包括11 个I/ O 口, 这样在一个神经元芯片上就能完成网络和控制的功能。支持多种通信介质双绞线、电力线、电源线、光线、无线、红外等和它们的互连。它采用了ISO/ OSI 全部7层通信协议, 采用了面向对象的设计方法, 提供了一个固化在神经元芯片的网络操作系统。提供了一个完整的开发平台, 这包含现场调试工具lonbuilder , 协议分析, 网络开发语言Neuron C 等。由于支持面向对象的编程(网络变量NV) 从而很容易实现网络的互操作。 

图1 　LonWorks 智能控制及监控系统结构图

图2 　一个典型的Lon 智能节点方框图

图3 　Neuron3150 与7135 数据采集电路图

    LonWorks 技术包括以下几个组成部分: (1)LonWorks节点和路由器; (2) Lontalk 协议; (3) Lon2Works 收发器; (4) LonWorks 网络和节点开发工具。

    2.2 　LonWorks 网络智能控制系统结构

    LonWorks 网络智能控制系统在功能实现上分为两级, 如图1 所示, 现场控制级和上层监控、管理级。现场控制级的核心即分布于设备现场的一个个智能节点,主要用于接收和处理来自传感器的输入数据、执行通讯和控制任务以及控制执行器操作等。节点采用自由拓扑结构, 分散自制, 每个节点一方面分散独立地解决测控任务, 另一方面通过点对点、点对多点的通讯, 解决节点之间的信息传输, 实现分散基础上的融合。在现场智能节点的基础上, 通过DDE 服务器建立上层的监控应用, 实现系统地监控、管理、维护以及与其它计算机系统之间的信息交互, 从而实现控制信息和管理信息的集成。

    3 　Lon 智能节点构成

    Lon 网上的每个控制点称为Lon 节点或Lon2Works 智能设备或称为智能节点Smart Node , 它的核心是NeuronChip 芯片根据实际需要配以相应的外围接口电路, 以完成控制电路的各种要求, 如模拟量的输入/ 输出、数字量的输入/ 输出、24V 继电器的开关量输出以及干接触输入等数据采集和驱动单元的外围电路。一个典型的现场控制节点框图如图2 所示。主要包含以下几部分功能块: Neuron 芯片、传感和控制设备、收发器(用于建立Neuron 芯片和传输之间的物理连接) 和电源。其中Neuron 芯片是节点的核心部分, 它主要包括3 个8 位CPU , 非易失性随机存储器, 应用输入输出口和可执行Lontalk 协议的网络通信口。Lon 节点通过固件完成Lontalk 协议的数据传输, 并通过事件调度完成用户定义的各种计算、I/ O 事件处理及网络报文处理等功能。

    4 　Lon 智能节点的开发与设计实例

    4.1 　智能节点的硬件电路的实现

    本节点以芯片Neuron3150 为核心构成一个数据采集、对象控制、结果显示、数据通信等功能的完整系统, 实现底层设备自制, 每一节点内部都具有实现其特定功能的软件, 各节点以网络变量(Network Variable) 的形式进行通讯。该节点是基于对室内CO气体浓度监控而设计的, 设计思路如下: 由室内CO传感器(选用MGS1100 , 是Motorola 生产的一种专门用于家庭用途的一氧化碳气体传感器) 获得被测量对象即室内CO 浓度, 经过温度补偿和取样放大得到矫正后的可匹配信号, 采样保持后进入A/ D 转换,得到被测对象数字量信号, 再由芯片进行处理, 得到最终的室内CO 浓度值, 将此数据保存在数据缓存区中, 同时根据系统设定的限值参数判断环境浓度是否超标, 如超标立即向光隔离接口输出控制信号, 通过继电器打开排气扇等, 如长时间处于危险状态通过上位机通讯报警或者通过捆绑节点关闭气源。该智能节点硬件配置为: 晶振10 MHz , 存储器选用AT29C256 , 收发器选用FTT - 10 。图3 为该节点数据采集电路图, 它是按照特定的应用要求而设计的,只要通过配置I/ O 对象和编制NeuronC 应用程序,就能控制该应用系统工作, 从而实现室内CO 有毒气体监控报警等功能。

    系统的数据采集取决于采用的A/ D 转换芯片,由于室内气体浓度变化缓慢, 选用了低速高精度的A/ D 转换芯片ICL7135 , 它是一种常用的4 位半双积分单片集成ADC 芯片, 分辨率相当于14 位二进制数, 转换精度高, 芯片采用了自动校零技术, 可保持零点在常温下的长期稳定性。7135 工作的外围电路及与芯片的连接如图3 所示, MC1403 组成的电路模块为7135 提供标准的1V 参考电压, 4049 组成的振荡电路为7135 提供125 kHz 的工作时钟。7135 与芯片的连接是通过4 位2 选1 数据多路开关74LS157 来实现的, 选通B 或A 通道, 芯片读入相映的状态位或读入8421 码值B8 、B4 、B2 、B1 , 这样可节约I/ O口资源, 3150 芯片I0～ I3 配置为半字节输入端口,此外3150 芯片CL K1 、CL K2 端应接入晶振电路, 由于3150 芯片上无ROM 它还必须连接外接存储器,用于存储应用程序和数据、存储Neuron 芯片固件及预留区。 

图4 　应用程序流程图

    4.2 　智能节点的软件设计

    该智能节点主要功能是完成对CO 气体浓度进行数据采集及监控报警, 所以软件程序设计主要完成信号采集, 定义网络变量与上位机通信。考虑到系统的通用性、可靠性以及便于施工、调试、维护等方面的要求, 在编程时设置了一组方便监控的网络变量。由于网络变量具有支持在线修改参数, 随时检测参数的特性, 于是定义了一个上限CO 浓度值的网络变量(nz) 直接从网络上送入上限值, 方便调试, 并可减少等待时间。监控时可直接查看内部累加网络变量(tempcount) , 以确保程序编写无误。应用程序流程图如图4 所示。应用程序中部分IO口及网络变量定义如下:

    IO - 0 input nibble io - all - points ; / / 半字节信号输入端
    IO - 4 input bit io - detector / / 芯片选通位输入端
    network input unsigned longint nz = 35ppm;
    / / 网络变量CO 浓度上限值为35 ppm
    network output unsigned longint nv- o - computer ;
    / / 输出给上位机监控
    network output unsigned longint tempcount ;
    / / 内部自加变量,便于监控

    5 　结论

    现场总线Lonworks 控制网络技术是一种分散式智能控制网络系统, 它是过程控制技术、仪表工业技术和计算机网络技术三者的结合, 代表了控制体系结构发展的方向。智能节点的开发设计是实现分散式智能控制网络系统的重要环节, 根据用户的不同要求,可实现很多功能如防火、防盗、人体感应、门禁等报警功能, 形成网络监控管理功能, 实现家庭安防系统智能化, 并能实现工业网络仪表智能化。该设计的节点已实验成功, 可以应用到实际工程中, 如智能小区的安防系统、环境检测系统, 该节点测量精确, 控制可靠能及时准确对室内有害气体进行浓度监控和报警。 

    ( 郑州轻工学院信息与控制工程系,郑州轻工学院计算机科学与工程系,孙君曼,马莉)