摘 要： 溫度控制系統(tǒng)在工業(yè)上的應用較多，控制軟件更是因?qū)嶋H功能需求不同而有所不同。本文給出了溫度控制系統(tǒng)現(xiàn)場節(jié)點總體的設計方案以及開發(fā)的流程，然后針對溫度控制節(jié)點分別從硬件和軟件兩個方面進行介紹，硬件方面主要是LonWorks控制模塊與外圍電路的設計，而軟件方面主要是針對現(xiàn)場節(jié)點的數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)控制模塊的實現(xiàn)。 關鍵字：總線; 控制系統(tǒng); 溫度; LonWorks [b][align=center]Design of Field Node in a Temperature Circular Control System based on Bus Technology[/align][/b] Abstract: The application of the temperature control system is popular in the industry fields, and it’s different regarding the different function requirement. It provided the designed method and the development flow of temperature control system, then respectively carries on the introduction in view of the temperature system from the hardware and the software, in the hardware aspect is the LonWorks control module and the periphery circuit design, in the software aspect is mainly aims at data sample module, the data manage module. Keywords: Bus; Control System; Temperature; LonWorks 1 引言 　　作為過程自動化、制造自動化、樓宇、交通等領域現(xiàn)場智能設備之間的互聯(lián)通信網(wǎng)絡，現(xiàn)場總線具有開放式、數(shù)字化、多點通信等特點，在眾多的現(xiàn)場總線標準中，LonWorks以其特有的優(yōu)良性能脫穎而出。LonWorks是一種完整的、全開放、可互操作，目前已十分成熟的分布式控制網(wǎng)絡技術(shù)。本文利用LonWorks開發(fā)平臺設計一個溫度可循環(huán)控制系統(tǒng)的現(xiàn)場節(jié)點。 2 硬件電路總體方案 [align=center] 圖1溫度控制系統(tǒng)節(jié)點的硬件框圖[/align] 　　溫度控制系統(tǒng)節(jié)點的硬件框圖如圖1所示，溫度控制節(jié)點應該包括以下兩個主要功能塊：LonWorks控制模塊與外圍接口電路。 　　在本設計的溫度控制系統(tǒng)中，不僅需要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，還應能對底層設備進行控制，根據(jù)此需求，本設計提出一種改進的數(shù)據(jù)采集節(jié)點方案，在傳統(tǒng)設計基礎上增加了一個D/A轉(zhuǎn)換電路，通過該電路可以將節(jié)點發(fā)出的指令傳給模擬設備，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集過程的控制。 3 LonWorks控制模塊的電路設計 　　LonWorks控制模塊是指在進行基于Neuron芯片開發(fā)的一個通用節(jié)點，它包括Neuron芯片、存儲器、收發(fā)器、I/O接口以及網(wǎng)絡端口等，實現(xiàn)在現(xiàn)場使用時即插即用，達到高效、低成本開發(fā)的目的。Neuron芯片包括Neuron 3120和Neuron 3150兩種型號。此處選用Neuron 3150，它使用靈活，可以滿足本系統(tǒng)的應用。 　　1、Neuron芯片通信端口 　　Neuron芯片能支持多種傳輸媒介，最為通用的是構(gòu)成雙絞線、電力線網(wǎng)絡。其他的還有射頻（RF）、紅外光波、光纖以及電纜等。Neuron芯片擁有多功能的通信端口，通過不同的配置，它的5個引腳可以與多種傳輸媒介接口相連接，且可實現(xiàn)較寬范圍的傳輸速率。它一共有三種工作方式，分別是單端、差分以及專用工作方式。 　　雙絞線收發(fā)器FTT-10A在Neuron芯片和LonWorks網(wǎng)絡之間提供了一個物理的接口。FTT-10A自由拓撲雙絞線收發(fā)器適合于各種通信媒介和拓撲結(jié)構(gòu)。雙絞線收發(fā)器FTT-10A自由拓撲雙絞線收發(fā)器支持星型、總線型、環(huán)型拓撲結(jié)構(gòu)。其速率可達到78kbps，最遠通信距離為2700m，并可由重復器延長。Neuron3150芯片與FTT 10A的連接如圖2所示。 [align=center] 圖2 Neuron3150芯片與FTT-10A的連接圖[/align] 　　2、Neuron芯片外接存儲器 　　在本設計中我們采用的是具有64K字節(jié)存儲容量的存儲器AT29C512，它能夠在掉電的情況下保證數(shù)據(jù)不丟失，同時在上電的情況下還能夠?qū)λM行有限次數(shù)的數(shù)據(jù)寫操作。 4 外圍接口電路設計 　　溫度控制節(jié)點的外圍接口電路主要包括溫度采集電路、A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換電路以及電源電路。 　?。?） 溫度采集電路 　　溫度采集電路的主要是利用集成溫度傳感器AD590來將現(xiàn)場的溫度值轉(zhuǎn)化為電壓值。具體的溫壓轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。 [align=center] 圖3溫度采集電路原理圖[/align] 　　AD590是美國模擬器件公司生產(chǎn)的單片集成兩端感溫電流源。在溫度采集電路中，電位器R14用于調(diào)節(jié)零點，R15用于調(diào)整運算放大器LM324的增益。調(diào)整的方法如下：在0℃時調(diào)整R14，使輸出A1N1=0V，然后在100℃時調(diào)整R15，使AIN1=5V。如此反復調(diào)整多次，直至在0℃時，AIN1=0V，在100℃時AIN1=5V為止，最后在室溫下進行效驗。 　?。?） A/D轉(zhuǎn)換電路 　　A/D轉(zhuǎn)換電路主要的作用是把采集到的電壓值轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。A/D轉(zhuǎn)換主要是用美國MAXIM公司的MAX 186芯片來實現(xiàn)的，它內(nèi)含8通道多路切換開關、高帶寬跟蹤/保持器、12位逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換器、串行接口電路等，MAX 186自帶4.096V的參考基準源，本身即為一完整的單片12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。Neuron 3150的11個I/O口中，IO0到IO3具有高電流吸收能力，可以直接驅(qū)動一些小功率設備;IO0到IO7具有低電平檢測鎖定功能;此外所有管腳都具有TTL電平輸入功能。這些管腳可以靈活地配置成34種不同的I/O對象，用以滿足用戶的不同需求。本系統(tǒng)選用的是Neuronwire I/O對象，該對象使用Neuron芯片的IO8 ， IO9 ，IO10和IO0到IO7中的任意一個管腳，能夠?qū)崿F(xiàn)最多255比特的雙向串行數(shù)據(jù)傳輸，Neuronwire主模式使用Neuron芯片的管腳IO8作為時鐘輸入，IO9和IO10分別作為串行數(shù)據(jù)的輸入和輸出，以此構(gòu)成一個簡單的三線總線結(jié)構(gòu)。 　?。?） D/A轉(zhuǎn)換電路 　　D/A轉(zhuǎn)換電路的主要作用是在溫度控制節(jié)點對現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)進行處理后，將處理的信息反饋到現(xiàn)場設備。D/A轉(zhuǎn)換主要是利用MAX522芯片來實現(xiàn)的。MAX522芯片內(nèi)有2路8位電壓緩沖輸出D/A轉(zhuǎn)換器（DAC A和DAC B），8腳節(jié)省封裝和DIP封裝，DAC A端緩沖器工作電流可達5mA，DAC B端緩沖器工作電流可達500μA，MAX522工作在單向電壓+2.7V～+5.5V。 　　MAX522具有3線串行接口，工作電壓可以達到5MHz可直接與SPITM，QSPITM， MicrowireTM兼容。它有一個I6位輸入移位寄存器包含8位DAC輸入數(shù)據(jù)和8位DAC選擇和關斷控制。在/CS的正邊沿數(shù)據(jù)能夠存入到DAC寄存器。其中IO7作為片選端，IO8作為時鐘輸入，IO9作為串行數(shù)據(jù)的輸入。 　　（4） 電源電路 　　溫度控制系統(tǒng)的電源電路如圖4所示。本系統(tǒng)使用外部220V交流供電，經(jīng)過變壓器變壓，橋式整流和電容濾波以及可調(diào)試三端穩(wěn)壓器CW317調(diào)節(jié)后，可以輸出連續(xù)可調(diào)的直流電壓，可調(diào)范圍3～9V。 [align=center] 圖4 溫度控制系統(tǒng)電源電路圖[/align] 　　如圖4所示，可調(diào)式三端穩(wěn)壓器CW317，其特征參數(shù)Vo =1.2V～3.7V， Iomax=1.5V，最小輸入、輸出壓差（Vi-Vo）min=3V，最大輸入、輸出壓差（Vi-Vo）max= 40V。R1與RP1組成電壓輸出調(diào)節(jié)電路，輸出電壓Vo為： 　　 （1） 　　R1的值為120Ω-240Ω，流經(jīng)R2的波動電流為5mA～10mA， RP1為精密可調(diào)電位器，電容C3與RP1并聯(lián)組成濾波電路，以減少輸出的紋波電壓，二極管D5的作用是防止輸出端與地短路時損壞穩(wěn)壓器。集成穩(wěn)壓器的輸出電壓Vo與穩(wěn)壓電源的輸出電壓相同，穩(wěn)壓器的最大允許電流ICM 　　 （2） 　　式中，Vomax為最大輸出電壓，Vomin為最小輸出電壓，（Vi-Vo）min為穩(wěn)壓器的最小輸入、輸出電壓差，（Vi-Vomax）為穩(wěn)壓器的最大輸入、輸出電壓差。 　　由式（1）可得Vo≈1.25（1+RP1/R1），取R1=240Ω，則RP1max=1.49KΩ，故取RP1為4.7KΩ的精密線繞可調(diào)電位器。由式（2 ）可得輸入電壓Vi的范圍為 　　 （3） 　　副邊電壓V2≥Vimin/1.1=12/1.1 V，取V2=11V，副邊電流I2>Iomax=0.8A ，取I2 = 1A，則變壓器副邊輸出功率P2≥I2V2=11W，查表之后可以知道變壓器的效率η=0.7，則原邊輸入功率P1≥P2/η=15.7W。為留有余地，選功率為20W的電源變壓器。整流二極管D1， D2， D3與D4選IN4001 ，濾波電容C1， C2可以取2200μF/25V的電解電容。應在變壓器的副邊接入保險絲FU，以防電路短路損壞變壓器或其他器件。 5 溫度控制系統(tǒng)節(jié)點的軟件設計 　　在軟件方面，溫度控制系統(tǒng)節(jié)點的功能主要靠數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)控制兩部分軟件來實現(xiàn)?；贜euron 3150芯片的節(jié)點，程序完全使用Neuron C編寫，其總體結(jié)構(gòu)源程序一般是先定義變量、函數(shù)以及I/O口的使用情況，然后編寫子程序以及when語句調(diào)度程序。 　　根據(jù)項目的要求，本節(jié)點需要實現(xiàn)兩項功能：通過I/O接口對模擬數(shù)據(jù)進行采集，對其進行A/D轉(zhuǎn)換后傳送至上層PC，供監(jiān)控人員監(jiān)測;2、接收上層發(fā)出的控制信息，通過I/O接口進行D/A轉(zhuǎn)換，然后傳送至底層，實現(xiàn)對現(xiàn)場設備的控制。因此，本節(jié)點的軟件設計與實現(xiàn)主要包括兩部分：數(shù)據(jù)采集和控制。數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)控制所使用的I/O對象是一樣的，都是應用了Neurowire I/O對象。通過定義Neuron I/O對象，Neuron芯片可以實現(xiàn)與外設的同步，并完成全雙工串行通信。Neuron I/O對象可配置為主控方式或被控方式。當為主控方式時，Neuron芯片可以同時帶多個遵循Motorola公司SPI接口的外設。 　　本文作者創(chuàng)新點： 本文提出了一種基于總線技術(shù)的溫度可循環(huán)控制系統(tǒng)現(xiàn)場節(jié)點的研究，完成了LonWorks控制模塊設計及軟件開發(fā)。該節(jié)點方案針對于具體的溫度采集電路，集成了A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊，既完成了常規(guī)的數(shù)據(jù)采集工作，又方便監(jiān)控人員對現(xiàn)場進行控制。 參考文獻： 　　[1] 馬莉.智能控制與Lon網(wǎng)絡開發(fā)技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學出版社，2003，2： 63-67. 　　[2] 劉波，關碩.LonWorks現(xiàn)場總線與模擬設備接口電路設計[J].現(xiàn)場總線技術(shù)，2003， 3：22-24. 　　[3] 任清珍，王寧芳.基于LonWorks總線的高速數(shù)據(jù)采集節(jié)點的實現(xiàn)[J].中國儀器儀表，2003.4：10-12. 　　[4] 楊才表，趙建龍.基于 812的芯片溫度控制系統(tǒng)的研究[J].微計算機信息，2007，9-1： 43-44. 　　作者簡介：劉硯菊（1965.10-），女，遼寧省本溪市，副教授，碩士，研究方向：從事過程參數(shù)采集與檢測和網(wǎng)絡化測控的研究。張景異 （1965.8-）， 男， 遼寧大連人， 沈陽理工大學教務處， 教授， 碩士， 研究方向：信息系統(tǒng)和過程控制。王敏亮（1968.6-）， 男， 遼寧沈陽人， 單位：沈陽理工大學科研產(chǎn)業(yè)處，工程師， 研究方向：計算機應用