摘 要：介紹了LonWorks現(xiàn)場總線和單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20的特點及原理，利用CY53120和AT89S52構(gòu)成了基于主機的Neuron節(jié)點，設(shè)計了多點溫度測控系統(tǒng)，給出了其硬件及軟件實現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：LonWorks;現(xiàn)場總線;樓宇自動化;Neuron芯片;DS18B20

Abstract: The principle and features of LonWorks fieldbus and single-wire digital temperature sensor DS18B20 are introduced. Neuron nodes of host based are structured by using CY53120和AT89S52 ,And a multi-point temperature measure & control system is designed .The implementation of hardware and software is given .

Key words: LonWorks;fieldbus;building automation;Neuron chip;DS18B20

0 引言

　　現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS（Fieldbus Control System）將系統(tǒng)的分散控制轉(zhuǎn)換到現(xiàn)場控制，形成開放性的控制網(wǎng)絡，將其應用在智能建筑的重要組成部分樓宇自動化系統(tǒng)BAS（Building Automatic System）中，將克服傳統(tǒng)方式因采用了RS-232、RS485等專用通信協(xié)議而帶來“自動化孤島”的嚴重不足。本文應用LonWorks現(xiàn)場總線技術(shù)和單總線（1-Wire）數(shù)字溫度傳感器DS18B20，設(shè)計了樓宇自動化溫度測控的智能節(jié)點與系統(tǒng)，有效地實現(xiàn)了對室內(nèi)溫度的實時監(jiān)控與調(diào)節(jié)。

1 1-Wire 數(shù)字溫度傳感器DS18B20

1.1 DS18B20結(jié)構(gòu)

　　DS18B20是由DALLAS所生產(chǎn)的基于1-Wire單總線新一代數(shù)字溫度傳感器，該系列產(chǎn)品有DS1820、DS1822、DS18S20、DS18B20等，DS18B20性能最好，其溫度轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)位數(shù)可編程到12位。DS18B20采用3腳TO-92封裝為主，其外形如小功率三極管。因每一個DS18B20都有一個自己特有的64位芯片ID序列號，我們可以在一條信號線上掛接任意多個數(shù)字式傳感器。圖1示出了DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)?？偩€也可通過DQ向所掛接的DS18B20寄生供電，而無需額外電源，此時VDD端必須接地，同時總線口在空閑的時候必須保持高電平，以便寄生充電。這使測溫電路變得十分簡單，無需任何外圍硬件，克服了模擬式傳感器與微機接口時需要的A/D轉(zhuǎn)換器及其它復雜外圍電路的缺點，因而溫度測控系統(tǒng)非常方便，成本低、體積小、可靠性高。DS18B20測溫范圍為-55～125℃，當溫度轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)編程到9位時精度為0.5℃（-10～85℃范圍內(nèi)），而12位時可分辨到0.0625℃，被測溫度與轉(zhuǎn)換后12位數(shù)字量為補碼表示，D0～D10表示大小，D11表示符號。溫度轉(zhuǎn)換時間最多為750ms。用戶可自設(shè)定溫度報警上下限，報警搜索命令可識別哪片DS18B20超溫度界限。

1.2 DS18B20單總線通信

　　單總線系統(tǒng)中主設(shè)備首先對DS18B20進行初始化，以確認總線上有DS18B20在線并做好了操作的準備，再可執(zhí)行ROM功能命令（共5條），然后方可執(zhí)行存儲器功能命令（共6條）以進行啟動溫度轉(zhuǎn)換及存儲器操作等控制功能。DS18B20采用嚴格的單總線通信協(xié)議，以保證數(shù)據(jù)的完整性。該協(xié)議定義了幾種信號類型：復位脈沖、應答脈沖、讀/寫0和讀/寫1。所有這些信號，除了應答脈沖以外，都由主機發(fā)出同步信號。命令和數(shù)據(jù)都是字節(jié)的低位在前。初始化時序如圖2所示，主機先通過拉低總線至少480μs，產(chǎn)生（Tx）復位脈沖信號，接著主機釋放總線，并進入接收模式（Rx），上拉電阻將單總線拉高;之后，在單總線器件檢測到上升沿后，延時15～60μs，接著通過拉低總線60～240μs，以產(chǎn)生在線應答脈沖。此外，DS18B20的讀/寫時序、測溫原理、ROM命令和MEMORY命令文獻[2]中有詳細的描述，在此不再贅述。

2 LonWorks現(xiàn)場總線

2.1 基本情況

　　LonWorks技術(shù)是由美國 Echelon公司推出的局部操作網(wǎng)絡（Local Operating Network），它包含所有設(shè)計、配置和維護網(wǎng)絡所需要的技術(shù)：3120/3150 Neuron芯片;NeuronC編程語言;LonTalk協(xié)議;LonWorks收發(fā)器;LonBuilder和NodeBuilder開發(fā)工具等。LonWorks網(wǎng)絡系統(tǒng)由智能節(jié)點組成，節(jié)點包括神經(jīng)元芯片、傳感器、控制設(shè)備、收發(fā)器和電源等。節(jié)點之間通信支持雙絞線、電力線、光纖和紅外線等多種介質(zhì)，遵守ISO/OSI的七層模型協(xié)議，并按照規(guī)范的Lon Talk協(xié)議進行通信，其通信速率范圍在300bps至1.5Mbps之間。

2.2 Neuron 3120/3150結(jié)構(gòu)與特點

　　Neuron 芯片是LonWorks技術(shù)的核心，它既進行通信的管理，也同時具有輸入、輸出和控制的能力。3120與3150兩大系列芯片主要由Motorola、Toshiba、Cypress三個公司生產(chǎn)。Neuron 芯片內(nèi)部框圖如圖3所示，內(nèi)有3個8位流水線作業(yè)的CPU。介質(zhì)訪問控制CPU處理 LonTalk 7層協(xié)議的第1到第2層，包括驅(qū)動通信子系統(tǒng)硬件和執(zhí)行MAC 算法。網(wǎng)絡CPU處理LonTalk協(xié)議的第3到第6層，包括處理網(wǎng)絡變量尋址事務，權(quán)限證實，背景診斷，軟件計時器，網(wǎng)絡管理和路由等，同時還控制網(wǎng)絡通信端口，物理的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包。應用CPU執(zhí)行用戶用NeuronC語言編寫的代碼以及用戶代碼調(diào)用的操作系統(tǒng)命令。3個CPU分別通過片內(nèi)的網(wǎng)絡緩存器和應用緩存器進行通信。芯片提供從I/O0～I/O10共11個管腳，通過對其編程可設(shè)定為34種不同的對象，可用于直接連接各傳感器、A/D、執(zhí)行器等。CP0-CP4組成的網(wǎng)絡通信端口用以連接收發(fā)器，實現(xiàn)網(wǎng)絡的通信功能。3120芯片中包含E2PROM、RAM、ROM，其中在ROM中已帶有LonTalk通信協(xié)議固件，可非常方便構(gòu)成用戶應用程序最大不超過2KB的較小系統(tǒng);而3150則需外部擴展ROM，其LonTalk通信協(xié)議也需要由NodeBuilder工具包配置，用于復雜的應用系統(tǒng)。

3 溫度測控系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 網(wǎng)絡拓樸

　　本設(shè)計中樓宇自動化溫度測控系統(tǒng)的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如圖4所示。系統(tǒng)選用兩級計算機監(jiān)控系統(tǒng)，即由上位管理機、LonTalk適配器以及多個智能節(jié)點組成。中央PC機控制節(jié)點的接口采用Echelon的PCLTA-10PCLonTalk適配卡，該卡是高性能的16位ISA總線LonWorks接口卡，系統(tǒng)中通信介質(zhì)為雙絞線。網(wǎng)絡采用基于LonWorks總線的網(wǎng)絡模型，節(jié)點數(shù)量可根據(jù)監(jiān)控的需要進行開放增減。網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)采用總線方式，通信速率設(shè)為78.125kbps時，LonWorks總線任意兩節(jié)點之間的通信距離可以達到2700m，完全可以滿足樓宇自動化系統(tǒng)的通信要求。上位機通過LonTalk適配器與LonWorks總線相連，用于整個系統(tǒng)的集中監(jiān)控、管理、分析及網(wǎng)絡通信檢測等。

3.2 智能溫度節(jié)點設(shè)計

　　系統(tǒng)采用基于主機的LonWorks智能節(jié)點，圖4給出了節(jié)點1的結(jié)構(gòu)。選用ATMEL增強型Flash單片機AT89S52作為主處理器以完成主要的測控任務，其內(nèi)嵌8K FlashROM，軟硬件上兼容AT89C52，但其最大的特點是集成了ISP接口，可直接在目標板上進行在系統(tǒng)編程，為用戶帶來了極大的方便;單總線上掛接的DS18B20采用外接VCC 方式而未用寄生供電，以便除了正常測量各點室溫外，還可在火災初期等異常情況下能準確工作;利用8155擴展I/O，以對顯示、鍵盤、超溫報警等電路進行接口，此外還通過溫控輸出單元對空調(diào)機組進行新回風、送排風、噴淋管等閥門進行控制，達到控溫的目的;Neuron芯片采用CYPRESS的CY53120，以其為核心再通過收發(fā)器FFT-10A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;收發(fā)器通過與Lon網(wǎng)接口負責將節(jié)點連入網(wǎng)絡。單片機AT89S52與Neuron芯片CY53120采用并行通信。P1口與3120的I00～I07相連作為8位的數(shù)據(jù)總線。P3.2與3120的I08相連，作為單片機請求發(fā)送數(shù)據(jù)的信號線和接受3120溫度轉(zhuǎn)換命令的應答線。P3.3與IO9相連，作為3120接收數(shù)據(jù)的應答信號。P3.4與IO10相連，作為3120發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換命令的信號線。這就保證了AT89S52與3120通信的嚴格同步。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　本系統(tǒng)軟件包括3個部分。第1部分是以PC機節(jié)點為管理中心的上位機的軟件設(shè)計，采用VB6.0開發(fā)，既可使系統(tǒng)與LAN進行鏈接，又實現(xiàn)了友好的人機操作界面，用戶可以在主控室內(nèi)設(shè)置大樓內(nèi)各房間的運行參數(shù)，查詢各房間的溫度及控制設(shè)備的運行情況，查看歷史運行紀錄和實時運行費用等。第2部分是以AT89S52為控制核心的下位機的軟件設(shè)計，采用匯編語言開發(fā)，主要完成鍵盤掃描與輸出顯示，現(xiàn)場溫度數(shù)據(jù)的采集，超限聲光報警，配置3120的工作模式，AT89S52與3120進行通信，溫度控制算法及對調(diào)溫設(shè)備的控制等。第3部分是以CY53120為核心的通信程序設(shè)計，采用Neuron C開發(fā)，完成節(jié)點外與網(wǎng)絡其它節(jié)點及上位機進行信息交互，內(nèi)與AT89S52進行通信。

4.2 部分程序流程圖及源程序

　　圖5給出了溫度測控軟件的流程圖。需要說明的是溫控子系統(tǒng)是現(xiàn)代建筑的耗能大戶，為了節(jié)能而在溫度控制算法模塊中采用了增量型PID控制算法與模糊控制算法相結(jié)合，當偏差較大時執(zhí)行前一算法，使溫度快速回到設(shè)定值附近，而當偏差較小時執(zhí)行后一算法，以避免控制裝置對被控溫度過于敏感而頻繁動作或振蕩，此外還采取了變新/回風比例自動控制、變頻調(diào)速進行變風量空調(diào)控制、舒適性空調(diào)溫度上限設(shè)定值提高等節(jié)能措施，以達節(jié)能目的。

　　對DS18B20進行寫操作的子程序如下。

　　WRITE: ;寫子程序,此前先執(zhí)行復位子程序

　　DATA_BIT EQU P2.7

　　CLR C ;清DS18B20在線標志

　　MOV R1,#08H ;8 bits

　　WR1: CLR DATA_BIT ;發(fā)寫脈沖給P2.7

　　MOV R7,#01H ;延時15μs

　　CALL DELAY15

　　RRC A ;被寫字節(jié)從低位開始

　　MOV DATA_BIT,C;送1個bit到DS18B20

　　MOV R7,#01H ;延時15μs

　　CALL DELAY15

　　SETB DATA_BIT ;釋放數(shù)據(jù)線

　　NOP

　　DJNZ R1,WR1 ;判8 bits是否寫完

　　SETB DATA_BIT ;釋放數(shù)據(jù)線

　　RET

5 結(jié)束語

　　本系統(tǒng)由于采用LonWorks現(xiàn)場總線技術(shù)，使樓宇自動化系統(tǒng)中通信可靠、便捷;采用基于1-Wire單總線新一代數(shù)字溫度傳感器DS18B20，使系統(tǒng)簡單、靈活、方便，在常溫測量中有較大優(yōu)勢;實際應用在DS18B20采用9位數(shù)字量轉(zhuǎn)換時分辨能力達到±0.5℃,采用數(shù)字處理則更可達到±0.0625℃，滿足智能建筑的不同程度的控制要求，該系統(tǒng)在常溫測控應用中具有明顯的優(yōu)勢。

參考文獻：

　　[1] 謝瑞和 串行技術(shù)大全 清華大學出版社 2003.4

　　[2] 馬莉 智能控制與Lon網(wǎng)絡開發(fā)技術(shù) 北京航空航天大學出版社 2003.2

　　[3] 凌志浩 從神經(jīng)元芯片到控制網(wǎng)絡 北京航空航天大學出版社 2002.2