基于1-Wire的智能家庭RTU研究

摘要:随着智能建筑技术的发展，远程监测控制及数据采集系统的广泛应用，家庭自动化系统在方便、快速、安全及智能控制等方面逐步完善。基于1-wire的智能家庭RTU测控终端，由于它只有一个信号线, 因此具有节省I/O口线资源、结构简单、成本低廉、便于扩展和维护等优点，达到了总线接口简单，终端容易扩展和设备维护方便的目标。 1 引言 随着自动控制技术、计算机应用技术、网络、通信、电子技术的迅速发展，促使其相关技术也逐渐成熟。这些不但对人们传统生活方式理念产生了变化，而且对其他各行领域应用技术的发展也起到了突飞猛进的作用。建筑业就是一例，智能建筑已成为现代建筑的发展方向。楼宇自动化(BAS)、办公自动化(OAS)通信自动化(CAS)系统已有广泛应用。伴着人们对生活质量要求的逐步提高，对居住环境的舒适、安全、高效、节能、灵活便捷等多方面提出了更高的要求，于是家庭自动化系统(HAS)应运而生，它既能对家庭所用设备实现网络管理，同时又能与智能楼宇主控管理系统实现互联，还能通过公共网络系统实现远程信息交换与控制。远程监制及数据采集系统[SCADA/RTU(Supervisory Control And Data Acquisition/Remote Terminal Unit)]，在电力、水利、石油、化工、环保和市政等众多领域的自动化和信息处理得到广泛应用。 SCADA/RTU系统一般采用分散式测控、集中式管理的方式，整个系统由监控中心、若干个分散的远程测控终端RTU和通信介质三部分组成，本文主要介绍一种基于1-wire的智能家庭RTU研究设计方案。 2 总体方设计 家用设备大多都是分次购进的，基本是现场设备，不具备信息化的条件，可以称之为“信息孤岛”，所以必须通过数字化处理实现信息交换，达到监测动能：①对电器设备进行自动化监控，如家电开关、阀门关闭或起动等。②对能源进行优化管理和控制，如空调调节、灯光控制、声音调节、温度控制、湿度控制、等。③日常一些事物的管理，如安全防盗防火管理和水、电、气三表自动计费及转账管理等。④家用设备内部局部网络的连接，如计算机、电视、摄/录像机、VCD/DVD数码相机以及其他一些家用设备。⑤对外留有RS-485现场总线和PSTN公用电话网有线接口，以及VHF/UHF无线电台接口、GSM移动电话网接口，以便实现和楼宇主控管理计算机、互联网的连接，达到远程检测与控制、教育、医疗、存贷、购物等目的。 图1 RTU总体设计方案图 根据以上功能要求，研究设计了基于1-wire的智能家庭RTU，总体方案如图1所示。通过有线或无线通信接入用户家庭的测控终端RTU，家用设备通过1-Wire总线端口器件与RTU连接。进而使RTU作为一个信息检测与控制系统，为住宅需要信息处理与控制的设备嵌入统一的控制平台，由于对家庭设备实现了信息化，便具有了信息智能处理和通信能力，同时也提供了统一的信息交换接口及其控制方法，并且可以现场直接控制操作。 3．智能家庭RTU设计 1-wire 单总线适用于单个主机系统，能够控制一个或多个从机设备。当只有一个从机位于总线上时，系统可按照单节点系统操作；而当多个从机位于总线上时，则系统按照多节点系统操作。无论那种系统，其 1-wire 单总线通信协议模式都是主从模式。 3.1 1-Wire信号分析 所有的单总线器件要求采用严格的通信协议，以保证数据的完整性。该协议定义了几种信号类型：复位脉冲应答脉冲、写0、写1、读0、和读1。所有这些信号除了应答脉冲以外，都由主机发出同步信号。并且发送所有的命令和数据都是字节的低位在前，这一点与多数串行通信格式不同（多数为字节的高位在前）。 复位和应答脉冲。单总线上的所有通信都是以初始化序列开始，包括主机发出的复位脉冲及从机的应答脉冲如图2所示。 图2 单总线初始化时序图 在主机初始化过程，主机首先发出至少480μs低电平的TX复位脉冲信号，接着，主机释放总线，总线被4.7k上拉电阻拉高，并进入接收模式RX，从机等待15μs～60μs，发出响应主机的应答脉冲(ACK)拉低总线60μs～240μs，以产生应答脉冲，表明从机已处于总线上，且工作准备就绪。 读／写信号。主机向单总线器件发送数据，称为写入（Write），这期间叫写时隙；而主机读入来自从机的数据，称为读出（Read）这期间叫读时隙。在每一个时隙，总线只能传输一位数据。 写时隙有两种，写“1”和写“0”。所有写时隙所需时间至少60μs，并且在两次独立的写时隙之间至少需要1μs的恢复时间。主机在拉低总线后接着必须在15μs之内释放总线，由4.7k 上拉电阻将总线拉至高电平，便完成逻辑“1”写入；在主机拉低总线后，只需在整个时隙期间保持至少60μs低电平即可，为最坏的情况提供时间余量，保证逻辑“0”写入。 在写时隙起始后15～60μs期间，单总线器件读取总线电平状态。如果在此期间采样为高电平，则器件被写入位信息“1”，如果为低电平，则被写入位信息“0”。 1-Wire 单总线器件（从机）仅在主机发出读操作时，才向主机发送数据，所以在主机发出读数据操作命令后，便产生读时隙信号，以便接收从机发送来的数据。每位读时隙至少需要60μs，且在两次独立的读时隙之间至少需要1μs（总线高电平）的恢复时间。读操作是主机发起的，首先拉低总线1μs以上，在主机发起读时隙之后，从机（单总线器件）便在总线上发送“0”或“1”。 若从机发送“1”， 则保持总线为高电平；若发送“0”，则总线拉低。从机发出的数据在起始时隙之后，保持有效时间15μs，从机在该时隙结束后释放总线，由上拉电阻将总线拉回至空闲高电平状态，因而，主机在读时隙期间必须释放总线，并且在时隙起始后的15μs之内采样总线状态。 图3 主机读写时序示意图 在每个1-Wire 单总线器件（从机）内部，都存储了一个激光刻制的ROM单元，含有64位节点地址唯一系列码，是全球唯一的。它由8个字节组成，第一个字节存储8位家族码，是产品类型分类标志；接下来的6个字节存储可定位的48位独立地址；最后一个字节，是循环冗余码（CRC）字节，由于地址总量系列码达248，因此，总线上不可能出现相互冲突、或相同的地址。 一般的，1-Wire 网络被看成一条双绞线贯串一定区域，与多个1-Wire从机菊花链连接。这是理想的情况，实际上，当网络负载较重时，将总线分成多段，方便提供总线上的1-Wire器件物理位置信息，便于排除故障。通过将其中的一部分作为网络“主干”，根据需求增加网络“分支”，这样主机的网络负载将降低。 3.2 基于1-Wire的智能家庭RTU设计 基于1-Wire技术，选用PHILIPS 20脚的小型封装P87LPC764单片机作为控制器。P87LPC764适合于许多要求高集成度、低成本的场合，提供高速和低速的晶振和RC振荡方式，可编程选择，具有较宽的操作电压范围。可编程I/O口线输出模式选择，可选择施密特触发输入，LED驱动输出，有内部看门狗定时器。P87LPC764采用加速80C51处理器结构，指令执行速度是标准80C51CPU的两倍。内部具有2个16位定时/计数器，每一个定时器均可设置为溢出时触发相应端口输出；2个模拟比较器；全双工UART； I2C通信接口；8个键盘中断输入，另加2路外部中断输入；可编程I/O口输出模式：准双向口，开漏输出，推挽式和只有输入功能。在此基础上分别扩展了32K程序存储器和16K数据存储器。实时时钟选用DS2415芯片，提供秒、分、时、日、月、年实时信息。其硬件结构原理图如图4所示。 图4 基于1-Wire的智能家庭RTU硬件结构原理图 RTU主要由单片机测控系统组成。主控制器P87LPC764单片机，接受操作命令、完成数据传送、数据通信(输入/输出)、运算处理、逻辑判断和控制功能，并通过总线与其他部分连在一起构成一个系统。 可寻址开关量输入/输出单元，开关量输入模块主要是接收并储存来自现场或外部设备送入RTU的信号，供CPU进行控制。而CPU运算的结果要通过输出模块送往执行元件完成控制作用。输入输出模块具有电平转换和电气(光/电、电/磁)隔离两个基本功能。输入电平转换是把现场送入RTU的不同等级的电压、电流信号转换成CPU能够接受TTL或CMOS标准电平；输出电平转换则是将CPU产生的TTL标准电平逻辑信号转换成执行机构或工作负载所需的电压信号。每一I/O设备都有唯一的编号。 3.3软件模块设计 智能家庭RTU软件系统由系统程序和应用程序两部组成。系统程序包括复位初使化程序、监控程序、输入处理程序、运算式程序和输出处理程序。初使化主要是参数初使化、设备接口(如I/O接口)的初始值设置等。监控程序主要是键盘和显示器管理、中断管理、自诊断处理和运行状态控制等。应用程序就是用户根据实际需要将若干功能模块按一定规则进行组态，以实现RTU的监测与控制功能。 4．结速语 远程测控技术已逐渐走向成熟，必将推进远程测控系统更广泛的应用。利用远程测控系统进行监控，它将实现实时控制、及时消除隐患、提高系统的可靠性，还可以节省人力和财力、消除一些人的不确定因素。基于1-Wire的智能家庭RTU远端测控终端，它主要负责对现场信号、家用设备的监测和控制，与工业用的可编程控制器PLC相比，它更具有优良的通讯能力和更大的存储容量，提供更多的计算功能。正是由于RTU完善的功能，不但可以单独使用，实现就地显示、控制，更可以很方便地组成SCADA系统，使得RTU产品在SCADA系统中得到了大量的应用。由于内置功能强大的RTU监控程序，具有性能高超、使用方便等优点，容易实现网络化的远程控制。 <