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基于LonWorks现场总线的楼宇自动化温度测控系统

供稿:中国工控网 2013/8/7 10:34:26

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  • 关键词: LonWorks;现场总线;楼宇自动化;Neuron芯片;DS18B20
  • 摘要:介绍了LonWorks现场总线和单线数字温度传感器DS18B20的特点及原理,利用CY53120和AT89S52构成了基于主机的Neuron节点,设计了多点温度测控系统,给出了其硬件及软件实现。

摘 要:介绍了LonWorks现场总线和单线数字温度传感器DS18B20的特点及原理,利用CY53120和AT89S52构成了基于主机的Neuron节点,设计了多点温度测控系统,给出了其硬件及软件实现。

关键词:LonWorks;现场总线;楼宇自动化;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

  现场总线控制系统FCS(Fieldbus Control System)将系统的分散控制转换到现场控制,形成开放性的控制网络,将其应用在智能建筑的重要组成部分楼宇自动化系统BAS(Building Automatic System)中,将克服传统方式因采用了RS-232、RS485等专用通信协议而带来“自动化孤岛”的严重不足。本文应用LonWorks现场总线技术和单总线(1-Wire)数字温度传感器DS18B20,设计了楼宇自动化温度测控的智能节点与系统,有效地实现了对室内温度的实时监控与调节。

1 1-Wire 数字温度传感器DS18B20

1.1 DS18B20结构

  DS18B20是由DALLAS所生产的基于1-Wire单总线新一代数字温度传感器,该系列产品有DS1820、DS1822、DS18S20、 DS18B20等,DS18B20性能最好,其温度转换数据位数可编程到12位。DS18B20采用3脚TO-92封装为主,其外形如小功率三极管。因每一个DS18B20都有一个自己特有的64位芯片ID序列号,我们可以在一条信号线上挂接任意多个数字式传感器。图1示出了DS18B20的内部结构。总线也可通过DQ向所挂接的DS18B20寄生供电,而无需额外电源,此时VDD端必须接地,同时总线口在空闲的时候必须保持高电平,以便寄生充电。这使测温电路变得十分简单,无需任何外围硬件,克服了模拟式传感器与微机接口时需要的A/D转换器及其它复杂外围电路的缺点,因而温度测控系统非常方便,成本低、体积小、可靠性高。DS18B20测温范围为-55~125℃,当温度转换数据编程到9位时精度为0.5℃(-10~85℃范围内),而12位时可分辨到0.0625℃,被测温度与转换后12位数字量为补码表示,D0~D10表示大小,D11表示符号。温度转换时间最多为750ms。用户可自设定温度报警上下限,报警搜索命令可识别哪片DS18B20超温度界限。


1.2 DS18B20单总线通信

  单总线系统中主设备首先对DS18B20进行初始化,以确认总线上有DS18B20在线并做好了操作的准备,再可执行ROM功能命令(共5条),然后方可执行存储器功能命令(共6条)以进行启动温度转换及存储器操作等控制功能。DS18B20采用严格的单总线通信协议,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、读/写0和读/写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。命令和数据都是字节的低位在前。初始化时序如图2所示,主机先通过拉低总线至少480μs,产生(Tx)复位脉冲信号,接着主机释放总线,并进入接收模式(Rx),上拉电阻将单总线拉高;之后,在单总线器件检测到上升沿后,延时15~60μs,接着通过拉低总线60~240μs,以产生在线应答脉冲。此外,DS18B20的读/写时序、测温原理、ROM命令和MEMORY命令文献[2]中有详细的描述,在此不再赘述。


2 LonWorks现场总线

2.1 基本情况

  LonWorks技术是由美国 Echelon公司推出的局部操作网络(Local Operating Network),它包含所有设计、配置和维护网络所需要的技术:3120/3150 Neuron芯片;NeuronC编程语言;LonTalk协议;LonWorks收发器;LonBuilder和NodeBuilder开发工具等。LonWorks网络系统由智能节点组成,节点包括神经元芯片、传感器、控制设备、收发器和电源等。节点之间通信支持双绞线、电力线、光纤和红外线等多种介质,遵守ISO/OSI的七层模型协议,并按照规范的Lon Talk协议进行通信,其通信速率范围在300bps至1.5Mbps之间。

2.2 Neuron 3120/3150结构与特点

  Neuron 芯片是LonWorks技术的核心,它既进行通信的管理,也同时具有输入、输出和控制的能力。3120与3150两大系列芯片主要由 Motorola、Toshiba、Cypress三个公司生产。Neuron 芯片内部框图如图3所示,内有3个8位流水线作业的CPU。介质访问控制 CPU处理 LonTalk 7层协议的第1到第2层,包括驱动通信子系统硬件和执行MAC 算法。网络CPU处理LonTalk协议的第3到第6层,包括处理网络变量寻址事务,权限证实,背景诊断,软件计时器,网络管理和路由等,同时还控制网络通信端口,物理的发送和接收数据包。应用CPU执行用户用 NeuronC语言编写的代码以及用户代码调用的操作系统命令。3个CPU分别通过片内的网络缓存器和应用缓存器进行通信。芯片提供从I/O0~I /O10共11个管脚,通过对其编程可设定为34种不同的对象,可用于直接连接各传感器、A/D、执行器等。CP0-CP4组成的网络通信端口用以连接收发器,实现网络的通信功能。3120芯片中包含E2PROM、RAM、ROM,其中在ROM中已带有LonTalk通信协议固件,可非常方便构成用户应用程序最大不超过2KB的较小系统;而3150则需外部扩展ROM,其LonTalk通信协议也需要由NodeBuilder工具包配置,用于复杂的应用系统。


3 温度测控系统硬件设计

3.1 网络拓朴

  本设计中楼宇自动化温度测控系统的网络结构如图4所示。系统选用两级计算机监控系统,即由上位管理机、LonTalk适配器以及多个智能节点组成。中央PC机控制节点的接口采用Echelon的PCLTA-10PCLonTalk适配卡,该卡是高性能的16位ISA总线LonWorks接口卡,系统中通信介质为双绞线。网络采用基于LonWorks总线的网络模型,节点数量可根据监控的需要进行开放增减。网络拓扑结构采用总线方式,通信速率设为 78.125kbps时,LonWorks总线任意两节点之间的通信距离可以达到2700m,完全可以满足楼宇自动化系统的通信要求。上位机通过 LonTalk适配器与LonWorks总线相连,用于整个系统的集中监控、管理、分析及网络通信检测等。


3.2 智能温度节点设计

  系统采用基于主机的LonWorks智能节点,图4给出了节点1的结构。选用ATMEL增强型Flash单片机AT89S52作为主处理器以完成主要的测控任务,其内嵌8K FlashROM,软硬件上兼容AT89C52,但其最大的特点是集成了ISP接口,可直接在目标板上进行在系统编程,为用户带来了极大的方便;单总线上挂接的DS18B20采用外接VCC 方式而未用寄生供电,以便除了正常测量各点室温外,还可在火灾初期等异常情况下能准确工作;利用8155扩展I/O,以对显示、键盘、超温报警等电路进行接口,此外还通过温控输出单元对空调机组进行新回风、送排风、喷淋管等阀门进行控制,达到控温的目的;Neuron芯片采用CYPRESS的CY53120,以其为核心再通过收发器FFT-10A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;收发器通过与Lon网接口负责将节点连入网络。单片机AT89S52与Neuron 芯片CY53120采用并行通信。P1口与3120的I00~I07相连作为8位的数据总线。P3.2与3120的I08相连,作为单片机请求发送数据的信号线和接受3120温度转换命令的应答线。P3.3与IO9相连,作为3120接收数据的应答信号。P3.4与IO10相连,作为3120发送温度转换命令的信号线。这就保证了AT89S52与3120通信的严格同步。

4 系统软件设计

4.1 软件结构设计

  本系统软件包括3个部分。第1部分是以PC机节点为管理中心的上位机的软件设计,采用VB6.0开发,既可使系统与LAN进行链接,又实现了友好的人机操作界面,用户可以在主控室内设置大楼内各房间的运行参数,查询各房间的温度及控制设备的运行情况,查看历史运行纪录和实时运行费用等。第2部分是以 AT89S52为控制核心的下位机的软件设计,采用汇编语言开发,主要完成键盘扫描与输出显示,现场温度数据的采集,超限声光报警,配置3120的工作模式,AT89S52与3120进行通信,温度控制算法及对调温设备的控制等。第3部分是以CY53120为核心的通信程序设计,采用Neuron C开发,完成节点外与网络其它节点及上位机进行信息交互,内与AT89S52进行通信。

4.2 部分程序流程图及源程序

  图5给出了温度测控软件的流程图。需要说明的是温控子系统是现代建筑的耗能大户,为了节能而在温度控制算法模块中采用了增量型PID控制算法与模糊控制算法相结合,当偏差较大时执行前一算法,使温度快速回到设定值附近,而当偏差较小时执行后一算法,以避免控制装置对被控温度过于敏感而频繁动作或振荡,此外还采取了变新/回风比例自动控制、变频调速进行变风量空调控制、舒适性空调温度上限设定值提高等节能措施,以达节能目的。


  对DS18B20进行写操作的子程序如下。

  WRITE: ;写子程序,此前先执行复位子程序

  DATA_BIT EQU P2.7

  CLR C ;清DS18B20在线标志

  MOV R1,#08H ;8 bits

  WR1: CLR DATA_BIT ;发写脉冲给P2.7

  MOV R7,#01H ;延时15μs

  CALL DELAY15

  RRC A ;被写字节从低位开始

  MOV DATA_BIT,C;送1个bit到DS18B20

  MOV R7,#01H ;延时15μs

  CALL DELAY15

  SETB DATA_BIT ;释放数据线

  NOP

  DJNZ R1,WR1 ;判8 bits是否写完

  SETB DATA_BIT ;释放数据线

  RET

5 结束语

  本系统由于采用LonWorks现场总线技术,使楼宇自动化系统中通信可靠、便捷;采用基于1-Wire单总线新一代数字温度传感器DS18B20,使系统简单、灵活、方便,在常温测量中有较大优势;实际应用在DS18B20采用9位数字量转换时分辨能力达到±0.5℃,采用数字处理则更可达到±0.0625℃,满足智能建筑的不同程度的控制要求,该系统在常温测控应用中具有明显的优势。

参考文献:

  [1] 谢瑞和 串行技术大全 清华大学出版社 2003.4

  [2] 马莉 智能控制与Lon网络开发技术 北京航空航天大学出版社 2003.2

  [3] 凌志浩 从神经元芯片到控制网络 北京航空航天大学出版社 2002.2


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