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基于总线的温度可循环控制系统现场节点 |
| 摘 要： 温度控制系统在工业上的应用较多，控制软件更是因实际功能需求不同而有所不同。本文给出了温度控制系统现场节点总体的设计方案以及开发的流程，然后针对温度控制节点分别从硬件和软件两个方面进行介绍，硬件方面主要是LonWorks控制模块与外围电路的设计，而软件方面主要是针对现场节点的数据采集模块、数据控制模块的实现。 关键字：总线; 控制系统; 温度; LonWorks
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 作为过程自动化、制造自动化、楼宇、交通等领域现场智能设备之间的互联通信网络，现场总线具有开放式、数字化、多点通信等特点，在众多的现场总线标准中，LonWorks以其特有的优良性能脱颖而出。LonWorks是一种完整的、全开放、可互操作，目前已十分成熟的分布式控制网络技术。本文利用LonWorks开发平台设计一个温度可循环控制系统的现场节点。 2 硬件电路总体方案  图1温度控制系统节点的硬件框图 温度控制系统节点的硬件框图如图1所示，温度控制节点应该包括以下两个主要功能块：LonWorks控制模块与外围接口电路。 在本设计的温度控制系统中，不仅需要实现数据的采集，还应能对底层设备进行控制，根据此需求，本设计提出一种改进的数据采集节点方案，在传统设计基础上增加了一个D/A转换电路，通过该电路可以将节点发出的指令传给模拟设备，实现对数据采集过程的控制。 3 LonWorks控制模块的电路设计 LonWorks控制模块是指在进行基于Neuron芯片开发的一个通用节点，它包括Neuron芯片、存储器、收发器、I/O接口以及网络端口等，实现在现场使用时即插即用，达到高效、低成本开发的目的。Neuron芯片包括Neuron 3120和Neuron 3150两种型号。此处选用Neuron 3150，它使用灵活，可以满足本系统的应用。 1、Neuron芯片通信端口 Neuron芯片能支持多种传输媒介，最为通用的是构成双绞线、电力线网络。其他的还有射频（RF）、红外光波、光纤以及电缆等。Neuron芯片拥有多功能的通信端口，通过不同的配置，它的5个引脚可以与多种传输媒介接口相连接，且可实现较宽范围的传输速率。它一共有三种工作方式，分别是单端、差分以及专用工作方式。 双绞线收发器FTT-10A在Neuron芯片和LonWorks网络之间提供了一个物理的接口。FTT-10A自由拓扑双绞线收发器适合于各种通信媒介和拓扑结构。双绞线收发器FTT-10A自由拓扑双绞线收发器支持星型、总线型、环型拓扑结构。其速率可达到78kbps，最远通信距离为2700m，并可由重复器延长。Neuron3150芯片与FTT 10A的连接如图2所示。  图2 Neuron3150芯片与FTT-10A的连接图 2、Neuron芯片外接存储器 在本设计中我们采用的是具有64K字节存储容量的存储器AT29C512，它能够在掉电的情况下保证数据不丢失，同时在上电的情况下还能够对它进行有限次数的数据写操作。 4 外围接口电路设计 温度控制节点的外围接口电路主要包括温度采集电路、A/D转换、D/A转换电路以及电源电路。 （1） 温度采集电路 温度采集电路的主要是利用集成温度传感器AD590来将现场的温度值转化为电压值。具体的温压转换电路如图3所示。  图3温度采集电路原理图 AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。在温度采集电路中，电位器R14用于调节零点，R15用于调整运算放大器LM324的增益。调整的方法如下：在0℃时调整R14，使输出A1N1=0V，然后在100℃时调整R15，使AIN1=5V。如此反复调整多次，直至在0℃时，AIN1=0V，在100℃时AIN1=5V为止，最后在室温下进行效验。 （2） A/D转换电路 A/D转换电路主要的作用是把采集到的电压值转换为数字信号。A/D转换主要是用美国MAXIM公司的MAX 186芯片来实现的，它内含8通道多路切换开关、高带宽跟踪/保持器、12位逐次逼近A/D转换器、串行接口电路等，MAX 186自带4.096V的参考基准源，本身即为一完整的单片12位数据采集系统。Neuron 3150的11个I/O口中，IO0到IO3具有高电流吸收能力，可以直接驱动一些小功率设备;IO0到IO7具有低电平检测锁定功能;此外所有管脚都具有TTL电平输入功能。这些管脚可以灵活地配置成34种不同的I/O对象，用以满足用户的不同需求。本系统选用的是Neuronwire I/O对象，该对象使用Neuron芯片的IO8 ， IO9 ，IO10和IO0到IO7中的任意一个管脚，能够实现最多255比特的双向串行数据传输，Neuronwire主模式使用Neuron芯片的管脚IO8作为时钟输入，IO9和IO10分别作为串行数据的输入和输出，以此构成一个简单的三线总线结构。 （3） D/A转换电路 D/A转换电路的主要作用是在温度控制节点对现场采集的数据进行处理后，将处理的信息反馈到现场设备。D/A转换主要是利用MAX522芯片来实现的。MAX522芯片内有2路8位电压缓冲输出D/A转换器（DAC A和DAC B），8脚节省封装和DIP封装，DAC A端缓冲器工作电流可达5mA，DAC B端缓冲器工作电流可达500μA，MAX522工作在单向电压+2.7V～+5.5V。 MAX522具有3线串行接口，工作电压可以达到5MHz可直接与SPITM，QSPITM， MicrowireTM兼容。它有一个I6位输入移位寄存器包含8位DAC输入数据和8位DAC选择和关断控制。在/CS的正边沿数据能够存入到DAC寄存器。其中IO7作为片选端，IO8作为时钟输入，IO9作为串行数据的输入。 （4） 电源电路 温度控制系统的电源电路如图4所示。本系统使用外部220V交流供电，经过变压器变压，桥式整流和电容滤波以及可调试三端稳压器CW317调节后，可以输出连续可调的直流电压，可调范围3～9V。  图4 温度控制系统电源电路图 如图4所示，可调式三端稳压器CW317，其特征参数Vo =1.2V～3.7V， Iomax=1.5V，最小输入、输出压差（Vi-Vo）min=3V，最大输入、输出压差（Vi-Vo）max= 40V。R1与RP1组成电压输出调节电路，输出电压Vo为： R1的值为120Ω-240Ω，流经R2的波动电流为5mA～10mA， RP1为精密可调电位器，电容C3与RP1并联组成滤波电路，以减少输出的纹波电压，二极管D5的作用是防止输出端与地短路时损坏稳压器。集成稳压器的输出电压Vo与稳压电源的输出电压相同，稳压器的最大允许电流ICM 式中，Vomax为最大输出电压，Vomin为最小输出电压，（Vi-Vo）min为稳压器的最小输入、输出电压差，（Vi-Vomax）为稳压器的最大输入、输出电压差。 由式（1）可得Vo≈1.25（1+RP1/R1），取R1=240Ω，则RP1max=1.49KΩ，故取RP1为4.7KΩ的精密线绕可调电位器。由式（2 ）可得输入电压Vi的范围为 副边电压V2≥Vimin/1.1=12/1.1 V，取V2=11V，副边电流I2>Iomax=0.8A ，取I2 = 1A，则变压器副边输出功率P2≥I2V2=11W，查表之后可以知道变压器的效率η=0.7，则原边输入功率P1≥P2/η=15.7W。为留有余地，选功率为20W的电源变压器。整流二极管D1， D2， D3与D4选IN4001 ，滤波电容C1， C2可以取2200μF/25V的电解电容。应在变压器的副边接入保险丝FU，以防电路短路损坏变压器或其他器件。 5 温度控制系统节点的软件设计 在软件方面，温度控制系统节点的功能主要靠数据采集和数据控制两部分软件来实现。基于Neuron 3150芯片的节点，程序完全使用Neuron C编写，其总体结构源程序一般是先定义变量、函数以及I/O口的使用情况，然后编写子程序以及when语句调度程序。 根据项目的要求，本节点需要实现两项功能：通过I/O接口对模拟数据进行采集，对其进行A/D转换后传送至上层PC，供监控人员监测;2、接收上层发出的控制信息，通过I/O接口进行D/A转换，然后传送至底层，实现对现场设备的控制。因此，本节点的软件设计与实现主要包括两部分：数据采集和控制。数据采集和数据控制所使用的I/O对象是一样的，都是应用了Neurowire I/O对象。通过定义Neuron I/O对象，Neuron芯片可以实现与外设的同步，并完成全双工串行通信。Neuron I/O对象可配置为主控方式或被控方式。当为主控方式时，Neuron芯片可以同时带多个遵循Motorola公司SPI接口的外设。 |
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