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一种网络化智能温控器的设计与实现
jiang_0514 发表于 2008/12/16 16:04:14 776 查看 0 回复 [上一主题] [下一主题]
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1.引言
随着“现场总线”的出现及其应用技术的发展，工业测量和控制中信息的交换主要是通过现场总线和Internet等网络来完成，为了实现多传感器、控制器之间的信息交换，有必要将传感器内各个敏感单元及其功能单元以及控制器联系在一起，通过软件输出符合某种协议格式的数字信号，从而可实现传感器与传感器之间、传感器与控制器之间、传感器与系统之间的数据交换和共享，其未来发展方向就是网络化智能测控器。网络化智能测控器是测试网络中一个独立的节点，能够独立地完成测试和控制任务，是实现网络化测控的基础。使传感器和控制器在现场级实现某种网络协议，使现场测控数据就近登临网络，在网络所能及的范围内适时发布和共享，是网络化智能测控器的研究目标所在，也是目前国内外竞相抢占制高点的前沿技术之一。
2. 网络化智能测控器简介
智能测控器由智能传感器和智能控制器组成。
“智能传感器”能够实现对传感器的原始信号进行加工处理，并按标准格式与外部进行数据交换。智能传感器具备如下的功能：①对输入信号进行检测，根据输入信号数值并进行判断和制定决策；②能够通过软件来设置和实现不同的功能；③能够与外部进行信息交换，有标准输入输出接口；④具有自检测、自修正和自保护功能。智能传感器要实现对温度补偿、修正、校准，同时利用A／D变换器将模拟信号转换数字信号，因此它不是简单的硬件构成，而是通过硬软件综合技术的运用，对信号进行处理，最后输出数字信号。
“智能控制器”可在智能芯片的控制下，根据测量值和预先编制好的控制算法，算出相应的控制量，经D/A转换后输出模拟信号，驱动执行机构对测量点进行控制。
网络化智能测控器的实质是在智能测控器的基础上实现网络化和信息化，其核心是使测控器实现网络通信协议。网络化智能测控器的特点主要有：(1)可灵活寻址通信。每个智能测控器具有一个独立的地址，通过标准接口，可实现与其他智能测量及控制设备的互连组网。传感器之间、传感器与控制器之间能相互通信，完成数据信息交换和共享。 (2)状态参数的灵活设置。作为网络上的一个节点，用户可以根据需要通过网络发送不同的命令，对存放在智能测控器内部EEPROM 中的状态参数和控制算法进行重新编置，保证智能测控器工作在最佳状态。
3.Lonworks技术简介
LON(Local Operating Networks)总线是美国Echelon公司于1991年推出的局部操作网。目前已成为应用最广泛的现场总线之一。LonWorks使用的开放式通信协议LonTalk为设备之间交换控制状态信息建立了一个通用的标准。这样在LonTalk协议的协调下，以往那些孤立的系统和产品融为一体，形成一个网络控制系统。它采用网络变量这一形式，使节点之间的数据传递只是通过网络变量的互相连接便可完成。又由于硬件芯片的支持，实现了实时性和接口直观、简洁的总线要求。LON总线性能特点主要有：
•拥有三个处理单元的神经元芯片（Neuron芯片）――一个用于链路层的控制，一个用于网络层的控制，另一个用于用户的应用程序，还包括11个I/O口，这样在一个神经元芯片上就能完成网络和控制的功能；
•支持多种通信介质（双绞线、电力线、电源线、光纤、红外、无线等）和它们的互连；
•LonWorks网络拓扑可以选择多种形式的网络拓扑结构，包括总线、星形、环形、树形甚至几种方式的组合。
•LonTalk是LON总线的通信协议，支持七层网络协议，提供了一个固化在神经元芯片的网络操作系统；
•LonWorks技术改善了CSMA(载波侦听多路访问) 通信协议，使网络在负载很重时，仍保持较高性能。LonWorks技术的通信速率可达1．25Mb／s，光纤介质最长通信距离为3.5km。双绞线介质在通信速率为78kb／s时直接通信距离为2.7km。
•提供给开发者一个完整的开发平台，包括现场调试工具LonBuilder、协议分析、网络开发语言Neuron C等；
•由于支持面向对象的编程（网络变量NV），从而很容易实现网络的互操作。
4. 智能温控器节点的设计
本文是以K型热电偶构成的温度控制器为例，来具体介绍基于Lonworks技术的网络化智能温控器的设计原理和方法。
4.1 ADR－120模块
ADR120为采用Lonworks技术的智能控制模块，使用MC143150神经元芯片，外部ROM、RAM和FLASH芯片作为存储器。ADR-120内部集成有8路A/D转换器和4路D/A转换器，可单独作为回路控制器。其外形图如图1所示。ADR-120主要技术特点有：
•8路单端或4路差分信号的12位A/D转换电路，0－5V电压或0－20mA电流输入；
•4路12位D/A转换电路，可配置的0－5V、0－10V、-5－+5V电压或4－20mA电流输出；
•采用Echelon公司的FTT－10收发器，支持自由拓扑结构；
•具有过电压保护、尖峰电压保护，电源接线反向保护，EMI/RFI滤波；
•EEPROM存储器地电压检测保护；
•电源及状态指示灯，SERVICE按钮，方便用户安装维护；
•可插拔的接线端子，方便、迅速地安装维护。
图1 ADR-120外形图
4.2 温控器节点硬件设计
K型热电偶智能温控器节点的硬件原理图如图2所示，主要由ADR-120智能控制模块、热电偶、信号调理电路、可控硅调功器及报警电路等部分构成。其中：
图2 K型热电偶智能温控器节点硬件原理图
| 信号调理电路选用K型热电偶信号调理专用电路AD595。在实际的热电偶测温中，必须进行冷端补偿、调零、电压放大和线性化等比较繁琐的工作，否则会造成很大的误差。AD595是AD公司针对上述问题设计的专用芯片，内部具有放大、冷端补偿、冰点基准、温差电偶故障报警等电路。被测温度与AD595输出电压的关系是10mV/℃，芯片在+5V~+30V范围内都可正常工作。随所测温度量程增大，电源电压应相应提高。需注意的是，AD595的第1脚要求接热电偶正极且接地。图1中电位器Ｗ用于微调冷端补偿电压。AD595的7脚是负电源端，若不测0℃以下的温度，不用负压供电，此时7脚可接地。AD595的12、13脚是热电偶故障报警电路的输出端，13脚接地后，集电极开路的12脚接上拉电阻。热电偶正常时输出高电平，断偶故障时输出低电平。将这个逻辑电平引入ADR－120的第11端子，用于对热偶电压Vo的正确判断。 智能控制模块将测量的温度值进行处理后，通过网络接口将数据发布到LON总线上，交上位机进行处理和监控，同时根据程序预先编制的控制算法得出控制量，经D/A转换后变成0－5V电压信号或4－20mA电流信号输出至可控硅调功器，驱动执行机构对测温点进行温度调节控制。 4.3 节点软件设计 对ADR-120智能控制模块的编程可采用Neuron C语言，也可使用OnLon图形化编程语言来实现。节点软件包括系统软件和应用软件两部分，这两部分都必须固化在ADR-120内部的EEPROM 中。系统软件主要用于实现LON 网络的协议，而应用程序则主要实现用户要求的功能，如A/D转换、定时等。在LonWorks系统中，用网络变量数据通信简化了分布式应用的编程，程序员不用关心底层细节，只要对网络变量重新赋值，该网络变量的值将自动发送到指定的节点。节点软件结构流程图如图3所示。下面以数据采集（即A/D转换）程序为例，给出部分Neuron C语言源程序： IO_0 output bit ADC_CS=1; //定义为位输出对象，作片选信号 IO_8 neurowire master select(IO_0) ADC_IO;//定义神经元I/O对象，用作双向串行接口 unsigned short C[8]={0,4,1,5,2,6,3,7}; //顺序定义ADC的通道选择地址 metimer tmAD=500; //定义毫秒定时器，以500ms为数据采集间隔 msg_tag mess_out; //定义报文标签 …… when(timer_expires(tmAD)) //定时间隔到时驱动该事件处理 { int i,temp; unsigned int adc_info; unsigned long ADH; unsigned long ADL unsigned long ADV[8]; for(i=0;i<8;i++) //依次对8个通道进行数据采集 { adc_info=(C[i]+8)*16+14; //设置ADC变换控制字TB1 io_out(ADC_IO,&adc_info,8); //发送TB1，忽略第一个字节RB1 adc_info=0x00; //设置全零字节 io_out(ADC_IO, &adc_info,8);//发送全零字节 ADH=adc_info; //接收第二个字节RB2 adc_info=0x00; //设置全零字节 io_out(ADC_IO, &adc_info,8);// 发送全零字节 ADL=adc_info; //接收第三个字节RB3 ADV[i]=ADH*32+ADL/8; //对本次采集数据进行换算 tmAD=500; //设置500ms间隔 } }  图3 K型热电偶智能温控器节点软件流程图 4.结束语 现场总线技术日益成熟，各厂商开发了越来越多的基于现场总线的模块，其中在LON总线的支持下，诞生了很多智能化、低成本的现场测控产品。为支持LON总线，Echelon公司开发了Lonworks技术，它为LON总线设计、成品化提供了一套完整的开发平台。 本文所设计的智能温控器可同时外接4路K型热电偶测量通道，对应输出驱动4路可控硅调功器进行温度调节。并且根据实际应用的需要，通过编制不同的程序，不仅能够实现对多点温度进行测控，还可以根据不同测温点之间的温差和平均温度来进行相应的控制，相对于传统的温控器来说，使用更加灵活、方便。 本文作者创新点：提出了基于LON总线的网络化智能测控器的设计原理和方法，并以K型热电偶温度测控器为例，给出了具体的硬件电路和软件流程，为进一步开发其它类型的LON网络智能测控器提供了一定的参考作用。 参考文献 [1]凌志浩.从神经元芯片到控制网络[M].北京航空航天大学出版社.2002 [2]支超有，高亚奎.基于CAN网络化智能传感器的设计与实现[J].测控技术,2006，25（3）:21-23 [3]鲍吉龙, 叶平. 工业监控系统的网络化发展[J].微计算机信息,2006, 6-1:66-68 |