摘  要：介紹了LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線和單總線（1-Wire）數(shù)字溫度傳感器DS18B20的特點(diǎn)及原理，利用CY53120和AT89S52構(gòu)成了基于主機(jī)的Neuron節(jié)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了多點(diǎn)溫度測(cè)控系統(tǒng)，給出了其硬件及軟件實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：LonWorks;現(xiàn)場(chǎng)總線;樓宇自動(dòng)化;Neuron芯片;DS18B20

　　目前，智能建筑得以迅猛發(fā)展，其關(guān)鍵是樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)BAS技術(shù)，其中樓宇溫度測(cè)控的子系統(tǒng)用以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)溫度的合理調(diào)節(jié)。目前，國(guó)內(nèi)大都采用以單片機(jī)為核心組成區(qū)域控制系統(tǒng)，但由于這種系統(tǒng)在本質(zhì)上采用了RS232、RS422/RS485等專用通信協(xié)議而形成“自動(dòng)化孤島”。應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS將系統(tǒng)的分散控制轉(zhuǎn)換到現(xiàn)場(chǎng)控制，形成開放性的控制網(wǎng)絡(luò)。

　　本文應(yīng)用LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)設(shè)計(jì)了基于主機(jī)的Neuron智能節(jié)點(diǎn)，并通過(guò)單總線（1-Wire）數(shù)字溫度傳感器DS18B20與智能節(jié)點(diǎn)構(gòu)成溫度測(cè)控網(wǎng)絡(luò)，有效地實(shí)現(xiàn)了對(duì)室內(nèi)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控與調(diào)節(jié)。

1 LonWorks技術(shù)

　　1.1LonWorks技術(shù)要點(diǎn)

　　LonWorks技術(shù)是由美國(guó)Echelon公司推出的局部操作網(wǎng)絡(luò)，它包含所有設(shè)計(jì)、配置和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)所需要的技術(shù)：3120/3150Neuron芯片、NeuronC編程語(yǔ)言、LonTalk協(xié)議、LonWorks收發(fā)器、LonBuilder和NodeBuilder開發(fā)工具等。LonWorks網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由智能節(jié)點(diǎn)組成，節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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7層模型協(xié)議，并按照規(guī)范的LonTalk協(xié)議進(jìn)行通信，其通信速率在300bps～1.5Mbps范圍之間。

　　1.2Neuron芯片

　　Neuron芯片有3120與3150兩大系列，是Lon-Works技術(shù)的核心。它既進(jìn)行通信的管理，同時(shí)還具有輸入、輸出和控制的能力。其內(nèi)部框圖如圖1所示，內(nèi)有3個(gè)8位流水線作業(yè)的CPU。介質(zhì)訪問(wèn)控制CPU處理LonTalk7層協(xié)議的第1～第2層，包括驅(qū)動(dòng)通信子系統(tǒng)硬件和執(zhí)行MAC算法。網(wǎng)絡(luò)CPU處理LonTalk協(xié)議的第3層～第6層，包括處理網(wǎng)絡(luò)變量尋址事務(wù)、權(quán)限證實(shí)、背景診斷、軟件計(jì)時(shí)器、網(wǎng)絡(luò)管理和路由等，同時(shí)還控制網(wǎng)絡(luò)通信端口，物理的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包。應(yīng)用CPU執(zhí)行用戶用NeuronC語(yǔ)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(gè)CPU分別通過(guò)片內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)緩存器和應(yīng)用緩存器進(jìn)行通信。芯片提供從I/O0～I(xiàn)/O10共11個(gè)管腳，通過(guò)對(duì)其編程可設(shè)定為34種不同的對(duì)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(luò)通信端口用以連接收發(fā)器，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用程序最大不超過(guò)2kB的較小系統(tǒng);而3150則需外部擴(kuò)展ROM，其LonTalk通信協(xié)議也需要由NodeBuilder工具包配置，用于復(fù)雜的應(yīng)用系統(tǒng)。

圖1 3120/3150內(nèi)部框圖

2 數(shù)字溫度傳感器DS18B20

　　DS18B20是由DALLAS所生產(chǎn)的基于1-Wire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(gè)DS18B20都有一個(gè)自己特有的64位芯片ID序列號(hào)，可以在一條信號(hào)線上掛接任意多個(gè)數(shù)字式傳感器。表1為分辨率0.0625°C時(shí)溫度/數(shù)字量關(guān)系表。2.1DS18B20特點(diǎn)

　　（1）獨(dú)有的1-Wire接口，只需一個(gè)端口管腳進(jìn)行通信;

　?。?）可簡(jiǎn)單構(gòu)成分布式多分支溫度測(cè)量應(yīng)用系統(tǒng);

　　（3）不需要任何外圍元件;

　?。?）可通過(guò)數(shù)據(jù)線進(jìn)行寄生電源供電;

　　（5）測(cè)溫范圍為-55～+125℃;

　?。?）測(cè)量精度在-10～+85℃測(cè)溫范圍內(nèi)時(shí)為0.5℃;

　　（7）可編程9～12位數(shù)字溫度計(jì)，相應(yīng)分辨率為0.5～0.0625°C，最大轉(zhuǎn)換時(shí)間分別為93.75ms與750ms;

　?。?）用戶可定義非易失性溫度報(bào)警設(shè)置及識(shí)別。

　　2.2DS18B20的工作時(shí)序與命令

　　DS18B20采用嚴(yán)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(hào)類型：復(fù)位脈沖、應(yīng)答脈沖、讀/寫0和讀/寫1。所有這些信號(hào)，除了應(yīng)答脈沖以外，都由主機(jī)發(fā)出同步信號(hào)。命令和數(shù)據(jù)都是字節(jié)的低位在前。單總線系統(tǒng)中主設(shè)備首先對(duì)DS18B20進(jìn)行初始化，以確認(rèn)總線上有DS18B20在線并做好了操作的準(zhǔn)備，再可執(zhí)行ROM功能命令，然后方可執(zhí)行存儲(chǔ)器功能命令以進(jìn)行啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換及存儲(chǔ)器操作等控制功能。初始化時(shí)序中，主機(jī)先通過(guò)拉低總線至少480μs，產(chǎn)生復(fù)位脈沖信號(hào)（Tx），接著主機(jī)釋放總線，并進(jìn)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(cè)到上升沿后，延時(shí)15～60μs，接著通過(guò)拉低總線60～240μs，以產(chǎn)生在線應(yīng)答脈沖。

　　DSl8B20的ROM功能命令如表2所示。

　　DSl8B20的存儲(chǔ)器功能命令如表3所示。

　　

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　3.1系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組成

　　本設(shè)計(jì)中樓宇自動(dòng)化溫度測(cè)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)選用兩級(jí)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，即由上位管理機(jī)、LonTalk適配器以及多個(gè)智能節(jié)點(diǎn)組成。中央PC機(jī)控制節(jié)點(diǎn)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(luò)采用基于LonWorks總線的網(wǎng)絡(luò)模型，節(jié)點(diǎn)數(shù)量可根據(jù)監(jiān)控的需要進(jìn)行開放增減。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用總線方式，通信位率設(shè)為78.125kbps時(shí)，LonWorks總線任意兩節(jié)點(diǎn)之間的通信距離可以達(dá)到2700m，完全可以滿足樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)的通信要求。上位機(jī)通過(guò)LonTalk適配器與LonWorks總線相連，用于整個(gè)系統(tǒng)的集中監(jiān)控、管理、分析及網(wǎng)絡(luò)通信檢測(cè)等。

圖2網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

　　3.2智能溫度節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)采用基于主機(jī)的LonWorks智能節(jié)點(diǎn)，如圖3所示。選用ATMEL增強(qiáng)型Flash單片機(jī)AT89S52作為主處理器以完成主要的測(cè)控任務(wù)，其內(nèi)嵌8kFlashROM，軟硬件上兼容AT89C52，但其最大的特點(diǎn)是集成了ISP接口，可直接在目標(biāo)板上進(jìn)行在系統(tǒng)編程，為用戶帶來(lái)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(cè)量各點(diǎn)室溫外，還可在火災(zāi)初期等異常情況下能準(zhǔn)確工作;利用8155擴(kuò)展I/O，以對(duì)顯示、鍵盤、超溫報(bào)警等電路進(jìn)行接口，此外還通過(guò)溫控輸出單元對(duì)空調(diào)機(jī)組進(jìn)行新回風(fēng)、送排風(fēng)、噴淋管等閥門進(jìn)行控制，達(dá)到控溫的目的;Neuron芯片采用CYPRESS的CY53120，以其為核心再通過(guò)收發(fā)器FFT-10A完成LonTalk協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸，并通過(guò)事件調(diào)度完成用戶定義的各種計(jì)算、I/O事件處理及網(wǎng)絡(luò)報(bào)文處理等功能;收發(fā)器通過(guò)與Lon網(wǎng)接口負(fù)責(zé)將節(jié)點(diǎn)連入網(wǎng)絡(luò)。

圖3智能溫度節(jié)點(diǎn)原理框圖

　　單片機(jī)AT89S52與Neuron芯片CY53120采用并行通信。8051的P1口與3120的IO0～I(xiàn)O7相連為8位的數(shù)據(jù)總線;P3.2與3120的IO8相連為單片機(jī)請(qǐng)求發(fā)送數(shù)據(jù)的信號(hào)線和接收3120溫度轉(zhuǎn)換命令的應(yīng)答線;P3.3與IO9相連為3120接收數(shù)據(jù)的應(yīng)答信號(hào)線;P3.4與IO10相連為3120發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換命令的信號(hào)線，保證了8051與3120通信的嚴(yán)格同步。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　4.1軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)軟件包括3個(gè)部分。第1部分是以PC機(jī)節(jié)點(diǎn)為管理中心的上位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)，采用VB6.0開發(fā)，既可使系統(tǒng)與LAN進(jìn)行鏈接，又實(shí)現(xiàn)了友好的人機(jī)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(yùn)行參數(shù)，查詢各房間的溫度及控制設(shè)備的運(yùn)行情況，查看歷史運(yùn)行紀(jì)錄和實(shí)時(shí)運(yùn)行費(fèi)用等。第2部分是以AT89S52為控制核心的下位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)，采用匯編語(yǔ)言開發(fā)，主要完成鍵盤掃描與輸出顯示，現(xiàn)場(chǎng)溫度數(shù)據(jù)的采集，超限聲光報(bào)警，配置3120的工作模式，AT89S52與3120進(jìn)行通信，溫度控制算法及對(duì)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(jì)，采用NeuronC開發(fā)，完成節(jié)點(diǎn)外與網(wǎng)絡(luò)其它節(jié)點(diǎn)及上位機(jī)進(jìn)行信息交互，內(nèi)與AT89S52進(jìn)行通信。

　　4.2程序流程圖及源程序

　　圖4給出了溫度測(cè)控軟件的流程圖。需要說(shuō)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(dāng)偏差較大時(shí)執(zhí)行前一算法，使溫度快速回到設(shè)定值附近，而當(dāng)偏差較小時(shí)執(zhí)行后一算法，以避免控制裝置對(duì)被控溫度過(guò)于敏感而頻繁動(dòng)作或振蕩，此外還采取了變新/回風(fēng)比例自動(dòng)控制、變頻調(diào)速進(jìn)行變風(fēng)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，達(dá)到節(jié)能目的。

圖4 AT89S52溫度測(cè)控程序流程圖

5 結(jié)束語(yǔ)

　　本系統(tǒng)采用LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，使樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)中通信可靠、便捷;采用基于單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20，使系統(tǒng)簡(jiǎn)單、靈活、方便，在常溫測(cè)量中有較大優(yōu)勢(shì);實(shí)際應(yīng)用在DS18B20采用9位數(shù)字量轉(zhuǎn)換時(shí)分辨能力達(dá)到±0.5℃,采用數(shù)字處理更可達(dá)到±0.0625℃，滿足智能建筑不同程度的控制要求。該系統(tǒng)在常溫測(cè)控應(yīng)用中具有明顯的優(yōu)勢(shì)。