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          一種網(wǎng)絡(luò)化智能溫控器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

          作者:牛軍,李定珍 時(shí)間:2008-08-20 來源:微計(jì)算機(jī)信息 收藏

            1.引言

          本文引用地址:http://cafeforensic.com/article/87173.htm

            隨著“”的出現(xiàn)及其應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展,和控制中信息的交換主要是通過和Internet等網(wǎng)絡(luò)來完成,為了實(shí)現(xiàn)多、之間的信息交換,有必要將內(nèi)各個(gè)敏感單元及其功能單元以及聯(lián)系在一起,通過軟件輸出符合某種協(xié)議格式的數(shù)字信號(hào),從而可實(shí)現(xiàn)與傳感器之間、傳感器與之間、傳感器與系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換和共享,其未來發(fā)展方向就是網(wǎng)絡(luò)化。網(wǎng)絡(luò)化是測試網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)獨(dú)立的節(jié)點(diǎn),能夠獨(dú)立地完成測試和控制任務(wù),是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化測控的基礎(chǔ)。使傳感器和控制器在現(xiàn)場級實(shí)現(xiàn)某種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,使現(xiàn)場測控?cái)?shù)據(jù)就近登臨網(wǎng)絡(luò),在網(wǎng)絡(luò)所能及的范圍內(nèi)適時(shí)發(fā)布和共享,是網(wǎng)絡(luò)化的研究目標(biāo)所在,也是目前國內(nèi)外競相搶占制高點(diǎn)的前沿技術(shù)之一。

            2. 網(wǎng)絡(luò)化智能測控器簡介

            智能測控器由智能傳感器和智能控制器組成。

            “智能傳感器”能夠?qū)崿F(xiàn)對傳感器的原始信號(hào)進(jìn)行加工處理,并按標(biāo)準(zhǔn)格式與外部進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。智能傳感器具備如下的功能:①對輸入信號(hào)進(jìn)行檢測,根據(jù)輸入信號(hào)數(shù)值并進(jìn)行判斷和制定決策;②能夠通過軟件來設(shè)置和實(shí)現(xiàn)不同的功能;③能夠與外部進(jìn)行信息交換,有標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出接口;④具有自檢測、自修正和自保護(hù)功能。智能傳感器要實(shí)現(xiàn)對溫度補(bǔ)償、修正、校準(zhǔn),同時(shí)利用A/D變換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換數(shù)字信號(hào),因此它不是簡單的硬件構(gòu)成,而是通過硬軟件綜合技術(shù)的運(yùn)用,對信號(hào)進(jìn)行處理,最后輸出數(shù)字信號(hào)。

            “智能控制器”可在智能芯片的控制下,根據(jù)測量值和預(yù)先編制好的控制算法,算出相應(yīng)的控制量,經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后輸出模擬信號(hào),驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)對測量點(diǎn)進(jìn)行控制。

            網(wǎng)絡(luò)化智能測控器的實(shí)質(zhì)是在智能測控器的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化和信息化,其核心是使測控器實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)化智能測控器的特點(diǎn)主要有:(1)可靈活尋址通信。每個(gè)智能測控器具有一個(gè)獨(dú)立的地址,通過標(biāo)準(zhǔn)接口,可實(shí)現(xiàn)與其他智能測量及控制設(shè)備的互連組網(wǎng)。傳感器之間、傳感器與控制器之間能相互通信,完成數(shù)據(jù)信息交換和共享。 (2)狀態(tài)參數(shù)的靈活設(shè)置。作為網(wǎng)絡(luò)上的一個(gè)節(jié)點(diǎn),用戶可以根據(jù)需要通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送不同的命令,對存放在智能測控器內(nèi)部EEPROM 中的狀態(tài)參數(shù)和控制算法進(jìn)行重新編置,保證智能測控器工作在最佳狀態(tài)。

            3.Lonworks技術(shù)簡介

            (Local Operating Networks)總線是美國Echelon公司于1991年推出的局部操作網(wǎng)。目前已成為應(yīng)用最廣泛的之一。LonWorks使用的開放式通信協(xié)議LonTalk為設(shè)備之間交換控制狀態(tài)信息建立了一個(gè)通用的標(biāo)準(zhǔn)。這樣在LonTalk協(xié)議的協(xié)調(diào)下,以往那些孤立的系統(tǒng)和產(chǎn)品融為一體,形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。它采用網(wǎng)絡(luò)變量這一形式,使節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳遞只是通過網(wǎng)絡(luò)變量的互相連接便可完成。又由于硬件芯片的支持,實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)性和接口直觀、簡潔的總線要求。總線性能特點(diǎn)主要有:

            ·擁有三個(gè)處理單元的神經(jīng)元芯片(Neuron芯片)――一個(gè)用于鏈路層的控制,一個(gè)用于網(wǎng)絡(luò)層的控制,另一個(gè)用于用戶的應(yīng)用程序,還包括11個(gè)I/O口,這樣在一個(gè)神經(jīng)元芯片上就能完成網(wǎng)絡(luò)和控制的功能;

            ·支持多種通信介質(zhì)(雙絞線、電力線、電源線、光纖、紅外、無線等)和它們的互連;

            ·LonWorks網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇梢赃x擇多種形式的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),包括總線、星形、環(huán)形、樹形甚至幾種方式的組合。

            ·LonTalk是總線的通信協(xié)議,支持七層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,提供了一個(gè)固化在神經(jīng)元芯片的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng);

            ·LonWorks技術(shù)改善了CSMA(載波偵聽多路訪問) 通信協(xié)議,使網(wǎng)絡(luò)在負(fù)載很重時(shí),仍保持較高性能。LonWorks技術(shù)的通信速率可達(dá)1.25Mb/s,光纖介質(zhì)最長通信距離為3.5km。雙絞線介質(zhì)在通信速率為78kb/s時(shí)直接通信距離為2.7km。

            ·提供給開發(fā)者一個(gè)完整的開發(fā)平臺(tái),包括現(xiàn)場調(diào)試工具LonBuilder、協(xié)議分析、網(wǎng)絡(luò)開發(fā)語言Neuron C等;

            ·由于支持面向?qū)ο蟮木幊蹋ňW(wǎng)絡(luò)變量NV),從而很容易實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的互操作。

            4. 智能溫控器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

            本文是以K型熱電偶構(gòu)成的溫度控制器為例,來具體介紹基于Lonworks技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化智能溫控器的設(shè)計(jì)原理和方法。

            4.1  ADR-120模塊

            ADR120為采用Lonworks技術(shù)的智能控制模塊,使用MC143150神經(jīng)元芯片,外部ROM、RAM和FLASH芯片作為存儲(chǔ)器。ADR-120內(nèi)部集成有8路A/D轉(zhuǎn)換器和4路D/A轉(zhuǎn)換器,可單獨(dú)作為回路控制器。其外形圖如圖1所示。ADR-120主要技術(shù)特點(diǎn)有:

            ·8路單端或4路差分信號(hào)的12位A/D轉(zhuǎn)換電路,0-5V電壓或0-20mA電流輸入;

            ·4路12位D/A轉(zhuǎn)換電路,可配置的0-5V、0-10V、-5-+5V電壓或4-20mA電流輸出;

            ·采用Echelon公司的FTT-10收發(fā)器,支持自由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);

            ·具有過電壓保護(hù)、尖峰電壓保護(hù),電源接線反向保護(hù),EMI/RFI濾波;

            ·EEPROM存儲(chǔ)器地電壓檢測保護(hù);

            ·電源及狀態(tài)指示燈,SERVICE按鈕,方便用戶安裝維護(hù);

            ·可插拔的接線端子,方便、迅速地安裝維護(hù)。


          圖1  ADR-120外形圖

            4.2 溫控器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

            K型熱電偶智能溫控器節(jié)點(diǎn)的硬件原理圖如圖2所示,主要由ADR-120智能控制模塊、熱電偶、信號(hào)調(diào)理電路、可控硅調(diào)功器及報(bào)警電路等部分構(gòu)成。其中:


          圖2   K型熱電偶智能溫控器節(jié)點(diǎn)硬件原理圖

            信號(hào)調(diào)理電路選用K型熱電偶信號(hào)調(diào)理專用電路AD595。在實(shí)際的熱電偶測溫中,必須進(jìn)行冷端補(bǔ)償、調(diào)零、電壓放大和線性化等比較繁瑣的工作,否則會(huì)造成很大的誤差。AD595是AD公司針對上述問題設(shè)計(jì)的專用芯片,內(nèi)部具有放大、冷端補(bǔ)償、冰點(diǎn)基準(zhǔn)、溫差電偶故障報(bào)警等電路。被測溫度與AD595輸出電壓的關(guān)系是10mV/℃,芯片在+5V~+30V范圍內(nèi)都可正常工作。隨所測溫度量程增大,電源電壓應(yīng)相應(yīng)提高。需注意的是,AD595的第1腳要求接熱電偶正極且接地。圖1中電位器W用于微調(diào)冷端補(bǔ)償電壓。AD595的7腳是負(fù)電源端,若不測0℃以下的溫度,不用負(fù)壓供電,此時(shí)7腳可接地。AD595的12、13腳是熱電偶故障報(bào)警電路的輸出端,13腳接地后,集電極開路的12腳接上拉電阻。熱電偶正常時(shí)輸出高電平,斷偶故障時(shí)輸出低電平。將這個(gè)邏輯電平引入ADR-120的第11端子,用于對熱偶電壓Vo的正確判斷。

            智能控制模塊將測量的溫度值進(jìn)行處理后,通過網(wǎng)絡(luò)接口將數(shù)據(jù)發(fā)布到LON總線上,交上位機(jī)進(jìn)行處理和監(jiān)控,同時(shí)根據(jù)程序預(yù)先編制的控制算法得出控制量,經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后變成0-5V電壓信號(hào)或4-20mA電流信號(hào)輸出至可控硅調(diào)功器,驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)對測溫點(diǎn)進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)控制。

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