利用單股雙絞線和神經(jīng)芯片實現(xiàn)遠端水溫控制系統(tǒng)的設(shè)計

在生產(chǎn)生活中，熱水的使用量非常大，而市面上流行的熱水器通常只能設(shè)定固定的溫度，并且一般需要在現(xiàn)場控制。但在許多工業(yè)場合，經(jīng)常需要對遠端熱水裝置的工作過程進行控制，使其生產(chǎn)出穩(wěn)定的熱水，并可隨時調(diào)節(jié)水溫。本文使用普通的單股雙絞線作為網(wǎng)絡(luò)物理介質(zhì)，設(shè)計了一個基于LON網(wǎng)絡(luò)的遠程監(jiān)控系統(tǒng)，來完成上述功能。

1、Lonworks總線和神經(jīng)芯片

Lonworks控制網(wǎng)絡(luò)是當前最為流行的現(xiàn)場總線之一，它的核心是神經(jīng)元芯片（neuron chip）和LonTalk通信協(xié)議。LonTalk通信協(xié)議支持0SI／RM的所有七層模型，使得LON網(wǎng)絡(luò)與其他網(wǎng)絡(luò)有著良好的接口和兼容性。支持多種拓撲結(jié)構(gòu)，通信介質(zhì)可選雙絞線、電力線、紅外線、光纖、同軸電纜等媒介，使得網(wǎng)絡(luò)布線更加方便。應(yīng)用程序采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法，通過網(wǎng)絡(luò)變量進行節(jié)點之間的數(shù)據(jù)交換，使網(wǎng)絡(luò)通信簡化為參數(shù)設(shè)置。

本系統(tǒng)中用到兩種關(guān)鍵部件。

（1）神經(jīng)芯片

神經(jīng)元（Neuron）芯片使用CMOS VLSI技術(shù)，允許運行價格低廉的控制網(wǎng)絡(luò)。其主要包括MCl43150和MCl43120兩大系列。神經(jīng)元芯片的主要特點是：

高度集成，所需要的外部部件較少；

3個8位的CPU，輸入時鐘可選擇的范圍10~625Hz；

片上存儲器；

11個可編程I／O引腳（有34種可選擇的工作方式）；

2個16位定時器／計數(shù)器；

15個軟定時器；

5個網(wǎng)絡(luò)通信端口，有3種方式可選擇（單端反射、差分方式和專用方式）；

固件包括符合0SI七層協(xié)議的LonTalk協(xié)議，I／0驅(qū)動程序和事件驅(qū)動多任務(wù)調(diào)度程序；

服務(wù)引腳用于遠程識別和診斷；

48位內(nèi)部Neuron ID用于唯一識別Neuron芯片；

在兩大系列中，3120芯片內(nèi)部包含E2PROM、RAM和ROM存儲器，而3150芯片內(nèi)部無ROM，但擁有訪問外部存儲器的接口，可根據(jù)實際情況靈活配置存儲器。

（2）收發(fā)器

提供神經(jīng)芯片與Lonworks網(wǎng)絡(luò)的物理通信接口。

2、水溫監(jiān)控系統(tǒng)硬件組成及工作原理

本系統(tǒng)由監(jiān)控結(jié)點、執(zhí)行結(jié)點兩個結(jié)點組成。它們位于LON網(wǎng)絡(luò)的兩端，結(jié)構(gòu)如圖l所示。

本系統(tǒng)中選用單股雙絞線作為網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)，收發(fā)器采用Echelon公司的FTT-10A型收發(fā)器，兩個節(jié)點間通過網(wǎng)絡(luò)變量進行通信．

在每個節(jié)點中，選用3150芯片外加一塊a2 KB的Flash存儲器芯片AT29C257來存儲應(yīng)用程序、數(shù)據(jù)和通信協(xié)議等神經(jīng)芯片固件。神經(jīng)芯片和存儲器之間的連接如圖2所示。

監(jiān)控結(jié)點位于中心控制室，能顯示實時水溫，用戶通過它對遠端加熱裝置器進行水溫設(shè)置。監(jiān)控節(jié)點中神經(jīng)芯片的I／O部分電路如圖3所示。

在本電路中，用戶調(diào)節(jié)電位器來設(shè)置水溫；電位器上得到的電壓經(jīng)A／O轉(zhuǎn)換后變?yōu)镺~100之間的數(shù)，發(fā)往執(zhí)行結(jié)點，并在前兩個數(shù)碼管上顯示出來。執(zhí)行結(jié)點傳過來的實時水溫顯示在后兩個數(shù)碼管上。為了充分利用芯片的I／0口，使用移位計數(shù)器74HC595擴展I／O口，采用芯片的串行輸出功能，I／O8作為時鐘信號，I／09作為數(shù)據(jù)輸出口，I／06作為數(shù)據(jù)鎖存控制端．根據(jù)實際情況的需要可用液晶顯示屏替換8段數(shù)碼管。

執(zhí)行結(jié)點位于加熱器端，它檢測水溫井將數(shù)值發(fā)往監(jiān)控結(jié)點，接收監(jiān)控結(jié)點發(fā)來的控制溫度數(shù)據(jù)／根據(jù)情況啟動／停止熱水器工作。執(zhí)行節(jié)點中神經(jīng)芯片的I／O部分電路如圖4所示。

在本電路中，實時水溫由溫度傳感器檢測出，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后變?yōu)?~100之間的值，保存并發(fā)往監(jiān)控結(jié)點。神經(jīng)芯片把從監(jiān)控結(jié)點收到控制溫度值與檢測溫度值相比較，若檢測值小，則閉合繼電器，加熱器開始工作；若檢測值大，則斷開繼電器，加熱器停止工作。

為避免加熱器反復(fù)通斷電工作，可以設(shè)置一個可接受的溫度控制精度區(qū)間。本電路中設(shè)置為±3℃，即加熱時，當檢測溫度高過控制溫度3℃時才斷開繼電器；不加熱時，當檢測溫度低于控制溫度3℃時才閉合繼電器。

3、 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件部分采用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計方法，將檢測信號、控制信號、神經(jīng)芯片I／O分別定義為不同的對象，使用NeuronC進行編程。

4、結(jié) 語

本文利用Lonwork網(wǎng)絡(luò)在單股雙絞線上實現(xiàn)較遠距離的節(jié)點通信，設(shè)計并實現(xiàn)了對遠端水溫的監(jiān)控。本系統(tǒng)只涉及對溫度的控制，在實際應(yīng)用中，只需增加簡單的電路和程序代碼，即可實現(xiàn)對壓力、氧氣含量（如公共浴室）等其他指標的控制。

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