摘 要： 溫度控制系統在工業上的應用較多，控制軟件更是因實際功能需求不同而有所不同。本文給出了溫度控制系統現場節點總體的設計方案以及開發的流程，然后針對溫度控制節點分別從硬件和軟件兩個方面進行介紹，硬件方面主要是LonWorks控制模塊與外圍電路的設計，而軟件方面主要是針對現場節點的數據采集模塊、數據控制模塊的實現。 關鍵字：總線; 控制系統; 溫度; LonWorks [b][align=center]Design of Field Node in a Temperature Circular Control System based on Bus Technology[/align][/b] 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 　　作為過程自動化、制造自動化、樓宇、交通等領域現場智能設備之間的互聯通信網絡，現場總線具有開放式、數字化、多點通信等特點，在眾多的現場總線標準中，LonWorks以其特有的優良性能脫穎而出。LonWorks是一種完整的、全開放、可互操作，目前已十分成熟的分布式控制網絡技術。本文利用LonWorks開發平臺設計一個溫度可循環控制系統的現場節點。 2 硬件電路總體方案 [align=center] 圖1溫度控制系統節點的硬件框圖[/align] 　　溫度控制系統節點的硬件框圖如圖1所示，溫度控制節點應該包括以下兩個主要功能塊：LonWorks控制模塊與外圍接口電路。 　　在本設計的溫度控制系統中，不僅需要實現數據的采集，還應能對底層設備進行控制，根據此需求，本設計提出一種改進的數據采集節點方案，在傳統設計基礎上增加了一個D/A轉換電路，通過該電路可以將節點發出的指令傳給模擬設備，實現對數據采集過程的控制。 3 LonWorks控制模塊的電路設計 　　LonWorks控制模塊是指在進行基于Neuron芯片開發的一個通用節點，它包括Neuron芯片、存儲器、收發器、I/O接口以及網絡端口等，實現在現場使用時即插即用，達到高效、低成本開發的目的。Neuron芯片包括Neuron 3120和Neuron 3150兩種型號。此處選用Neuron 3150，它使用靈活，可以滿足本系統的應用。 　　1、Neuron芯片通信端口 　　Neuron芯片能支持多種傳輸媒介，最為通用的是構成雙絞線、電力線網絡。其他的還有射頻（RF）、紅外光波、光纖以及電纜等。Neuron芯片擁有多功能的通信端口，通過不同的配置，它的5個引腳可以與多種傳輸媒介接口相連接，且可實現較寬范圍的傳輸速率。它一共有三種工作方式，分別是單端、差分以及專用工作方式。 　　雙絞線收發器FTT-10A在Neuron芯片和LonWorks網絡之間提供了一個物理的接口。FTT-10A自由拓撲雙絞線收發器適合于各種通信媒介和拓撲結構。雙絞線收發器FTT-10A自由拓撲雙絞線收發器支持星型、總線型、環型拓撲結構。其速率可達到78kbps，最遠通信距離為2700m，并可由重復器延長。Neuron3150芯片與FTT 10A的連接如圖2所示。 [align=center] 圖2 Neuron3150芯片與FTT-10A的連接圖[/align] 　　2、Neuron芯片外接存儲器 　　在本設計中我們采用的是具有64K字節存儲容量的存儲器AT29C512，它能夠在掉電的情況下保證數據不丟失，同時在上電的情況下還能夠對它進行有限次數的數據寫操作。 4 外圍接口電路設計 　　溫度控制節點的外圍接口電路主要包括溫度采集電路、A/D轉換、D/A轉換電路以及電源電路。 　　（1） 溫度采集電路 　　溫度采集電路的主要是利用集成溫度傳感器AD590來將現場的溫度值轉化為電壓值。具體的溫壓轉換電路如圖3所示。 [align=center] 圖3溫度采集電路原理圖[/align] 　　AD590是美國模擬器件公司生產的單片集成兩端感溫電流源。在溫度采集電路中，電位器R14用于調節零點，R15用于調整運算放大器LM324的增益。調整的方法如下：在0℃時調整R14，使輸出A1N1=0V，然后在100℃時調整R15，使AIN1=5V。如此反復調整多次，直至在0℃時，AIN1=0V，在100℃時AIN1=5V為止，最后在室溫下進行效驗。 　　（2） A/D轉換電路 　　A/D轉換電路主要的作用是把采集到的電壓值轉換為數字信號。A/D轉換主要是用美國MAXIM公司的MAX 186芯片來實現的，它內含8通道多路切換開關、高帶寬跟蹤/保持器、12位逐次逼近A/D轉換器、串行接口電路等，MAX 186自帶4.096V的參考基準源，本身即為一完整的單片12位數據采集系統。Neuron 3150的11個I/O口中，IO0到IO3具有高電流吸收能力，可以直接驅動一些小功率設備;IO0到IO7具有低電平檢測鎖定功能;此外所有管腳都具有TTL電平輸入功能。這些管腳可以靈活地配置成34種不同的I/O對象，用以滿足用戶的不同需求。本系統選用的是Neuronwire I/O對象，該對象使用Neuron芯片的IO8 ， IO9 ，IO10和IO0到IO7中的任意一個管腳，能夠實現最多255比特的雙向串行數據傳輸，Neuronwire主模式使用Neuron芯片的管腳IO8作為時鐘輸入，IO9和IO10分別作為串行數據的輸入和輸出，以此構成一個簡單的三線總線結構。 　　（3） D/A轉換電路 　　D/A轉換電路的主要作用是在溫度控制節點對現場采集的數據進行處理后，將處理的信息反饋到現場設備。D/A轉換主要是利用MAX522芯片來實現的。MAX522芯片內有2路8位電壓緩沖輸出D/A轉換器（DAC A和DAC B），8腳節省封裝和DIP封裝，DAC A端緩沖器工作電流可達5mA，DAC B端緩沖器工作電流可達500μA，MAX522工作在單向電壓+2.7V～+5.5V。 　　MAX522具有3線串行接口，工作電壓可以達到5MHz可直接與SPITM，QSPITM， MicrowireTM兼容。它有一個I6位輸入移位寄存器包含8位DAC輸入數據和8位DAC選擇和關斷控制。在/CS的正邊沿數據能夠存入到DAC寄存器。其中IO7作為片選端，IO8作為時鐘輸入，IO9作為串行數據的輸入。 　　（4） 電源電路 　　溫度控制系統的電源電路如圖4所示。本系統使用外部220V交流供電，經過變壓器變壓，橋式整流和電容濾波以及可調試三端穩壓器CW317調節后，可以輸出連續可調的直流電壓，可調范圍3～9V。 [align=center] 圖4 溫度控制系統電源電路圖[/align] 　　如圖4所示，可調式三端穩壓器CW317，其特征參數Vo =1.2V～3.7V， Iomax=1.5V，最小輸入、輸出壓差（Vi-Vo）min=3V，最大輸入、輸出壓差（Vi-Vo）max= 40V。R1與RP1組成電壓輸出調節電路，輸出電壓Vo為： 　　 （1） 　　R1的值為120Ω-240Ω，流經R2的波動電流為5mA～10mA， RP1為精密可調電位器，電容C3與RP1并聯組成濾波電路，以減少輸出的紋波電壓，二極管D5的作用是防止輸出端與地短路時損壞穩壓器。集成穩壓器的輸出電壓Vo與穩壓電源的輸出電壓相同，穩壓器的最大允許電流ICM 　　 （2） 　　式中，Vomax為最大輸出電壓，Vomin為最小輸出電壓，（Vi-Vo）min為穩壓器的最小輸入、輸出電壓差，（Vi-Vomax）為穩壓器的最大輸入、輸出電壓差。 　　由式（1）可得Vo≈1.25（1+RP1/R1），取R1=240Ω，則RP1max=1.49KΩ，故取RP1為4.7KΩ的精密線繞可調電位器。由式（2 ）可得輸入電壓Vi的范圍為 　　 （3） 　　副邊電壓V2≥Vimin/1.1=12/1.1 V，取V2=11V，副邊電流I2>Iomax=0.8A ，取I2 = 1A，則變壓器副邊輸出功率P2≥I2V2=11W，查表之后可以知道變壓器的效率η=0.7，則原邊輸入功率P1≥P2/η=15.7W。為留有余地，選功率為20W的電源變壓器。整流二極管D1， D2， D3與D4選IN4001 ，濾波電容C1， C2可以取2200μF/25V的電解電容。應在變壓器的副邊接入保險絲FU，以防電路短路損壞變壓器或其他器件。 5 溫度控制系統節點的軟件設計 　　在軟件方面，溫度控制系統節點的功能主要靠數據采集和數據控制兩部分軟件來實現。基于Neuron 3150芯片的節點，程序完全使用Neuron C編寫，其總體結構源程序一般是先定義變量、函數以及I/O口的使用情況，然后編寫子程序以及when語句調度程序。 　　根據項目的要求，本節點需要實現兩項功能：通過I/O接口對模擬數據進行采集，對其進行A/D轉換后傳送至上層PC，供監控人員監測;2、接收上層發出的控制信息，通過I/O接口進行D/A轉換，然后傳送至底層，實現對現場設備的控制。因此，本節點的軟件設計與實現主要包括兩部分：數據采集和控制。數據采集和數據控制所使用的I/O對象是一樣的，都是應用了Neurowire I/O對象。通過定義Neuron I/O對象，Neuron芯片可以實現與外設的同步，并完成全雙工串行通信。Neuron I/O對象可配置為主控方式或被控方式。當為主控方式時，Neuron芯片可以同時帶多個遵循Motorola公司SPI接口的外設。 　　本文作者創新點： 本文提出了一種基于總線技術的溫度可循環控制系統現場節點的研究，完成了LonWorks控制模塊設計及軟件開發。該節點方案針對于具體的溫度采集電路，集成了A/D和D/A轉換模塊，既完成了常規的數據采集工作，又方便監控人員對現場進行控制。 參考文獻： 　　[1] 馬莉.智能控制與Lon網絡開發技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，2003，2： 63-67. 　　[2] 劉波，關碩.LonWorks現場總線與模擬設備接口電路設計[J].現場總線技術，2003， 3：22-24. 　　[3] 任清珍，王寧芳.基于LonWorks總線的高速數據采集節點的實現[J].中國儀器儀表，2003.4：10-12. 　　[4] 楊才表，趙建龍.基于 812的芯片溫度控制系統的研究[J].微計算機信息，2007，9-1： 43-44. 　　作者簡介：劉硯菊（1965.10-），女，遼寧省本溪市，副教授，碩士，研究方向：從事過程參數采集與檢測和網絡化測控的研究。張景異 （1965.8-）， 男， 遼寧大連人， 沈陽理工大學教務處， 教授， 碩士， 研究方向：信息系統和過程控制。王敏亮（1968.6-）， 男， 遼寧沈陽人， 單位：沈陽理工大學科研產業處，工程師， 研究方向：計算機應用