摘要：介紹了LonWorks現(xiàn)場總線和單線數(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)溫度測控系統(tǒng)，給出了其硬件及軟件實(shí)現(xiàn)。
　　　　
　　引言
　　
　　現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS（FieldbusControlSystem）將系統(tǒng)的分散控制轉(zhuǎn)換到現(xiàn)場控制，形成開放性的控制網(wǎng)絡(luò)，將其應(yīng)用在智能建筑的重要組成部分樓宇自動化系統(tǒng)BAS（BuildingAutomaticSystem）中，將克服傳統(tǒng)方式因采用了RS-232、RS485等通信協(xié)議而帶來“自動化孤島”的嚴(yán)重不足。本文應(yīng)用LonWorks現(xiàn)場總線技術(shù)和單總線（1-Wire）數(shù)字溫度傳感器DS18B20，設(shè)計(jì)了樓宇自動化溫度測控的智能節(jié)點(diǎn)與系統(tǒng)，有效地實(shí)現(xiàn)了對室內(nèi)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控與調(diào)節(jié)。
　　
　　1、1-Wire數(shù)字溫度傳感器DS18B20
　　
　　1.1DS18B20結(jié)構(gòu)
　　
　　DS18B20是由DALLAS所生產(chǎn)的基于1-Wire單總線新一代數(shù)字溫度傳感器，該系列產(chǎn)品有DS1820、DS1822、DS18S20、DS18B20等，DS18B20性能，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*的64位芯片ID序列號，我們可以在一條信號線上掛接任意多個(gè)數(shù)字式傳感器。圖1示出了DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)?？偩€也可通過DQ向所掛接的DS18B20寄生供電，而無需額外電源，此時(shí)VDD端必須接地，同時(shí)總線口在空閑的時(shí)候必須保持高電平，以便寄生充電。這使測溫電路變得十分簡單，無需任何外圍硬件，克服了模擬式傳感器與微機(jī)接口時(shí)需要的A/D轉(zhuǎn)換器及其它復(fù)雜外圍電路的缺點(diǎn)，因而溫度測控系統(tǒng)非常方便，成本低、體積小、可靠性高。DS18B20測溫范圍為-55～125℃，當(dāng)溫度轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)編程到9位時(shí)精度為0.5℃（-10～85℃范圍內(nèi)），而12位時(shí)可分辨到0.0625℃，被測溫度與轉(zhuǎn)換后12位數(shù)字量為補(bǔ)碼表示，D0～D10表示大小，D11表示符號。溫度轉(zhuǎn)換時(shí)間zui多為750ms。用戶可自設(shè)定溫度報(bào)警上下限，報(bào)警搜索命令可識別哪片DS18B20超溫度界限。　　
　　1.2DS18B20單總線通信
　　
　　單總線系統(tǒng)中主設(shè)備首先對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（共5條），然后方可執(zhí)行存儲器功能命令（共6條）以進(jìn)行啟動溫度轉(zhuǎn)換及存儲器操作等控制功能。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，除了應(yīng)答脈沖以外，都由主機(jī)發(fā)出同步信號。命令和數(shù)據(jù)都是字節(jié)的低位在前。初始化時(shí)序如圖2所示，主機(jī)先通過拉低總線至少480μs，產(chǎn)生（Tx）復(fù)位脈沖信號，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，在單總線器件檢測到上升沿后，延時(shí)15～60μs，接著通過拉低總線60～240μs，以產(chǎn)生在線應(yīng)答脈沖。此外，DS18B20的讀/寫時(shí)序、測溫原理、ROM命令和MEMORY命令文獻(xiàn)[2]中有詳細(xì)的描述，在此不再贅述。　　
　　2、LonWorks現(xiàn)場總線
　　
　　2.1基本情況
　　
　　LonWorks技術(shù)是由美國Echelon公司推出的局部操作網(wǎng)絡(luò)（LocalOperatingNetwork），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的七層模型協(xié)議，并按照規(guī)范的LonTalk協(xié)議進(jìn)行通信，其通信速率范圍在300bps至1.5Mbps之間。
　　
　　2.2Neuron3120/3150結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)
　　
　　Neuron芯片是LonWorks技術(shù)的核心，它既進(jìn)行通信的管理，也同時(shí)具有輸入、輸出和控制的能力。3120與3150兩大系列芯片主要由Motorola、Toshiba、Cypress三個(gè)公司生產(chǎn)。Neuron芯片內(nèi)部框圖如圖3所示，內(nèi)有3個(gè)8位流水線作業(yè)的CPU。介質(zhì)訪問控制CPU處理LonTalk7層協(xié)議的第1到第2層，包括驅(qū)動通信子系統(tǒng)硬件和執(zhí)行MAC算法。網(wǎng)絡(luò)CPU處理LonTalk協(xié)議的第3到第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，通過對其編程可設(shè)定為34種不同的對象，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zui大不超過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)。　　
　　3、溫度測控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
　　
　　3.1網(wǎng)絡(luò)拓樸
　　
　　本設(shè)計(jì)中樓宇自動化溫度測控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4所示。系統(tǒng)選用兩級計(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，通信速率設(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，*可以滿足樓宇自動化系統(tǒng)的通信要求。上位機(jī)通過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)通信檢測等。　　
　　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)，圖4給出了節(jié)點(diǎn)1的結(jié)構(gòu)。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控任務(wù)，其內(nèi)嵌8KFlashROM，軟硬件上兼容AT89C52，但其zui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，以對顯示、鍵盤、超溫報(bào)警等電路進(jìn)行接口，此外還通過溫控輸出單元對空調(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，以其為核心再通過收發(fā)器FFT-10A完成LonTalk協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸，并通過事件調(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)器通過與Lon網(wǎng)接口負(fù)責(zé)將節(jié)點(diǎn)連入網(wǎng)絡(luò)。單片機(jī)AT89S52與Neuron芯片CY53120采用并行通信。P1口與3120的I00～I(xiàn)07相連作為8位的數(shù)據(jù)總線。P3.2與3120的I08相連，作為單片機(jī)請求發(fā)送數(shù)據(jù)的信號線和接受3120溫度轉(zhuǎn)換命令的應(yīng)答線。P3.3與IO9相連，作為3120接收數(shù)據(jù)的應(yīng)答信號。P3.4與IO10相連，作為3120發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換命令的信號線。這就保證了AT89S52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)，采用匯編語言開發(fā)，主要完成鍵盤掃描與輸出顯示，現(xiàn)場溫度數(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部分程序流程圖及源程序
　　
　　圖5給出了溫度測控軟件的流程圖。需要說明的是溫控子系統(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，以避免控制裝置對被控溫度過于敏感而頻繁動作或振蕩，此外還采取了變新/回風(fēng)比例自動控制、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，以達(dá)節(jié)能目的。　　
　　對DS18B20進(jìn)行寫操作的子程序如下。
　　
　　WRITE:;寫子程序,此前先執(zhí)行復(fù)位子程序
　　
　　DATA_BITEQUP2.7
　　
　　CLRC;清DS18B20在線標(biāo)志
　　
　　MOVR1,#08H;8bits
　　
　　WR1:CLRDATA_BIT;發(fā)寫脈沖給P2.7
　　
　　MOVR7,#01H;延時(shí)15μs
　　
　　CALLDELAY15
　　
　　RRCA;被寫字節(jié)從低位開始
　　
　　MOVDATA_BIT,C;送1個(gè)bit到DS18B20
　　
　　MOVR7,#01H;延時(shí)15μs
　　
　　CALLDELAY15
　　
　　SETBDATA_BIT;釋放數(shù)據(jù)線
　　
　　NOP
　　
　　DJNZR1,WR1;判8bits是否寫完
　　
　　SETBDATA_BIT;釋放數(shù)據(jù)線
　　
　　RET
　　
　　5、結(jié)束語
　　
　　本系統(tǒng)由于采用LonWorks現(xiàn)場總線技術(shù)，使樓宇自動化系統(tǒng)中通信可靠、便捷;采用基于1-Wire單總線新一代數(shù)字溫度傳感器DS18B20，使系統(tǒng)簡單、靈活、方便，在常溫測量中有較大優(yōu)勢;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)字處理則更可達(dá)到±0.0625℃，滿足智能建筑的不同程度的控制要求，該系統(tǒng)在常溫測控應(yīng)用中具有明顯的優(yōu)勢。