利用单股双绞线和神经芯片实现远端水温控制系统的设计

在生产生活中，热水的使用量非常大，而市面上流行的热水器通常只能设定固定的温度，并且一般需要在现场控制。但在许多工业场合，经常需要对远端热水装置的工作过程进行控制，使其生产出稳定的热水，并可随时调节水温。本文使用普通的单股双绞线作为网络物理介质，设计了一个基于LON网络的远程监控系统，来完成上述功能。

1、Lonworks总线和神经芯片

Lonworks控制网络是当前最为流行的现场总线之一，它的核心是神经元芯片（neuron chip）和LonTalk通信协议。LonTalk通信协议支持0SI／RM的所有七层模型，使得LON网络与其他网络有着良好的接口和兼容性。支持多种拓扑结构，通信介质可选双绞线、电力线、红外线、光纤、同轴电缆等媒介，使得网络布线更加方便。应用程序采用面向对象的设计方法，通过网络变量进行节点之间的数据交换，使网络通信简化为参数设置。

本系统中用到两种关键部件。

（1）神经芯片

神经元（Neuron）芯片使用CMOS VLSI技术，允许运行价格低廉的控制网络。其主要包括MCl43150和MCl43120两大系列。神经元芯片的主要特点是：

高度集成，所需要的外部部件较少；

3个8位的CPU，输入时钟可选择的范围10~625Hz；

片上存储器；

11个可编程I／O引脚（有34种可选择的工作方式）；

2个16位定时器／计数器；

15个软定时器；

5个网络通信端口，有3种方式可选择（单端反射、差分方式和专用方式）；

固件包括符合0SI七层协议的LonTalk协议，I／0驱动程序和事件驱动多任务调度程序；

服务引脚用于远程识别和诊断；

48位内部Neuron ID用于唯一识别Neuron芯片；

在两大系列中，3120芯片内部包含E2PROM、RAM和ROM存储器，而3150芯片内部无ROM，但拥有访问外部存储器的接口，可根据实际情况灵活配置存储器。

（2）收发器

提供神经芯片与Lonworks网络的物理通信接口。

2、水温监控系统硬件组成及工作原理

本系统由监控结点、执行结点两个结点组成。它们位于LON网络的两端，结构如图l所示。

本系统中选用单股双绞线作为网络介质，收发器采用Echelon公司的FTT-10A型收发器，两个节点间通过网络变量进行通信．

在每个节点中，选用3150芯片外加一块a2 KB的Flash存储器芯片AT29C257来存储应用程序、数据和通信协议等神经芯片固件。神经芯片和存储器之间的连接如图2所示。

监控结点位于中心控制室，能显示实时水温，用户通过它对远端加热装置器进行水温设置。监控节点中神经芯片的I／O部分电路如图3所示。

在本电路中，用户调节电位器来设置水温；电位器上得到的电压经A／O转换后变为O~100之间的数，发往执行结点，并在前两个数码管上显示出来。执行结点传过来的实时水温显示在后两个数码管上。为了充分利用芯片的I／0口，使用移位计数器74HC595扩展I／O口，采用芯片的串行输出功能，I／O8作为时钟信号，I／09作为数据输出口，I／06作为数据锁存控制端．根据实际情况的需要可用液晶显示屏替换8段数码管。

执行结点位于加热器端，它检测水温井将数值发往监控结点，接收监控结点发来的控制温度数据／根据情况启动／停止热水器工作。执行节点中神经芯片的I／O部分电路如图4所示。

在本电路中，实时水温由温度传感器检测出，经A／D转换后变为0~100之间的值，保存并发往监控结点。神经芯片把从监控结点收到控制温度值与检测温度值相比较，若检测值小，则闭合继电器，加热器开始工作；若检测值大，则断开继电器，加热器停止工作。

为避免加热器反复通断电工作，可以设置一个可接受的温度控制精度区间。本电路中设置为±3℃，即加热时，当检测温度高过控制温度3℃时才断开继电器；不加热时，当检测温度低于控制温度3℃时才闭合继电器。

3、 软件设计

本系统软件部分采用面向对象的程序设计方法，将检测信号、控制信号、神经芯片I／O分别定义为不同的对象，使用NeuronC进行编程。

4、结 语

本文利用Lonwork网络在单股双绞线上实现较远距离的节点通信，设计并实现了对远端水温的监控。本系统只涉及对温度的控制，在实际应用中，只需增加简单的电路和程序代码，即可实现对压力、氧气含量（如公共浴室）等其他指标的控制。

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