1.引言

隨著“現(xiàn)場(chǎng)總線”的出現(xiàn)及其應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)測(cè)量和控制中信息的交換主要是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線和Internet等網(wǎng)絡(luò)來(lái)完成，為了實(shí)現(xiàn)多傳感器、控制器之間的信息交換，有必要將傳感器內(nèi)各個(gè)敏感單元及其功能單元以及控制器聯(lián)系在一起，通過(guò)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)傳感器與傳感器之間、傳感器與控制器之間、傳感器與系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換和共享，其未來(lái)發(fā)展方向就是網(wǎng)絡(luò)化智能測(cè)控器。網(wǎng)絡(luò)化智能測(cè)控器是測(cè)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(cè)試和控制任務(wù)，是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化測(cè)控的基礎(chǔ)。使傳感器和|控制器在現(xiàn)場(chǎng)級(jí)實(shí)現(xiàn)某種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，使現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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)化智能測(cè)控器的研究目標(biāo)所在，也是目前國(guó)內(nèi)外競(jìng)相搶占制高點(diǎn)的前沿技術(shù)之一。

2. 網(wǎng)絡(luò)化智能測(cè)控器簡(jiǎn)介

智能測(cè)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(duì)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(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，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(guò)軟件來(lái)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(cè)、自修正和自保護(hù)功能。智能傳感器要實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jiǎn)單的硬件構(gòu)成，而是通過(guò)硬軟件綜合技術(shù)的運(yùn)用，對(duì)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(cè)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(duì)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行控制。

網(wǎng)絡(luò)化智能測(cè)控器的實(shí)質(zhì)是在智能測(cè)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(cè)控器實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)化智能測(cè)控器的特點(diǎn)主要有：(1)可靈活尋址通信。每個(gè)智能測(cè)控器具有一個(gè)獨(dú)立的地址，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口，可實(shí)現(xiàn)與其他智能測(cè)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(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送不同的命令，對(duì)存放在智能測(cè)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(cè)控器工作在最佳狀態(tài)。

3.Lonworks技術(shù)簡(jiǎn)介

LON(Local Operating Networks)總線是美國(guó)Echelon公司于1991年推出的局部操作網(wǎng)。目前已成為應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。LonWorks使用的開(kāi)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(guò)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(jiǎn)潔的總線要求。LON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(wú)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(shù)形甚至幾種方式的組合。

·LonTalk是LON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(tīng)多路訪問(wèn)) 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(zhǎng)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(kāi)發(fā)者一個(gè)完整的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，包括現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試工具LonBuilder、協(xié)議分析、網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)語(yǔ)言Neuron C等；

·由于支持面向?qū)ο蟮?a target="_blank">編程（網(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(lái)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(guò)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(cè)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(cè)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(duì)上述問(wèn)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(cè)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(cè)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(cè)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(kāi)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(duì)熱偶電壓Vo的正確判斷。

智能控制模塊將測(cè)量的溫度值進(jìn)行處理后，通過(guò)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(duì)測(cè)溫點(diǎn)進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)控制。