现场总线技术在楼宇自动化温度测控系统中的应用

目前，智能建筑得以迅猛发展，其关键是楼宇自动化系统BAS技术，其中楼宇温度测控的子系统用以实现室内温度的合理调节。目前，国内大都采用以单片机为核心组成区域控制系统，但由于这种系统在本质上采用了RS232、RS422/RS485等专用通信协议而形成“自动化孤岛”。应用现场总线控制系统FCS将系统的分散控制转换到现场控制，形成开放性的控制网络。

本文应用LonWorks现场总线技术设计了基于主机的Neuron智能节点，并通过单总线（1-Wire）数字温度传感器DS18B20与智能节点构成温度测控网络，有效地实现了对室内温度的实时监控与调节。

1 LonWorks技术
1.1LonWorks技术要点

LonWorks技术是由美国Echelon公司推出的局部操作网络，它包含所有设计、配置和维护网络所需要的技术：　　　

3120/3150Neuron芯片、NeuronC编程语言、LonTalk协议、LonWorks收发器、LonBuilder和NodeBuilder开发工具等。LonWorks网络系统由智能节点组成，节点包括神经元芯片、传感器、控制设备、收发器和电源等。节点之间通信支持双绞线、电力线、光纤和红外线等多种介质，遵守ISO/OSI的7层模型协议，并按照规范的LonTalk协议进行通信，其通信速率在300bps~1.5Mbps范围之间。

1.2Neuron芯片

Neuron芯片有3120与3150两大系列，是Lon-Works技术的核心。它既进行通信的管理，同时还具有输入、输出和控制的能力。其内部框图如图1所示，内有3个8位流水线作业的CPU。介质访问控制CPU处理LonTalk7层协议的第1~第2层，包括驱动通信子系统硬件和执行MAC算法。网络CPU处理LonTalk协议的第3层~第6层，包括处理网络变量寻址事务、权限证实、背景诊断、软件计时器、网络管理和路由等，同时还控制网络通信端口，物理的发送和接收数据包。应用CPU执行用户用NeuronC语言编写的代码以及用户代码调用的操作系统命令。3个CPU分别通过片内的网络缓存器和应用缓存器进行通信。芯片提供从I/O0~I/O10共11个管脚，通过对其编程可设定为34种不同的对象，可用于直接连接各传感器、A/D、执行器等。CP0~CP4组成的网络通信端口用以连接收发器，实现网络的通信功能。3120芯片中包含E2PROM、RAM、ROM，其中在ROM中已带有LonTalk通信协议固件，可非常方便构成用户应用程序最大不超过2kB的较小系统；而3150则需外部扩展ROM，其LonTalk通信协议也需要由NodeBuilder工具包配置，用于复杂的应用系统。

图13120/3150内部框图

2 数字温度传感器DS18B20

DS18B20是由DALLAS所生产的基于1-Wire新一代数字温度传感器。该系列产品有DS1820、DS1822、DS18S20、DS18B20等，DS18B20性能最好，其温度转换数据位数可编程到12位。DS18B20采用3脚TO-92封装为主，其外形如小功率三极管。因每一个DS18B20都有一个自己特有的64位芯片ID序列号，可以在一条信号线上挂接任意多个数字式传感器。表1为分辨率0.0625°C时温度/数字量关系表。2.1DS18B20特点

（1）独有的1-Wire接口，只需一个端口管脚进行通信；
（2）可简单构成分布式多分支温度测量应用系统；
（3）不需要任何外围元件；
（4）可通过数据线进行寄生电源供电；
（5）测温范围为-55~+125℃；
（6）测量精度在-10~+85℃测温范围内时为0.5℃；
（7）可编程9~12位数字温度计，相应分辨率为0.5~0.0625°C，最大转换时间分别为93.75ms与750ms；
（8）用户可定义非易失性温度报警设置及识别。


2.2DS18B20的工作时序与命令

DS18B20采用严格的单总线通信协议，以保证数据的完整性。该协议定义了几种信号类型：复位脉冲、应答脉冲、读/写０和读/写１。所有这些信号，除了应答脉冲以外，都由主机发出同步信号。命令和数据都是字节的低位在前。单总线系统中主设备首先对DS18B20进行初始化，以确认总线上有DS18B20在线并做好了操作的准备，再可执行ROM功能命令，然后方可执行存储器功能命令以进行启动温度转换及存储器操作等控制功能。初始化时序中，主机先通过拉低总线至少480μs，产生复位脉冲信号（Tx），接着主机释放总线，并进入接收模式（Rx），上拉电阻将单总线拉高；之后，在单总线器件检测到上升沿后，延时15~60μs，接着通过拉低总线60~240μs，以产生在线应答脉冲。

DSl8B20的ROM功能命令如表2所示。
DSl8B20的存储器功能命令如表3所示。




3 系统硬件设计
3.1系统网络组成

本设计中楼宇自动化温度测控系统的网络结构如图2所示。系统选用两级计算机监控系统，即由上位管理机、LonTalk适配器以及多个智能节点组成。中央PC机控制节点的接口采用Echelon的PCLTA-10PCLonTalk适配卡。该卡是高性能的16