智能家居总线分析（精选7篇）
智能家居总线分析 篇1
0 引言
配电变电站过程层数字化为继电保护实现跨间隔数据融合利用奠定了基础。跨间隔集成保护输入信息量增加[1],能有效提高保护测控性能;特别是含间歇性分布式电源(DG)接入的配电变电站,实现过程层数据的实时共享能有效实现接入电源的并网及减载等操作,提高变电站的运行灵活性,从而为实现微网的安全稳定运行奠定基础[2,3],但是,其前提必须是实现变电站过程总线跨间隔数据交换的高度实时性和稳定可靠性。
IEC 61850标准对数字化变电站过程总线组网给出了4种基本原则:面向间隔、面向位置、单一总线和面向功能。文献[4]提出过程总线根据不同间隔或功能划分为多个星形子网,站级总线物理拓扑结构兼顾不同电压等级对网络可靠性的要求,但间隔之间信息交互只能通过中心交换机转发实现,跨间隔数据共享的实时性有待分析。文献[5]提出按照不同电压等级将过程总线分为几个子网,该方案减少了交换机的数量,实现了同一电压等级设备的信息共享,但对于不同电压等级信息交换的性能需要进一步评估。文献[6]对基于IEC 61850-9-2标准的220 kV变电站通信网络进行了仿真,探讨了全站环形和星形网络结构下的典型数据流通信特性;但该文重点是面向现有保护配置,例如单间隔保护和母差保护等进行评估分析,没有进一步探讨过程总线数据共享的最大能力。
本文面向数字化配电变电站过程总线,从保护对数据共享需求角度出发,评估“面向间隔”、“面向位置”设置时的通信特性,分析讨论“面向功能”设置过程总线时存在的通信问题及其解决方案。
1 智能配电变电站结构和过程层信息共享通信特性需求
1.1 配电变电站典型一次设备和通信拓扑结构
图1所示为典型35 kV变电站主接线图。
35 kV单母线分段运行,配备有载调压变压器2台;2路进线一主一备;10 kV单母线分段,每段母线各有5条馈线,馈线以接负荷为主。但是,随着DG的快速发展,DG经馈线接入10 kV母线的模式也越来越多。
考虑到通信可靠性,目前变电站通信网络主要采用过程总线和站级总线分离的组网方式[5],如图2所示。图中,给出了过程层交换机可能存在的星形、环形、总线形组网结构,P&C为保护测控单元,MU为合并单元,ICB为智能断路器。为了简化,只画出了星形网络结构与站级总线交换机的通信链接。
1.2 过程层信息共享通信特性需求
如图1所示,传统微机保护功能的实现主要是面向间隔来构建,保护之间的数据通信也仅限于跳闸闭锁信号等。但也有跨间隔构建保护的特例,主要目的在于提高选择性(例如分布式母线保护[7])、速动性(基于本地信息的系统保护[8])和可靠性(非全相运行下的负序方向纵联保护[9])等。因此,从继电保护角度,按照对过程总线通信性能要求最高的分布式母线保护来配置:通信需求同一电压等级所有进出线的采样值(SAV)信息共享;不同电压等级(近后备保护范围内)的通用面向对象变电站事件(GOOSE)报文快速共享。
间歇性DG并网使配电变电站由传统的简单地按轮次低压、低频减载的控制模式,变成主动稳定可靠的微网运行控制模式,使切机、切负荷等安全稳定控制要求更加精细化和快速,自然需要整个配电变电站高压输入和馈线输出全部间隔的监控信息[10]。从通信角度,需要整个过程层高、低压侧所有进线、出线SAV信息和GOOSE快速报文的共享。
文献分析及现场运行经验表明[11],采用冗余星形拓扑结构具备最佳的整体网络通信实时性和良好的运行可靠性。因此,以下将基于星形网络结构,从实时性角度分析配电变电站过程总线SAV和GOOSE信息的快速共享特性。
2 智能配电变电站过程层通信网络特性分析评估
基于OPNET Modeler仿真软件,从“多间隔SAV数据共享(面向基本集成保护)”和“多间隔SAV数据共享与GOOSE报文快速共享在同一网络中混合发送(面向集成保护控制)”2个角度进行仿真分析。仿真选用Ethernet_station_adv模型模拟P&C,MU和ICB,数据链路以100 Mbit/s网络为主,同时也对比分析1 000 Mbit/s网络的运行优势。MU发送长度为123字节的SAV报文,其优先级高于GOOSE开入报文;过程层总线上的所有P&C均接收所有MU和ICB发来的信息报文。仿真采用虚拟局域网(VLAN)和广播技术实现多播发送机制。
2.1 考虑SAV数据共享的面向间隔组网的过程总线特性仿真
按照面向间隔的过程总线组网原则,将变电站过程总线分为3类子网,如图3所示。
1)14个线路间隔子网:
包括2条35 kV进线、10条10 kV馈线以及35 kV和10 kV母联间隔。每个过程总线子网包括该线路的MU、ICB、P&C和1台交换机。
2)2个变压器间隔子网:
每个变压器间隔子网包括高、低压侧的2个MU、2个ICB、2个P&C和1台交换机。
3)2个母线保护子网:
35 kV(10 kV)母线保护子网由35 kV(10 kV)母线保护装置通过一个主交换机与35 kV(10 kV)母联间隔以及35 kV(10 kV)进线间隔交换机相连构成。
一台过程层中心交换机链接所有过程总线子网交换机构成星形拓扑结构。理论上,实时稳定的网络流量要满足以下条件:
式中:fS为采样频率;LT为报文最大长度;n为所能连接的最大可能的间隔数;BN为网络带宽。
基于图3模型,以保证网络通信实时性(网络端对端通信时延小于4 ms)和可靠性(丢包率为0)为目标,分别仿真分析满足SAV数据共享需求的最大采样率(每周期采样点数)和最大间隔数;并基于Excel软件统计分析两者之间的函数特性,如图4所示,图中横坐标采用对数坐标。
只要网络流量位于运行范围内,当各个间隔报文长度相同时,能实现数据共享的最大间隔数与单间隔信号采样率近似成反比。如图4(a)所示,间隔数与采样率之间的函数关系拟合曲线为:
式中:y为最大共享间隔数;x为采样率。
由图4可见,采样率为每周期80,200和400点时,能实现数据共享的最大间隔数分别为16,7和3路。图4也标注了各仿真案例的网络端对端时延,均小于等于0.32 ms。
当采样率上升至每周期1 000～1 553点时,过程层网络只能保证单间隔数据的实时传输;当采样率更高时,通信网络性能将严重阻塞。
对于1 000 Mbit/s网络,由于受交换机发包速率只有5×105包/s的限制,因此每个间隔的发包速率要满足:
可见,当采样率为每周期80,200和400点时,所能连接的最大可能间隔数分别为125,50和25路,显著低于理论上100 Mbit/s网络共享数据间隔数的10倍。根据图4(b)所示的函数拟合曲线特性,1 000 Mbit/s网络的共享数据间隔数仅为100 Mbit/s网络的6倍左右。
2.2 考虑SAV数据和GOOSE报文共享的面向位置组网的过程层特性分析
如图5所示,面向位置组网的过程总线模型包括:2条35 kV进线及母联MU,ICB和P&C连接在一台交换机上,组成一个子网;10条10 kV馈线和母联MU,ICB和P&C连接在另一台交换机上,组成另一个子网;每个变压器间隔分别组成一个子网,4个子网交换机连接到一台中心交换机上,构成星形拓扑结构。
目前的配电变电站过程层总线,GOOSE快速报文一般指从ICB向P&C发送的开关状态和动作信息。类似于跨间隔SAV信息的共享,GOOSE开入信息的跨间隔共享也具有重要意义,例如对于有效识别相邻线路跳闸导致的负荷转移(见南瑞集团公司NS3000数字化变电站产品说明书)。因此,基于面向位置的组网结构,分别仿真“仅有MU发送SAV数据共享”、“SAV数据+ICB的GOOSE报文(开入)在同一网络中混合发送”的最大间隔数和端对端时延特性。考虑到实际ICB的GOOSE报文的处理能力,仿真中GOOSE开入报文的发送周期为2 ms,报文长度为47个字节,其中包含5个开关量状态字节。
同时,仿真也增加比对了“SAV数据+ICB的GOOSE报文(开入)+P&C的GOOSE报文(开出)在同一网络中混合发送”模式下的网络特性。这种模式强调了P&C的GOOSE连续开出特性(以2 ms为发送周期),有别于传统P&C的GOOSE间歇式开出特性(例如首次发送后1 ms,2 ms,4 ms重发机制);而且发送模式也不是传统的端对端模式(单一P&C对同一间隔ICB模式),而是采用广播或多播模式(单一P&C对同一过程总线上的其他所有P&C)。
分析这种GOOSE报文共享模式的主要目的是期望进一步挖掘P&C的数据共享能力。既然基于过程总线数据共享,只要能够保证数据共享的实时性,保护与测控单元之间完全可以不受传统P&C开出节点数量的限制,可以实现更多GOOSE开出报文的共享。这种优势可将GOOSE开出报文传输从传统的跳闸、重合闸、闭锁等保护判断结果信息扩展至P&C在故障数据分析处理流程中产生的保护启动、故障选线、故障选相、振荡闭锁等多种信息,从而更加有助于实现集成保护整体性能的提升。
3种仿真案例结果如表1和表2所示。
在增加了GOOSE开入和开出快速报文共享后,可实现最大共享间隔数有所下降。例如:采样率为每周期40点时,从38路间隔下降为33,30路间隔;采样率为每周期80点时,共享间隔数也依次减少了1路。但是,对于高采样率(10 kHz以上),由于跨间隔SAV数据共享下空余频带的余度较大,因此,能够在不减少共享采样间隔的前提下,实现对GOOSE快速报文共享的兼容。
2.3 讨论
由以上算例仿真可见,面向间隔和面向位置构建的过程层网络数据共享实时特性基本相同。主要原因是,在这2种模式下,任意间隔单元订阅其他间隔信息时,数据经过的交换机数量一致。时延特性或者说整个过程层通信网络的数据共享特性,主要取决于交换机的性能和数量。
传统面向间隔的保护配置理念,决定了传统变电站过程层通信网络的配置也着重强调直接链接P&C,MU,ICB的交换机的性能,例如采用实时双重化配置、运行的模式。而从过程层数据共享角度,链接各间隔交换机或各位置交换机的中心交换机的性能将更加重要。
虽然根据表1给出的仿真结果,当采样率为每周期80点时,100 Mbit/s网络能够保证接近20路间隔数据的实时共享。但是,还存在如下问题:
1)如果采样率进一步提高,例如传统的暂态、行波信号的典型采样率(1 MHz左右),报文总量超过子网交换机或中心交换机的处理能力时,交换机将成为信息共享的瓶颈。
2)从通信角度,提高集成保护的选择性和灵敏性与提高可靠性和实时性相矛盾,需要有效平衡。
解决以上问题的核心是需要确定跨间隔集成保护控制系统的具体核心功能是什么以及对通信系统的具体要求。因此,后续研究有必要从面向功能的角度进一步分析:
1)从跨间隔集成保护控制的具体功能出发,确定不同功能要求的信息间隔数和最高频带;针对超出交换机容量的高采样率信号,利用保护控制功能需求分析信息的相关性,实现低通信量的故障信息完整表达。
2)从面向站域功能角度,分析最佳信息共享网络方案,构建满足高度实时性、可靠性的通信网络。
3 结语
本文针对智能配电变电站过程层跨间隔数据共享的需求,从保护控制算法的本身需求出发,提出了过程层数据总线存在的MU发SAV数据、ICB的GOOSE开入、P&C持续GOOSE开出信息共享3种模式,仿真给出了可能的数据共享最大间隔数与采样率的函数关系。仿真结果表明,100 Mbit/s网络下,面向间隔和面向位置的过程层组网方式基本能够满足低采样率下的数据共享,主要时延和数据共享限制取决于交换机的性能。后续需面向功能进一步分析全频带信息的数据共享,以及最佳的过程层保护用跨间隔通信共享拓扑结构。
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智能家居总线分析 篇2
关键词：现场总线,智能仪表,核电厂,DCS
现场总线技术具有智能化、互操作性、多站点、双向通信等优点。在科技不断发展的推动下,现场总线技术与智能仪表仪器应用在核电厂中取得了明显的效果。其相关理论不断完善、可靠性不断提高,为在不同领域中的普及奠定了坚实的基础。
1 总线设备和DCS接口的分析和应用
1.1 总线设备和DCS硬件接口的分析
现场总线和智能仪表与核电厂DCS系统通信的实现需借助专门的硬件设备和相关的通信协议。其中,总线智能设备包括Modbus、HART、FF等。
Modbus总线智能设备和核电厂DCS系统的通信基于国家GB29618.315以及国际IEC61784.2标准,要求一个Modbus主站有从站的个数最多为247个,主从之间的通信基于Modbus协议。为了提高Modbus总线的抗干扰能力和可靠性,采用信号隔离光耦和隔离电源实现了对电气的隔离。系统中中压开关是较为重要的设备,其借助硬接线实现与DCS输出、输入模块的连接。在工作中,为了达到诊断及在线监视中压开关设备的目的,通过光缆及Modbus-TCP网关实现了状态监视信号向DCS系统的传输。
HART总线设备和DCS硬件接口基于GB 29910.1~GB29910.6国家标准规定的HART协议实现通信。协议中,控制信息与变量经4~20 m ADC进行传输。同时,通过该协议可实现对诊断信息、设备组态、过程参数等内容的访问。智能执行机构与总线型智能仪表常应用于核电厂中,其中,使用智能仪表时需要对DCS进行配置,使其具有HART通信功能,实现远程整定、过程优化以及在线故障诊断等功能。智能执行机构由智能电液阀、气动调节阀以及电动调节阀构成。电液阀HART协议和4~20 m ADC控制信号进行叠加,阀体上就绪信号、开关状态等借助硬接线和DCS输入模块相连。气动调节阀数字定位器通过两根硬接线连接在DCS输出模块,并进行HART阀位反馈信号、4~20 m ADC控制信号的传输。通过硬接线将行程开关的状态信息传输给DCS。电动调节阀的协议同样可与4~20 m ADC控制信号叠加,依据ART协议将阀位反馈信号反向传输给DCS系统。
FF现场总线智能仪表优点明显,不仅连接方便,且可进行远程校准,具有较强的抗干扰能力。IEC61158国际标准将FF现场总线分成高速、低速两种情况,传输速率分别为2.5 MB/s、1 MB/s、31.25 KB/s。此外,FF智能仪表电源可通过场外提供,还可由FF总线提供,实践中应考虑使用FF总线模块提供电源。
1.2 总线设备和DCS软件接口的应用
现场总线智能仪表和智能执行机构的正常工作不仅需要硬件支撑,还需要对软件进行合理配置。配置软件时,应重点考虑通信要求、通信协议、寄存器地址、设备地址等内容,尤其应注重通信协议版本的一致性,使现场总线反馈信息及时显示在DCS系统画面上,提醒工作人员及时处理出现的异常情况。
2 现场总线网络系统设计及实施注意事项
为了保证现场总线和智能仪表在核电厂稳定工作,应对其进行合理设计,并注意实施细节,尤其应注重考虑以下4方面的内容。
2.1 注重智能仪表选型
核电厂应用的现场总线设备类型较多,比如中压电气设备、变频器、电动机控制器、分析仪表、电磁流量计等。为了保证核电厂的正常运行,应确保这些设备具有可靠、稳定的工作性能。因此,在选择设备时,应选择实力雄厚厂家提供的产品,并注重对设备质量和性能检验,满足相关要求后才允许应用。
2.2 合理分配总线网段
现场总线设备信息传输通常共享一根电缆。一旦网关和主干电缆出现故障,则会导致信息传输失败,对核电厂的安全运行造成威胁。因此,控制器、电源、总线网段均应注重冗余设计,从而提高系统工作的稳定性。此外,深入分析电缆长度、仪表位置、智能型号等内容,在此基础上对总线网段进行合理分配。通常要求不能在总线网段分配太多的控制回路,从而使现场总线网络的可靠性进一步提高。
2.3 考虑通信接口兼容
为了保证现场总线各职能设备正常工作,要求智能设备具备与DCS配置相同的通信协议,或安装能与DCS进行通信的转化模块。因此,安装智能设备时应将样品提供给DCS供应商,对现场总线智能设备的兼容性进行测试,尤其应对低压开关柜、马达控制器、电动执行机构等进行兼容性测试,保证设备接口间的兼容性。
2.4 把握设备安装细节
为了确保现场总线智能设备正常工作,降低故障发生率,应严格按照规范标准安装,把握安装细节,提高安装质量。具体而言,应分析现场总线电缆和动力电缆的位置,两者无法平行敷设,且其之间的距离应满足规范要求,电缆屏蔽层接地应可靠;现场总线电缆应在带盖电缆托盘中敷设,最长敷设长度应满足要求;核电厂中辐射性价比较高的位置不能采用现场总线方式通信,避免辐射对相关设备造成不良影响;安装完成后,应进行试运行,做好充分的调试工作,及时处理安装中出现的不良问题,结合智能仪表的工作状况进行适当改进,确保设备的工作性能达到最佳,为现场总线智能设备的正常工作做好铺垫。
3 结束语
现场总线和智能仪表在核电厂中的应用涉及很多专业知识,需要考虑和核电厂DCS接口的兼容性,尤其应保证所用设备和DCS使用相同版本的通信协议。为了保证设备的正常工作,还应进行合理设计,把握施工细节,严格按照相关规范标准进行施工,不断提高核电厂的管理、运营水平。
参考文献
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智能家居总线分析 篇3
随着科技的迅猛发展,人类进入了以数字和网络为平台的智能社会。智能建筑是建筑信息与电子等现代技术完美结合的产物,家居智能化是智能建筑中最基本的内容,智能化的家居为住户提供了安全、舒适、方便、信息化的生活空间。
智能家居控制系统集住宅设备控制及环境监控于一体,提供全方位的信息交换功能,系统集成了家电设备控制、灯光控制、安防监控、环境监控等功能。
KNX总线是被正式批准的智能楼宇控制领域的开放式国际标准,KNX总线已被广泛应用到楼宇自动化领域。
本文以KNX总线技术作为研究对象,将KNX总线技术应用到家居控制中,如对家电、灯光、窗帘、安防等设备进行控制,改变传统的控制方式,建立起了管控有利、布线简洁、扩展性强的控制系统,在节约能源的同时,为住户提供舒适、便捷的生活环境。
1 KNX总线
1. 1 KNX总线概述
目前,在楼宇自动化领域,KNX标准是唯一符合国际标准ISO / IEC 14543 和欧洲标准EN 500990、CE 13321 要求的开放式国际标准[1]。
上世纪九十年代初,人们对楼宇自控系统的安全性、灵活性和实用性以及节能方面提出了新的需求,促进了欧洲安装总线EIB( European Installation Bus) 通信协议、法国Batibus技术的发展,同时,欧洲家用电器协会( EHSA) 也对家用电器的网络通信规定了EHS协议。1997 年这三个协议的管理机构联合成立了KNX协会,在以上三个协议的基础上制定了KNX总线标准。
KNX总线标准中总线元件分有三类: 总线设备、控制设备和执行器。总线设备主要是支撑总线正常运行的基础设备,有电源、双绞线、网关、网桥等。控制设备主要是发送控制指令,如控制面板、传感器、集中控制器等。执行器主要负责接收控制设备发出的信号并执行相应的操作[1]15,如开、闭灯具以及调节灯光的亮度; 开、闭窗帘以及百叶窗; 开、闭空调风机以及调节热水阀门等。执行器设备主要有如开关执行器、调光器、窗帘控制器等。
采用KNX总线的电气安装系统和传统的电气安装系统比较有很大的区别,采用KNX总线的电气控制系统中控制设备和执行器采用总线相连,这样可以实现独立操作,也可跨区域操作,执行器受控于多个传感器,驱动与传感器之间的逻辑关系可随时被修改,开关的状态可被显示,从而实现智能化控制功能。
1. 2 拓扑结构
系统中当使用总线电缆TP1 作为通信介质时,KNX系统采用分层结构,分为域( area) 和线路( line) ,单域KNX系统如图2所示。
线路是KNX系统的最小结构单元,每条线路最多包括4 个线段( line segment) ,每个线段最多可连接64 台设备( PTC) 。一般情况下,有15 条线路分别经过线路耦合器( LC) 与主线路相连接,组成一个域( AC) 。主线路最多可以直接连接64 台设备,主线路中如果接了线路耦合器,与之直接相连的设备台数就要减少。
一个系统最多包括15 个域,这样理论上一个KNX系统可以连接58 000 多台总线设备。主干耦合器、线路耦合器和线路中继器实际上都是同样的设备,只是由于安装在网络中不同的位置,因此被赋予不同的物理地址,加载不同的应用程序,起到不同的作用[1]9。
一条线路中设备之间距离是有限制的,电源与总线设备之间最大距离350 m,两个电源之间的最小距离200 m,两个总线设备之间的最大距离700 m,如果一个线段通过线路中继器( LR) 扩展连接另外一个线段,那么这个线段也可以达到1 000 m。
一个系统划成域和线路有很多优点: 提高了系统的可靠性;由于每个域和每个线路分别配KNX电源,这种电气的隔离使得系统的某个部分出现故障时,其他部分仍能继续工作; 一个线路或一个域内的数据通信不会影响到其它范围的通信; 在进行调试、排除故障和维护时,系统的结构功、能非常清晰。
1. 3 物理地址
物理地址用于识别总线设备,也可以反应总线设备的拓扑位置。物理地址由16 位bit组成,物理地址包含三个部分,即区域、线路、总线设备组成[1]21。如图1 所示。
在系统中每个总线设备可以通过调试软件ETS分配一个唯一的物理地址,物理地址赋予每个设备一个名字,该地址由域、线、设备三部分组成。如图2中LC1中PTC1物理地址为1.1.1,域为1即AC1,线为1,即LC1;设备为1,即PTC1。
1. 4 群组地址
群组地址可以有三层表示,如X/Y/Z。X的取值范围为0~15,Y的取值范围0~7,Z的取值范围1~255。也可以有两层表示,如X/Y。X的取值范围0~15,Y的取值范围1~2 047。在控制系统中,关联了相同群组地址(Group address)的设备对象可以实现相互通讯与控制[1]。如图3中LC1中的PTC2和LC15中的PTC64有相同的组地址1/0/7,则这两个设备可以通过总线进行通讯,如果PTC2是控制设备智能面板,PTC64是执行设备灯光驱动器,那么按下PTC2智能面板,则PTC64灯光驱动器所驱动的灯就点亮。LC1中的PTC1、PTC4、PTC64以及LC15中的PTC1则通过组地址1/0/10进行相互通讯。同一个对象可以链接到几个组地址中,如LC1中的PTC4有两个组地址3/0/1和1/0/10,不同对象可以在相同组地址中,如LC1中的PTC1、PTC4、PTC64以及LC15中的PTC1都有相同的组地址1/0/10。
2 智能家居控制要求
ABB i - busKNX系统采用KNX总线标准,系统所有产品均为ABB德国制造。ABB开发、生产i - bus系统已有20 年的历史,产品种类全,技术成熟,已被广泛应用在住宅中,它通过一条总线将各个分散的元件连接起来,总线电缆采用符合EIB标准的4 芯屏蔽双绞线,各个元件均为智能化模块,这样通过电脑编程、下载程序,各个元件既可独立完成控制工作,又可根据不同要求进行组合,从而实现不增加元件数量而使功能倍增的效果。
ABB i - busKNX系统的主要控制功能有: 灯光控制、电动窗帘控制、温度控制( 例如风机盘管/地加热/暖气片) 、AV控制( 例如投影仪/电视机/ DVD) 、家居安防控制、系统信号监视、中央控制等。
ABB i - busKNX系统主要由智能面板开关和执行模块两部分组成,智能面板开关一般安装在卧室、餐厅、客厅、书房、视听室、厨房及卫生间中,智能面板控制灯光开关、调光、电动窗帘、空调等,执行模块则安装在标准的照明控制箱中,负责执行面板开关发出的命令,对灯光、窗帘等进行控制[2]。
ABB i - busKNX系统各种元件功能如表1 所示。
ABB i - busKNX智能家居控制系统的控制方式有: 现场控制面板; 定时控制; 光感控制; 人体感应控制; 触摸屏中央控制; 红外线遥控; 电话遥控; Internet控制,并对家中的情况进行监视[3]。
本文主要介绍灯光、窗帘、AV的控制,用一个三联开关进行灯光、场景的控制,两个三联开关进行窗帘控制,一个五联开关进行调光灯的控制,触摸屏进行灯光、窗帘、电器的控制。主要元件的控制要求如表2 所示。表中输出表示驱动器的输出端,键位表示的是开关面板第几联,以及左键位还是右键位。
3 智能家居整体控制系统网络拓补
根据控制要求,设计整体控制系统网络拓补图。网络拓扑图有线型、星型、树型结构,本文采用线型结构[4]。图4 为网络拓补图,图中各元器件通过i_bus总线相连,电器控制采用红外控制,红外发射器使用和ABB i - bus总线兼容的泰创产品。控制系统采用总线控制,每个元件都需要分配一个地址,分配原则见1. 3的内容,具体分配方法见图4 所示,各元件的功能如表1 所示,各元器件的通讯通过组地址进行。系统中各元器件接线简单,图4中仅画出灯光驱动器的接线图,其余元器件接线图省略。
4 智能家居控制系统组地址分配
根据控制要求,分配组地址,分配原则参考1. 4 的内容,本文群组地址为三层,主群组有两个,灯光场景控制和电器控制,灯光场景控制中有6 个中间组,又有相应的子组,主要群组地址分配方法示例如表3 所示[5],其中场景和联动部分组地址省略。
5 编程、属性设置及组地址关联
利用ETS调试软件进行项目的调试,目前,最新版本为ETS4. 0,本文中采用ETS3. 0 调试软件。打开调试软件,设立一个新的项目如南通,分别导入相应的驱动数据库,在新支线下插入各功能元件如图6 中左侧所示,并进行相应参数的设置,建立群组地址如图5 所示,并进行关联,图6 中右侧所示为1. 1. 10 智能面板关联地址,其余元件按照要求进行关联,主要对象功能关联地址如表2 所示,关联了相同的组地址的元件就可以进行通讯,操作面板发出指令,执行器执行命令,相应灯和窗帘并按指令动作。关联结束后下载程序进行调试和验证,功能正常,才能满足要求。
触摸屏的编程,需将语言设置成中文,设置页面有效以及页面上按钮数量以及功能,并关联组地址,生成* . pid文件,通过触摸屏SD卡读入程序,并可进行调试。
电器的控制,要通过红外学习软件,进行红外代码的学习,并保存和下载到红外发射器中,进行调试。
安防系统的启动,通过干接点模块开启灯光报警以及安防报警模块进行电话报警。
远程网络控制,先设置TG/S3. 2 模块,对需要控制的对象进行关联。
6 结束语
该控制系统构成灵活,智能家居控制系统可由各个区域子系统组合而成的,可以根据需要,减少或者增加子系统,以满足需求。操作管理便捷,智能家居控制的设备可以通过手机、电脑、触摸屏、电话进行操作,非常方便。场景控制功能丰富,可以设置各种控制模式,如离家模式、回家模式、下雨模式、生日模式、宴会模式、节能模式等,极大满足生活品质的需求。安装、调试方便,可以快速安装和升级控制系统。
参考文献
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[4]秦皓羽.KNX i-bus总线系统及其浦东机场二号航站楼智能灯光控制项目的应用[D].上海:上海交通大学,2011.
基于IIC总线智能测温系统设计 篇4
1 硬件构建
1.1 系统架构
本文以单片机主从多机通信结构为核心系统。主机控制多个作为从机的单片机, 通过主机和从机通信, 实现整个温控系统显示和控制, 组成分布式智能温控系统, 而每个从单片机可以控制多个数字温度传感器DSl8B20采集特定位置温度。
如果需要和PC机进行通信, 由主机和PC机连接, 借助“VC”、“.Net”等编程工具编制通信操作界面。因为单片机I/O是TTL电平, 而PC采用RS-232通信方式, 所以主机和PC机连接时可以采用MC1488、MC1489和MAX232等进行电平转换。
1.2 DSl8B20温度传感器[2]
DSl8B20是美国Dallas公司在传统温度传感器DSl820基础上, 推出的一种增强型数字温度传感器, 可把模拟的温度信号直接转换成串行数字信号供计算机处理。
2 软件系统设计
2.1 IIC数据总线通信原理[3]
IIC总线线路是由串行数据线SDA和串行时钟线SCL构成的, 用于数据的发送和接收。单片机与DS18B20温度传感器的IIC通信协议如下
起始和终止信号:SCL线为高电平期间, SDA线由高电平向低电平的变化表示开始传输信号;SDA线由低电平向高电平的变化表示结束数据传送。
信号的反馈:单片机在接收到DS18B20发送的8bite数据后, 作出应答并发射特定的低电平脉冲。在接收到DS18B20发射的应答信号后, 依据对实际情况的判定作出是否继续传递信号。
2.2 IIC总线通信原理[4]
采用模拟传输技术编写软件可以使51单片机实现IIC总线通信。其起始信号和停止信号的发送核心代码如图1所示。
2.3 流程设计
本系统软件设计部分较为简单, 单片机与DS18B20温度传感器的I-IC通信软件流程如图2所示。单片机与DS18B20温度传感器的IIC通信软件流程主要包括如下3个部分: (1) 初始化。系统上电后, 信号线上的DSl8B20在接收到数据线传输过来的特定时序的负脉冲时就复位, 并开始接收用户的序列号访问命令。 (2) 序列号访问命令传送。挂接在信号线上的所有DSl8B20芯片通过与由单片机发送过来的64位序列号编码进行匹配, 只有编码匹配一致的DSl8B20才被激活, 进而接收内存访问命令。 (3) 内存访问命令的传输。匹配好特定的DSl8B20芯片后, 内存访问命令便可传送给单片机, 进行温度数据的转换.并对温度报警上下限进行特定设置。在传输时钟信号的严格控制下, 循环执行上述操作。从而实现对多条I/0数据线上多个DSl8B20所采集的温度数据进行轮询、转换和显示工作。
3 结论
本文着眼现代温度测量系统的新要求, 结合DSl8B20的新特性, 提出了一种基于智能数字温度传感器DSl8820的数字化、网络化、高精度的多点温度测量系统设计方案, 在实际生产的多温度检测系统中应用前景非常广阔。
参考文献
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[2]刘华东.单片机原理与应用 (第二版) [M].北京:电子工业出版社, 2008:123-128.
[3]张志良.单片机原理与控制技术 (第二版) [M].北京:机械工业出版社, 2007:194-202.
智能家居总线分析 篇5
本章讲述了现场总线的发展和特点, 并简要介绍了世界上流行的几种现场总线标准。
1.1 现场总线概述
现场总线是 (Fieldbus) 是80年代末、90年代初国际上发展形成, 应用在生产现场的, 在测量控制设备之间实现双向、串行、多点通信的数字通信系统。基于现场总线的控制系统被称为现场总线控制系统。这项以智能传感、自动控制、计算机、数字通信为主要内容的综合技术, 已经受到世界范围的关注而成为自动化技术发展的热点, 并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革。就现场总线一词的含义而言, 现场是指工作环境处于过程设备底层一端, 而总线则意味着须遵循同一技术规范的连线系统, 意味着这些遵守同一规范的各设备间可实现互连与互操作。作为工厂设备级基础通信网络, 要求具有协议简单、容错能力强、安全性好、成本低的特点;具有一定的时间确定性和较高的实时性要求;还具有网络负载稳定、多为短帧传送、信息交换频繁等特点。因而, 现场总线从网络结构到通信技术, 都具有不同于上层高速数据通信网的特点。
1.2 现场总线的技术特点
(1) 系统的开放性
开放系统是指通信协议公开, 允许不同厂家的设备之间可进行互连并实现信息交换。现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统。这里的开放是指相关标准的一致性、公开性, 强调对标准的共识与遵从。一个开放的系统可以与任何遵守相同标准的其它设备或系统相连。一个具有总线功能的现场总线网络, 其系统必须是开放的, 它把系统集成的权利交给了用户。用户可以按照自己的需要和考虑, 把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。
(2) 互可操作性与互用性
这里的互可操作性, 是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通, 可实行点对点、一点对多点的数字通信。而互用性则意味着对不同厂家生产的性能类似的设备, 可进行互换而实现互用。
(3) 现场设备的智能化与功能自治性
它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成, 仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能, 并可随时诊断设备的运行状态。
(4) 系统结构的高度分散性
现场设备本身可完成自动控制的基本功能, 导致现场总线已构成一种新的全分布式控制系统的体系结构。从根本上改变了现有DCS集中与分散相结合的集散控制系统体系, 简化了系统结构, 提高了可靠性。
(5) 对现场环境的适应性
工作在现场设备前端, 作为工厂网络底层的现场总线, 是专为现场环境工作而设计的, 它支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线等, 具有较强的抗干扰能力, 能采用两线制实现送电与通信, 并可满足安全防爆要求等。
由于现场总线的上述特点, 特别是现场总线系统结构的简化, 使控制系统的设计、安装、投运到正常生产运行及其检修维护, 都体现出如下优越性:
·节省硬件数量与投资
·节省安装费用
·节省维护开销
·用户具有高度的系统集成主动权
·提高了系统的准确性与可靠性
·设计简单, 易于重构
1.3 现场总线的网络结构
现场总线的网络拓扑结构有环型、总线型、树型以及几种类型的混合。
环型拓扑结构中以令牌环型网最为典型, 其优点是时延性较好, 缺点是成本较高。
总线网的优点是站点接入方便, 可扩展性较好, 成本较低, 在轻负载的网络上几乎没有时延, 但在站点较多、通信任务繁重时, 延时明显加大。缺点是时延的不确定性, 对某些实时性要求较高的系统应用不利。
树型结构具有重要的意义, 因为对于复杂的网络, 这种结构可以分为不同的层次, 用不同的功能来, 满足不同的要求。缺点是站点间通信不太方便。
综上所述, 总线网的争用使它不适于实时处理某些突发事件;令牌环型网中的令牌绕环一周的时间虽然有一个上限, 但在轻负载时性能不太好, 可靠性比总线网差些。综合这两种拓扑结构的优点, 在现场总线中一般采用令牌总线网, 即在物理上是一个总线网, 在逻辑上是一个令牌网。令牌总线网具有总线网接入方便、可靠性好的优点, 也具有令牌环网时延性好的优点。
1.4 现场总线的数据操作方式
从现场总线的数据存取、传送、操作方式来分, 有对等 (Peer to Peer) 、主从 (Master/Slave) 、客户机/服务器 (Client/Server) 及网络计算结构 (Network Computing Architecture, NCA) 等四种工作方式。其中对等和主从工作方式发展较早, 已经获得广泛应用。C/S方式是在80年代发展起来的, 而NCA方式则是90年代新出现的。
在C/S工作方式中, 由客户机发出一个请求, 按请求进程的要求, 服务器作出响应, 执行服务。C/S工作方式的优点主要有:
客户机和服务器可处在同一个网络节点中, 一个客户机可以同时又是另一个客户机的服务器, 并向它请求服务。
C/S工作方式将处理功能分为两部分, 一部分由客户机处理, 另一部分由服务器处理, 客户机承担应用方面的专门任务, 服务器主要用于数据处理, C/S方式提供了一个较理想的分布环境, 消除了不必要的网络传输负担, 这样有利于全面发挥各自的计算能力, 提高工作效率。
NCA是基于网络计算机环境的一种体系结构, 即网络计算结构。
NCA的核心是有效的、可集成多种相互竞争的世界标准所形成的应用, 如站点可采用任意编程语言而不必担心集成问题;NCA引入构件概念, 插入一个构件, 就可扩展一种功能, NCA中有类似硬件总线的软件总线, 把构件插接在应用系统中, 就可完成应用功能的集成;NCA全面引入面向对象技术, 可以把已有的、不同部分独立开发的、遵循不同标准的对象组装在一起, 从而实现整体应用。
1.5 典型现场总线简介
这里, 介绍目前比较流行的几种现场总线技术特点。
(1) InterBus
Inter Bus是一种器件级现场总线, 由德国一家中小型企业Phoenix Contact公司研究和开发, 在1987年正式公布, 1996年成为DIN19825标准, 1998年成为EN50254欧洲标准, 目前已成为IEC61158国际标准, 是国际上应用广泛的现场总线之一。它快速、准确 (令牌传送、环型拓扑) , 最多可以连接512个远程节点, 每段距离为400米。Inter Bus也允许次级有10米的回路环, 在这些本地总线中, 远程和本地可应用相同的芯片, 但接点不能相互交换数据。
(2) ProfiBus
Profi Bus是由德国研究单位、科技部门等于1989年联合开发的现场总线通信规范。其中, Profi Bus-FMS是对等通信任务的通用解决方案;Profi Bus-DP用于工业自动化系统的高速数据传送;Profi Bus-PA常用于过程自动化。Profi Bus-DP是欧洲标准EN50170。
(3) WorldFIP
World FIP是全功能生产者/消费者的现场总线。1987年由一个多用户工业集团EXWRA开始研制开发FIP, 后改称World FIP。它是欧洲标准EN50170, 由国际非盈利的World FIP协会支持。World FIP由由一个集中化总线促裁器 (由多种冗余) 控制网络的访问权。这种结构保证循环时间和临界的交通, 对时间和信息配置有空余的时间。World FIP采用生产者/消费者模型, 是确定性网络。
(4) Foundation Field Bus
Foundation Field Bus (简称FF) 是现场总线基金会制定的现场总线标准, 1999年底成为国际标准IEC61158中的8种现场总线之一。它是一个全数字、串行、双向通信协议, 能互联传感器、执行器和控制器等。在工厂叠层网络中FF是现场数字网络, 基于ISO/OSI的7层通信模型, 仍保留4~20m A模拟量系统特点, 经标准化的物理接口RS-485连接到总线, 在两导线中提供电源和信号, 能应用于本质安全区域。
表1列出了部分现场总线的技术特点。这些总线标准各有其特点, 也各有其应用侧重点。其他一些工业上常用的总线系统虽尚未形成标准, 但已占有一定的市场份额。
虽然各种现场总线标准都有多家控制系统厂家支持, 但目前现场总线的过程仪表主要集中于Foundation Field Bus和Profi Bus-PA标准, 而现场总线的电气设备主要集中于Profi Bus-DP、Device Net及Inter Bus等技术标准。近年来各控制系统得厂商已逐步将自己控制系统的现场网络控制站及系统软件开放, 可挂接多种标准总线及相应的总线设备, 因此各种现场总线标准的应用已在不断渗透, 应用范围也在不断拓宽。
第2章Lon Works现场总线技术
2.1 概况
Lon Works技术是美国Echelon公司于90年代初推出的一种现场总线技术, LON (Local Operating Network) 的意思为局部操作网络, 它是用于开发监控网络系统的一个完整的技术平台, 并具有现场总线技术的一切特点, Lon Works网络系统由智能节点组成, 每个智能节点可具有多种形式的I/O功能, 节点之间可通过不同的传输介质进行通信, 并遵守ISO/OSI的七层模型, Lon Works技术包括监控网络的设计、开发、安装和调试等一整套方法, 及多种专用的硬件设备和软件程序。
Echelon公司于90年代初在美国推出Lon Works技术后即引起轰动。随后Lon Works技术的用户。系统集成商和OEM产品生产商的队伍迅速扩大, 其中包括世界上许多有名的自动化厂商如Honeywell、Johnsen Control、ABB、Philips、Yokogawa、HP等。截止到1997年的统计, 已有2500家生产厂商生产和使用Lon Works产品, 其中30%~40%应用在工业上面。在建筑业中, Lon Works协议中的介质访问控制层 (MAC层) , 即七层协议中的第一、第二层已被美国供暖、空调和制冷工程师学会 (ASHRAE) 接纳为建筑自动化控制网络 (BACnet) 的标准。同时也被美国国家标准协会 (ANSI) 制订的有关标准所采纳。在欧洲, Lon Works协议被认为是欧洲标准CEN TC247和CEN TC205的一部分。
Lon Works技术主要包括几方面内容:Neuron芯片、Lon Talk通信协议、Lon Builder和Node Builder开发工具、Lon Works技术的其它系列产品 (收发器、路由器、串行Lon Talk适配卡、控制模块) 。此外, 还有多种网络安装、管理、分析的服务性软件产品, 同时还有一些设计方法和规定, 如“Lon Works设备硬件设计中电磁兼容性 (EMC) 的准则及方法”等。
Lon Works现场总线智能节点就是以Lon Works技术为基础, 以Neuron芯片为核心的可编程及可组网的现场智能设备。这种智能设备一方面与现场的传感器、执行器相连, 另一方面与Lon Works控制网络相连, 是现场设备与Lon Works控制网络之间的一座桥梁。若干个Lon Works智能节点可以组成一个分布式的Lon Works控制网络, 因此可以说Lon Works智能节点是Lon Works控制网络的基本组成部分, 没有Lon Works智能节点就不可能组成Lon Works控制网络。
在与现场设备相连方面, 由于Neuron芯片及Neuron C语言己经定义好34种1/0对象[如:位对象、字节对象、串行对象、并行对象等) , 智能节点可以与多种现场设备相连, 而且硬件设计与软件设计变得相对容易。在与Lon Works控制网络进行通信方面, 因为Neuron芯片中已经固化了网络通信协议中的六层, 开发人员不必过多考虑信息是如何在网络中传输的问题, 通过使用网络变量, 将信息传送到Lon Works控制网络中去是一件很容易的事。
通过采用Lon Works现场总线智能节点, 可以将整个系统的数据采集、控制、监测等功能彻底地分散到现场设备中。这样, 单个智能节点发生故障不会使整个系统陷于瘫痪.而且在Lon Works控制网络中, 可以实时地监视每一个智能节点的工作情况;一旦有智能节点发生故障, 可以在不影响其它智能节点正常工作的条件下在线地更换故障节点。
另外, 由于Lon Works现场总线技术是开放的, 不同厂家生产的Lon Works产品可以方便地组成一个Lon Works控制网络, 这就给用户提供了更大的选择余地, 也减小了某一厂家垄断Lon Works产品的可能性。
总之, Lon Works现场总线智能节点及Lon Works控制网络是一种低成本、高可靠性及易于开发和维护的新一代现场总线产品, 它的广泛使用势必提高整个控制领域的水平。
2.2 Lon Talk通信协议
2.2.1 概述
一般来说, 通信协议决定网络的几个节点之间如何交换数据。由于通信的透明性, 它应该与节点中所用的应用程序无关。
对用户数据交换, 应用程序中Lon Talk支持两种级别的通信项目:网络变量和显示消息。
Lon Talk为用户数据交换提供协议, 而且也为网络管理和诊断提供协议。由于采用网络管理和诊断协议, 网络组态可以和节点上运行的应用程序无关。网络管理和诊断指令协议基于会话层, 该层使用应用层的功能通过应用层接口的服务向应用程序进行通信。
OSI参考模型的所有七个水平和各相应层示于图2-1。每层所提供的服务可见于关键字。
各种通信介质因采用第1层协议而得到物理层的支持。每种介质要求特有的编码和仲裁方法。例如曼彻斯特微分编码用于双绞线, 展开谱调制 (SSM) 用于在电源传送线路上的通信, 而移频键控FSK法则用于无线频段通信传输。
在MAC层, 采用P-persistent CSMA予报机制, 以避免网上冲突。链路层提供无连接服务, 其功能局限于生成帧和错误检测。检出的错误投入上一层, 以得到更正。
网络层传输数据包, 作为无连接和不需应答服务, 它的作用有一定的范围, 它既不能拆数据包, 也不能将数据打包。自学习路由器得以支持, 但采用树状拓扑结构。和自学习路由器形成对比, 被组态路由器使用路由表, 但也可用于物理闭环网络, 直至建立树状架构形成逻辑连接。
Lon Talk协议的主要功能由传输层和会话层来完成。传输层可分成:运行控制亚层;鉴定服务器和传输层。在执行控制亚层的复制检测, 检测复制的数据包, 用以保证数据包的顺序的正确性。鉴定服务器的目的是保证经认定的数据的交换。Lon Talk协议中的所有信息都可被鉴定, 地址型广播的情况除外。传输层提供在源节点和一个或几个目标节点间点对点连接。
对话层提供了将用户接入目标服务器的简单的要求-响应机制。在此基础上特别的远程连续呼叫可以被定义。比如Lon Talk网络管理协议可使要求-响应机制包含在会话层中。协议从应用层接口接入。
表示层和应用层提供基本的互操作性。应用层提供所有的发送和接收服务。此外, 网络变量的概念也嵌在应用层中。表示层中数据的提出和应用程序无关。这使不同公司的节点间可实现直接的数据交换。
2.2.2 命名、编址和路由
Neuron芯片的名字是一个48位的Neuron ID, 因为它能区分所有的Neuron芯片并且在Neuron芯片的生命期内不会被改变。
地址是在一个对象类中唯一标识一个对象或一组对象的标识符。与名字不同, 地址可以在对象的生命期内被赋予或更改多次。
Lon Talk地址唯一标识了Lon Talk数据包的源节点和目的节点。这些地址可以被路由器用来在两个信道之间选择性地传递数据包。
Neuron ID也可以用作地址, 但在Lon Talk协议中Neuron ID并不是唯一的编址方式。其原因是这种编址方式只支持点对点的数据传输并且需要很大的路由表来优化网络通信。这种编址方式主要是在节点的安装和配置中使用, 因为它允许在节点被赋予地址之前进行通信。
为了简化路由, Lon Talk协议定义了一种使用域、子网和节点地址的分级编址方式。这种编址方式可以编址整个域、单个子网或是单个节点。为了增强对多个节点的编址, Lon Talk协议定义了另一种使用域和组地址的编址方式。这种编址方式简化了网络节点的替换, 替换节点只需赋予被替换节点的地址就可以正常工作了, 在网络中对被替换节点的引用不需要改变。而使用Neuron ID的编址方式就没有这么简单了。
域地址:域是一个虚拟网, 在其中可进行所有的通信。这一局限性的原因是Lon Talk结构所决定的。对NPDU和TPDU中源地址和目标地址, 使用同一个域地址信息。和因特网不同, Lon Talk不支持任何域间的通信 (域间通信是指两个或更多域之间的通信) 。这必须通过网关在应用水平上进行处理。网络管理和网络行政在域内进行。尤其是组和子网, , 由本地域主管者分配, 和域连接无关。域信息的长度和网络结构有关, 处在0、1、3和6字节之间。
子网和节点:在一个子网内, 由0~127个节点组成一个子集, 其组成原则是在子网内不发生路由。子网就是逻辑通道的意思, 不一定相应于某个物理通道。一个或多个子网构成一个或多个物理通道, 这些通道由中继器、转发器或网桥连接在一起。用8位子网信息的情况下, 在一个域内有255个可命名的子网, 0子网是指未定义或未知子网。元件地址节点是指子网内的单个节点。一个物理节点可同时是最多为两个子网的成员, 该子网可有不同的节点数, 也可处在不同的域内。
组、成员:和子网地址信息相似, 元件组是域内节点的组成:在一个组内, 地址成员能辨认组内的每个成员。元件组用来给组命名, 也称为1~n编址。网络变量的概念可用于组。在一个域内可命名256个组, 只不过每个节点可同时最多为15个组的成员。
2.2.3 通信服务
使用何种通信服务应考虑以下这些方面:网络效率、响应时间、安全性以及可靠性等。一般使用确认服务具有最大的可靠性, 但它比用于组地址的无确认或重复无确认服务要占用更多的网络带宽;而使数据包具有优先级可以使其响应时间缩短, 但会见降低其它数据包的实时性;证实服务使数据的安全性提高, 但需要比非证实服务多发一倍的数据来完成证实服务。
Lon Talk协议提供了四种基本报文服务:确认服务;请求/应答服务;无确认重复服务;无确认服务。
Lon Talk协议使用了一种独特的冲突避免算法:可预测P-坚持CSMA。P值的动态调整取决于随机时隙数的动态调整, 随机时隙数的调整取决于节点对网络负载的预测。因而可以说, P值的动态调整是归结于节点对网络负载的预测。此算法在信道过载情况下仍然能使负载接近最大能力的通过量, 而不是由于过多的冲突使通过量降低, 但是这种算法不能消灭冲突。
2.3 Neuron芯片
Neuron芯片是Lon Works技术的核心, 它是由Echelon公司开发, Toshiba和Motorola两家公司生产的。Neuron芯片主要包括MC143120和MC143150两种系列, MC143120芯片中包括EEPROM, RAM和ROM存储器, 为一完整的最小系统, 适用于小型应用程序, 而M C 1 4 3 1 5 0则没有内部RO M, 但拥有访问外部存储器接口, 适合较复杂的应用程序。现以在后面的智能节点设计中需要使用到的MC143150为例, 介绍Neuron芯片的基本结构和组成。
图2-2为Neuron芯片的基本结构。
Neuron芯片内部集成了三个8位C P U, 最高工作频率可达10MHz。它有11个可编程输入、输出管脚 (IO0~IO10) , 有34种可选工作方式 (Lon Mark对象) , 片内设有EEPROM、RAM, 并支持有外部扩展多种存储器的接口, 最大存储空间允许有64KB。内部含有两个16位定时/计数器, 能够由固件产生16个软件定时器。Neuron芯片的长处还在于它的网络通信功能, 引出的五个通信管脚 (CPO-CP4) , 提供了单端、差分和特殊应用模式等三种网络通信方式。
三个处理器中, 一个用于执行用户编写的应用程序, 另外两个完成网络任务。访问介质控制 (MAC) 处理器是媒体访问控制层处理器, 主要用于驱动通信子系统硬件以及执行冲突回避算法等。MAC处理器使用位于共享存储器中的网络缓冲区与网络处理器进行通信。网络处理器主要实现网络变量处理、寻址、事务处理、报文鉴别、软件定时器、网络管理和路由等功能。网络处理器通过共享存储器中的网络缓冲区与MAC处理器通信, 并采用应用缓冲区与应用处理器进行通信。应用缓冲区也是设置在共享存储器中的。对它们的访问都用硬件信号灯来协调, 以便在更新共享数据时消除竞争。应用处理器一方面执行用户编写的应用程序代码, 另一方面执行由用户代码所调用的操作系统服务。
MC143150的外扩存储器接口总线中, 有8位双向数据总线, 16位处理器驱动的地址总线, 以及用于外部存储器存取访问的两个接口信号线R/W和E, 总的地址空间为64K字节。其中有6K字节的地址空间保留在芯片内, 剩余的58K字节的外部地址空间中, 16K字节被Neuron芯片用于固件、Lon Builder开发系统调试器及保留空间, 42K字节的外部存储器空间用于存放用户程序和数据等。
MC143150的存储器映象图 (即存储空间分配) 如图2-3所示。
第3章现场智能节点的设计
智能节点可以分为两大类:一类是利用Neuron芯片完成所有的工作 (包括通信和用户应用程序) , 节点中不再包含其它处理器, 这类智能节点称为基于Neuron芯片的节点;另一类是只用Neuron芯片完成通信工作, 而用户的应用程序由其它的处理器 (如微处理器、微控制器或PC机) 来完成, 这种智能节点称为基于主机的节点。前者结构简单, 成本低, 但功能有限;后者功能强大, 但是结构复杂, 成本也较高。
由于时间的关系以及Lon Works技术所具有的复杂性, 因此在本次毕业设计中主要涉及到的是基于Neuron芯片的智能节点的硬件和软件设计, 即以Neuron芯片和高精度A/D转换器为核心的现场智能节点, 用于数据的采集、通信处理、现场控制。
3.1 现场智能节点功能概述
在本次设计的过程中, 在阅读相关资料以后, 发现现场总线技术与电站自动化的结合已经成为了一种趋势。考虑到我所学的专业为电气工程及其自动化, 结合毕业设计的时间及难度, 因此我决定利用Lon Works现场总线技术设计一个适用于电站自动化的高压断路器的监控节点。
高压断路器是发电厂和变电所配电装置中必不可少的部件。高压断路器在电网中起控制和保护作用。其发生故障或事故时会引起电网事故, 造成相当的经济及其它方面的损失, 因此开发断路器监控系统对断路器的工作状态进行监控具有非常重要的实用价值。
在LON分布式测控系统中, 通常监控中心的主机可由工控PC机承担, 而分布在现场的智能仪表一般则由集控制、通信和I/O为一体的现场智能节点承担。这样, 现场智能节点既能独立完成数据采集处理和控制任务, 又可通过通信节点将数据传送给监控中心的主机, 让主机对现场数据进行处理、显示、打印或存档等操作;同时主机也可将各种控制命令发送给现场智能节点, 实现真正意义上的集中管理、优化控制或调度。
本次设计的现场智能节点以MC143150为核心, 外加24位高精度A/D转换电路、多路选择器以及显示电路等组成。其主要功能是, 高压断路器工作时SF6气体充气和排气过程中气体的温度和压力通过温度和压力变送器传送到智能节点输入端, Neuron芯片通过多路选择器和A/D转换电路对两路信号进行采样, 然后根据SF6气体密度算法进行计算, 计算结果通过发光二极管在现场节点上显示, 同时智能节点把原始数据和计算结果通过Lon Works现场总线网络发送到监控计算机进行监控。当有报文信息到达时, Neuron芯片接收监控系统发送到智能节点的参数设置报文, 根据用户设置的参数和现场采集的数据计算结果, 判断高压断路器工作过程中SF6气体是否发生泄漏事故, 一旦发生事故智能节点提供三路继电器输出, 供报警和现场继电保护使用。
3.2 基于Neuron芯片的现场智能节点的组成
现场智能节点的硬件如图3-1所示, 从图中可以看出, 节点硬件大体由数据采集模块、Neuron芯片模块、显示模块等组成。
(1) Neuron芯片:主要用于提供对现场智能节点的控制、实现与Lon Works测控网络的通信、支持对现场信息的输入/输出等应用服务。它既是现场智能节点的处理器, 又是其它处理器或控制器的接口。
(2) 数据采集模块:主要用于对现场设备 (高压断路器) 工作过程中数据的采集、干扰的处理, 提供现场智能节点所需的实时数据。
(3) 显示电路:把智能节点采集到的现场设备 (高压断路器) 的工作参数在LED上显示,
便于现场调试和记录。
(4) 通信电路:通信电路中的收发器是现场智能节点与Lon Works测控网络之间的接口。Echelon公司和其他开发商均提供用于多种通信介质的收发器模块。在本次设计中的智能节点采用了以双绞线作为通信介质的收发器模块。
3.3 现场智能节点的硬件设计
根据上述现场智能节点的硬件结构图, 以下对本次设计的智能节点的硬件实现分成数据采集模块、Neuron控制模块和显示电路等三大功能模块进行分别介绍。
3.3.1 数据采集模块
数据采集模块包括A/D转换器、多路开关、调零调量程电路、滤波电路, 光电耦合器等组成, 考虑到本次设计的智能节点的系统要求和转换精度, 因此在数据采集模块中采用了一片24位的高精度A/D转换器ADS1212。
1.前端信号处理
从现场温度和压力变送器接入的信号为4-20m A差分电流信号, 接入节点后, 首先经过100Ω电阻, 把4-20m A的电流信号转换为0.4-2V的电压信号, 考虑到现场环境中干扰信号较为复杂, 在电路中接入两个RC滤波器, 分别由10K电阻与0.1u、100u电容组成, 然后经过调零和调量程电路把信号调制成0-2.5V的电压信号, 接入多路选择器, 供A/D转换器采样。
2.A/D转换器ADS1212
ADS1212是Texas Instruments公司的24位高精度AD转换器, 其内部由可编程增益放大器 (PGA) 、二阶△-∑调制器、调制控制单元、可编程数字滤波器、微控制器单元、寄存器组 (指令寄存器、命令寄存器、数据寄存器、校准数据寄存器) 、一个串行接口、一个时钟电路和一个内部2.5V电压基准等组成。
其特点如下: (1) △-∑型A/D转换器; (2) 采样数据输出速率在10Hz时有效分辨率可达到20位, 采样数据输出速率在1000Hz时有效分辨率可达16位; (3) 最低功耗为1.4m W; (4) 差分输入; (5) 具有可编程增益放大器; (6) SPI兼容SSI接口; (7) 可编程设置采样频率; (8) 可使用内部或外部的参考电压; (9) 具有芯片自校准功能。
可编程增益放大器的增益 (G) 可设为1、2、4、8、16, 增益设置的不同使ADS1212的输入量程有所不同, 其对应关系如表3-1所示。
而加速因子 (TMR) 也可以设置为1、2、4、8、16, 但是二者乘积必须小于等于16。加速因子的设定决定了采样频率的快慢, 同时也影响了采样精度, 其关系为:
其中fSAMP为ADS1212的采样频率, fXIN为ADS1212的输入时钟频率。
在现场智能节点的硬件设计中, ADS1212与Neuron芯片的接口电路如图3-2所示。
在使用A/D转换器件ADS1212时, 只需正确设置其内部的寄存器即可, ADS1212内部有5种功能寄存器。其中指令寄存器 (INSR) 和命令寄存器 (CMR) 用于控制转换器的操作。数据输出寄存器 (DOR) 用于存放最新的转换结果。零点校准寄存器 (OCR) 和满量程寄存器 (FCR) 用于对转换结果进行校准。值得指出的是, 由于具有了零点校准和满量程寄存器, 可以通过软件的设置完成零点和满量程的校准, 从而可以省略硬件电路中的调零点和满量程电路, 大大的简化了硬件的设计。
指令寄存器INSR是一个8位寄存器, 对ADS1212的每一步操作都是从它开始的。具体格式如表3-2所示。
R/W是读写控制位。“1”为读操作, “0”为写操作;MB1、MB0是欲读写的字节数;A3-A0是欲读写寄存器的地址。
命令寄存器CMR是一个32位寄存器, 共4个字节, 分别为Byte3, Byte2, Bytel和Byte0, 通过对它的操作可以设置ADS1212的各种工作模式, 这里只介绍在本次设计中需要用到的Byte3和Byte2, 其格式如表3-3所示。
MD2-MD0是模式设置位, 用于设置芯片的各种工作模式;G2-G0是增益设置位, 用于对输入信号设置增益;CH1、CH0是通道选择位, 只适用于ADS1213, 而本次设计中用到的ADS1212只有一个通道。
BIAS是参考电压输出开关位;REFO是基准电压输入开关位, “1”为使用内部基准, “0”为使用外部基准;DF是采样数据输出形式位, “0”为补码形式输出, “1”为原码形式输出;U/B是数据极性输出, “0”为双极性数据输出, “1”为单极性数据输出;BD是读字节的顺序位, “0”为从高字节到低字节, “1”为从低字节到高字节;MSB是位的顺序位, “0”为从高位到低位, “1”为从低位到高位;SDL是数据输出线选择位, “0”为用“SDIO”输出, “1”为用“SDOUT”输出;是只读位, “0”表示输出数据准备好, “1”表示输出数据没有准备好;DSYNC是只写位, 同DRDY (非) 共用一位, “0”表示不改变调制器的计数器值, “1”表示将调制器的计数器值复位至0。
3.3.2 Neuron控制模块
在本次设计中, 为了系统运行的需要以及了解Neuron芯片存储器扩展的方式, 对MC143150芯片进行了存储器扩展, 利用芯片保留空间和用户可用存储空间扩展了20K的RAM空间和32K的EEPROM程序存储空间, 用于存放和运行用户编制的应用程序。同时, 设计中须对多个外设芯片进行操作, Neuron芯片与这些芯片的接口电路是通过IO口连接的, MC143150提供了11个IO口, 对于复杂的应用系统还可以扩展IO口供操作外部芯片使用。在设计中扩展了三个IO口。
控制模块的电路设计如图3-3所示。
在Neuron控制模块中使用了一片GAL器件用于RAM和EEPROM的访问控制和地址译码, 由于GAL器件具有结构灵活、集成度高、处理速度快、可编程等特点, 使其与传统的标准逻辑器件相比具有很大的优势。GAL器件的使用减小了系统体积, 增强了设计灵活性, 缩短了设计周期, 另一方面也提高了系统的保密性。通过使用ABEL语言, 可以在系统开发过程中对GAL器件进行多次编程, 从而使系统的调试更加方便快捷。
在控制模块中, EEPROM分配的地址空间为0000~7FFFH, RAM分配的地址空间为8000H~CFFFH, 读写控制的逻辑关系为:
根据以上地址空间分配和读写逻辑管理, GAL器件的引脚分配关系如图3-4所示。
其地址译码指令分别为:
式中EECS、RAMCS分别为EEPROM和RAM的片选信号, 低电平有效, A15为Neuron芯片地址线的最高位, Address为Neuron芯片地址线全部地址。RD和WR为EEPROM和RAM的读写控制信号, RW和E为Neuron芯片输出的读写控制信号。
IO端口扩展代码为:
通过上述代码扩展口IO1_K的地址被确定为F800H和0x F900H, 当Neuron芯片对地址F800H写入一个数据 (任何一个数据) 时, IO1_K引脚输出为低电平, 地址F900H写入数据时, IO1_K引脚输出变为高电平, 没有地址操作时其引脚具有电平保持功能。IO2_K和IO3_K的控制代码与IO1_K类似。
3.3.3 显示电路
显示部分电路由一片LED显示驱动器MAX7219和两片LED数码显示管组成, 由MAX7219驱动显示4位数字 (带小数点) , 用于在智能节点上显示SF6断路器工作过程中SF6气体的压力和密度。MAX7219是一种高集成化的串行输入/输出的共阴极LED显示驱动器。每片可驱动8位7段加小数点的共阴极数码管, 可以数片级联, 而与微处理器的连接可通过SPI方式, 只需要3根线。MAX7219内部设有扫描电路, 除了更新显示数据时从Neuron芯片接收数据外, 平时独立工作, 极大地节省了Neuron芯片的运行时间和程序资源。
它与Neuron芯片的连接电路如图3-5所示。
MAX7219芯片上包括BCD译码器、多位扫描电路、段驱动器、位驱动器和用于存放每个数据位的8*8静态RAM以及数个工作寄存器。通过指令设置这些工作寄存器, 可以使MAX7219进入不同的工作状态。MAX7219有5个工作状态寄存器, 分别是译码方式选择、亮度调节、扫描位数设定、待机开关、显示器检测。除空指令外, 7219的所有操作指令都是2个字节, 前一个是操作代码, 后一个是操作数。
系统上电时, MAX7219所有寄存器都被复位, MAX7219处于停机状态, 此时所有LED显示器都关闭。要使MAX7219正常工作必须按以下步骤操作。
(1) 设置开关机寄存器, 其操作码为“0CH”, 操作数为0或1, 其中, 开机操作数为“01H”。
(2) 设置译码方式寄存器, 其操作码为“09H”, 常用操作数为“00H”与“0FFH”中的一个。选中“00H”则不使用BCD译码器, 在显示数字或符号时, 按每段点亮与否编排传送码。而选中“0FFH”时, 则按8421标准二进制编码来代表相应的显示数字。需要说明的是, 无论译码与否, 操作数的最高位D7均为小数点, “1”为亮, “0”为灭。
(3) 设置显示位数寄存器, 其操作代码为“0BH”, 操作数为“00H”~“07H”代表0到7个显示位数。如果所用的显示器少于8位, 则应通过这条指令设置相应的位数。因为设置的位数如果比实际使用的位数大, 就会形成“虚位”, 而一旦对“虚位”进行操作, 将会引起整个显示器的混乱。另外, 扫描位数的设置, 会影响到扫描频率的变化, 相应地, 显示器亮度也会随着变化, 所以应先确定扫描位数, 再设置显示器亮度。
(4) 设置亮度寄存器, 其操作码为“0AH”, 操作数为“00H”~“0FH", 通过设置亮度寄存器可以调节显示器的亮度, 改变其操作数可以改变MAX7219内部扫描脉冲的宽度, 从而使电流的平均值有所变化, 这个电流平均值可以从最小的1/32至最大的31/32之间进行16级调节。MAX7219还提供了一种硬件调整显示器亮度的方式, 即通过第18管脚的ISET和VCC之间跨接的一个电阻来调节其亮度, 段驱动平均电流大约为流过此电阻电流的100倍, 实际应用中常用十几KΩ的电阻直接接入即可。
(5) 显示数据, 设置完毕显示控制寄存器后, 即可向MAX7219传送数据在LED数码管中显示, 传送数据时, 每一个CLK时钟信号上升沿来临时, DIN信号线上的数据就进入MAX7219内部的移位寄存器中, 其数据传送格式如下所示。
其中ADDRESS为显示数据的位置, 对应内部RAM地址, 地址01H~08H分别对应MAX7219显示数字位的DIG0~DIG7。
3.4 智能节点的算法分析
这次设计的智能节点的作用是在整个电站自动化系统中对于高压断路器进行监测, 显示, 控制。在我国的电力系统中六氟化硫断路器的应用是最广泛的, 因此选择六氟化硫断路器作为本次设计的智能节点的监控对象。
在查阅高压断路器的相关资料后, 了解到高压断路器灭弧室中六氟化硫的气体密度不能直接检测, 因此只能间接测量灭弧室内压力和温度, 然后通过温度补偿算法, 转换成20ºC时的压力值, 并与标准曲线进行比较, 从而得出六氟化硫气体在当前温度压力下的密度值。
3.4.1 测量原理
根据理想气体状态方程:
可得:
式中:M为气体的质量;u为一个摩尔气体的质量;V为气体体积;R为气体常数;T为气体温度;p为气体压力。
为单位体积内气体的摩尔数, 即气体的密度。
由上式可知, 灭弧室内的气体压力p为气体密度和气体温度的函数。气体温度引起的压力变化可根据六氟化硫气体压力-温度变化曲线给出准确补偿 (如图3-6所示) , 得到气体压力与温度变化的等密线 (如图3-7所示) , 这时气体密度成为导致仪表值变化的唯一变量, 经过换算后的压力值就等于测控气体的密度。
3.4.2 气体状态参数曲线换算
在应用中通常先按照温度补偿算法把当前压力值换算成标准状况下20ºC时的压力值, 再根据气体状态参数曲线查表得到当前的密度值。温度补偿算法也根据不同生产厂家仪器的不同而有所不同, 在本次的智能节点算法中, 所采用的温度修正压力的公式为:
其中:P为0~1Mpa的压力测量值;t为-40~70ºC的温度测量值。
在气体密度一定的情况下, 温度发生变化时压力也随之改变, 不同密度对应的变化曲线也各不相同, 其变化规律如图3-8所示。
利用该曲线将不同温度下校验测得的SF6气体压力修正值与标准值比较, 以得到当前状况下的气体密度值。这种方法是通过多组曲线直接查找换算, 具有明了、方便的优点但同时由于曲线的准确性也限制了换算的准确度, 如曲线上没有该设备当时的气体密度线, 而是介于两条密度线之间, 这时只能以插值法确定该密度线的值。
3.4.3 使用Beattlie-Bridgman公式进行换算
在实际应用中能够准确反映六氟化硫气体状态参数的经验公式是Beattlie-Bridgman公式:
P为SF6气体的压力值;r为额定压力时气体的密度值;T为SF6气体的温度。
对于式 (1) , 当T20=293K时, 则有:P20
当环境温度为时, 由于是等体积变化, 密度r20不变, 则有:
由 (2) (3) 可得:
其中:。K通常称为压力换算系数, 即温度变化1K时压力的变化量。r20为20ºC, 压力为P20时SF6气体的密度, 是一个不变的值。
3.5 现场智能节点的软件开发
现场智能的节点软件是应用Echelon公司的Neuron C程序编写的, 开发的环境是智能节点专用的开发工具Node Builder, 主要完成数据采集处理、数据显示以及数据通信协议的处理。
3.5.1 节点软件流程
根据Lon Works智能节点软件开发的一般流程。先确定该节点软件需要完成的主要任务:
(1) 上电复位初始化。包括本节点子网号、节点号的设置, Max7219、ADS1212的初始化。
(2) 向网卡发送本节点设置的参数。该设置参数保存在节点的EEPROM中, 掉电后不会丢失, 发送设置参数用以完成监控计算机的初始化。
(3) 定时采集A/D转化数据, 进行数据处理和显示, 并根据实时数据的大小, 完成继电器的输出控制。
(4) 把A/D转换器采集的数据组成报文, 发送到监控计算机。包括A/D转换的实时数据, 继电器的输出状态等。
(5) 当网卡的参数设置报文到达时, 判断是否为本节点的参数, 如果是, 则保存参数设置。
软件设计的基本流程如图3-9所示。
3.5.2 节点软件实现
根据上图3-9所示的软件流程, 可以开发主要的软件程序。
1.数据采集
数据采集过程中, Neuron芯片对A/D转换器ADS1212的操作包括初始化和读取转换数据两部分。Neuron程序中首先定义一个神经元I/O对象, 用作双向SPI接口, 通过这个对象实现对ADS1212的读写操作:
对ADS1212的初始化过程包括对指令寄存器和命令寄存器的设置, 首先程序要设置指令寄存器INSR, 按照3.3.1节中介绍的指令寄存器操作数的格式, 其操作数为“01100100”, Neuron程序按SPI方式传送数据的方式如下:
代表程序将对ADS1212的命令寄存器进行写操作, 写入数据的初始地址为命令寄存器的Byte3, 写入数据的大小为4个字节。指令寄存器接收到以上命令后程序即可对芯片的命令寄存器进行设置, 设置的顺序为从高到低, 首先设置的是Byte3, 其操作数为“01100010” (命令的意义为参考电压输出关, 使用内部基准2.5V, 原码形式输出, 双极性数据输出, 读字节顺序为从高到低, 位顺序为从高到低, 使用“SDOUT”输出, 不改变调制器的计数值) , Byte2的操作数为“00000100” (命令的意义为正常模式, 增益是2) , Byte1的操作数为“00000000” (命令意义为加速因子设置为默认值1) , Byte0的操作数为“00010111” (命令意义为采样频率设置为默认值326Hz) 。传送方式都是使用neurowire对象ADC_IO按SPI方式传送。
对命令寄存器设置以上的参数后, ADS1212按照命令寄存器中的参数进行正常的AD数据采集, Neuron程序可以定时获得AD转换结果。
读取转换数据部分的程序如下:
上面程序的操作过程为:
(1) 判断是否为低电平, 如果不是则说明AD转换数据未准备好, 程序进入等待状态, 当变为低电平后进行读书操作。
(2) 设置指令寄存器INSR为“11000000”, 意义为从转换结果的高位开始读入3个字节。
(3) 读入3个字节数据并保存。
2.六氟化硫气体密度计算与监控
现场智能节点读取A/D转换器结果后, 按照3.4节所阐述的计算方法进行气体密度的计算。在计算过程中要涉及到浮点数的运算, 但是Neuron C语言和C语言不同, 它不直接支持浮点算数与比较运算, 不过Neuron C提供了一个完整的浮点算数函数库。这些函数包括:二元算数运算函数、一元算数运算函数、比较运算函数、与整型数或ASCII字符串相互转换的函数以及其它浮点函数等。
Neuron C语言中浮点数结构float_type以typedef形式定义在
在气体密度的计算过程中需要用到的浮点运算函数有如下几个:
上面五个函数中fl_from_ulong为浮点数转换函数, 功能是把长整型变量arg1转换成浮点型变量arg2, 而fl_add、fl_sub、fl_mul和fl_div分别是浮点数的加减乘除四则运算函数, 其源操作数为arg1和arg2。计算结果保存在目标操作数arg3中。
针对本次的智能节点的气体密度算法, 计算程序如下:首先程序要把A/D转换器采集到的压力和温度转换结果转换成相应的压力值和温度值, 压力转换结果为0~1Mpa, 温度转换结果为-40ºC~70ºC。
转换完成后, 按照温度补偿公式压力转换成对应的20ºC时的压力值p20, 取得对应的密度值。完成转换的程序如下:
经过上述计算得到SF6气体的密度后, 程序就可以根据用户设置的参数控制执行器动作, 提供继电保护和报警输出功能, 继电器的动作程序如下:
3.数据通信
智能节点的数据通信包括两个方面的内容, 一方面当监控计算机需要对节点进行参数设置时, 由监控计算机组成参数报文发送到智能节点, 节电则负责接收参数报文, 并对相应的参数进行设置。
参数报文的数据帧格式为:
接收报文的数据帧存放于msg_in对象中, 当参数报文传送到智能节点时, Neuron C程序的msg_arrives事件被触发, 程序首先判断节点号是否与当前节点号相符, 如果相符则说明监控系统是对本节点的参数进行设置, 此时程序读取msg_in对象的data区中的数据, 并按照以上数据帧的格式把参数转换成相应类型的数据后保存到EEPROM的参数区中。
另一方面当智能节点定时采集压力和温度数据并进行相应的数据处理后, 智能节点通过显式报文的形式发送到监控计算机, 向监控计算机提供节点运行的实时信息。数据传送帧格式如下:
系统定义了一个msg_out对象用于构造发送报文, 发送数据时把节点采集的数据按照上面的数据帧格式存入msg_out对象的数据区中。程序如下:
发送报文组成后程序通过msg_send () 函数将报文发送到Lon Works网络中, 监控计算机根据发送报文的类型识别数据报文, 并进行接收。
3.6 智能节点的现场抗干扰设计
本次设计的现场智能节点的任务是对高压断路器进行监控和现场控制, 所以抗干扰设计必须考虑到变电站的复杂环境。变电站中各种干扰源有:电场、磁场、雷电、操作冲击及各种放电现象等。同时, 随着一次系统电压的升高、容量的增大, 变电站产生的电磁干扰可能更严重, 对二次回路会造成更强烈的影响。绝大多数电磁干扰现象在变电站中均有发生, 如低频的、高频的、传导的、辐射的、连续的、暂态的以及静电放电等。
考虑到本次设计的工作和实际需要, 所以主要考虑的是数字电路的抗干扰技术。现场智能节点工作环境中存在的电磁干扰是以传导和辐射方式窜入控制系统中, 对数字电路本身造成干扰, 根据干扰形成的位置不同大体可分为两类:一类为内部干扰, 这种干扰来自于控制系统本身。由于系统工作环境变化, 如:温度、压力、震动等产生噪声电压易叠加到输入的信号源上, 因此, 噪声电压与信号源一起经过处理输出到后级电路, 造成干扰, 或者由于电路本身布线不合理等原因, 造成器件之间相互干扰。另一类是外部干扰, 是指测控系统以外的各种因素对系统本身造成的干扰, 可分为电磁辐射干扰和传输通道干扰。电磁辐射干扰是指系统周围的电磁波辐射到控制系统中所造成的影响。系统周围的发射天线、交流弧焊机、中频设备等发出的电磁波易于窜入到系统内部, 干扰其正常工作。传输通道干扰是指信息在传输过程中受到的干扰, 此类干扰来自于系统的外部设备, 如:振荡电路、振荡变压器、高频发射装置等。其抗干扰技术主要有硬件抗干扰和软件抗干扰两种。
3.6.1 硬件抗干扰
硬件抗干扰是指针对不同的干扰源和干扰途径, 采用相应的硬件电路如滤波、去藕、屏蔽、隔离、接地等技术有效防止和抑制各种形式的干扰。系统中采用的硬件抗干扰措施主要有以下几种:
(1) 电容滤波
在数字电路中, 当电路从一个状态转换成另一个状态时, 就会在电源线上产生一个很大的尖峰电流, 形成瞬变的噪声电压。所以节点硬件设计中在每个器件的电源进线端都接了一个0.1微法的滤波电容, 削弱串模干扰的影响。
(2) 去藕
数字电路信号电平转换过程中会产生很大的冲击电流, 并在传输线和共用电源内阻上产生较大的压降, 使供电电压跳动, 形成严重的干扰。为了消除这种影响, 一种办法是合理布线, 降低传输线阻抗;一种办法是尽量降低供电电源的内阻;最常用的且容易实现的办法是在公共的电源线端与地线端加接电容, 即配置去藕电容。节点硬件在印制电路板的设计过程中配置了大量的去藕电容, 去藕电容一方面提供和吸收了集成电路开门和关门瞬间的充放电能量, 另一方面旁路掉了该器件的高频噪声, 从而起到了稳定电源电压的作用。
(3) 隔离
信号隔离的目的之一是从电路上把干扰源和易受干扰的部分隔离开来, 使测控保护装置与现场仅保持信号联系, 但不直接发生电的联系。本次设计中对所有的输入输出量都进行了光电隔离处理。节点硬件设计中所有Neuron芯片与数据采集模块中器件的信号线都通过一片6N137光电隔离器连接, 这样有效防止了输入通道的干扰窜入Neuron控制模块中。
3.6.2 软件抗干扰
软件抗干扰具有快速方便、易于实现、成本低等特点, 因此在系统设计中被广泛应用。软件抗干扰的有效方法之一是数字滤波。
数字滤波的方法有很多种, 如中值滤波、算术平均滤波、加权滤波等。加权平均滤波可较好地滤除快速变化信号中的干扰, 它不要求在一个信号周期内的采样次数很高, 一般数次即可。其N项加权平均式为:
式中为常数项, 满足为各次采样值的系数, 可以根据具体情况确定。一般采样次数靠后, 比例系数增大, 这样可增强新采样值在平均值中的比例。用这种方法可以突出信号的某一部分, 控制另一部分。采样此种方法时, 定好测量次数, 由A/D输入后经过加权平均滤波后得到结果作为输入。
第4章智能节点的组网
Lon Works技术提供了一种强大的组网方式, 可方便地构成各种分布式控制系统, 以顺利地完成传感、检测和控制的功能。在Lon Works控制网中, 单个的节点相互联结构成一个互操作性的网络, 为网络的可扩展性、可维护性提供了最大的便利。对Lon Works控制网而言, 各种被控对象之间的关系, 仅仅是逻辑上的, 而非物理上的连接, 这样使节点的安装和组网, 可预先在实验室内完成, 而不必非要到现场去。
4.1 Lon Works技术组网的优势
在Lon Works系统中, 硬件的设计、软件的设计与网络的设计是相互独立的三个过程。这就意味着, 节点的功能定义和编程, 可不必考虑具体的网络应用。这样Lon Works技术就有了如下优点。
(1) 减少节点开发的工作量和费用。节点在任何给定条件下所完成的任务也许仅仅决定于它与其他节点的相联方式 (逻辑上的关系) 。
(2) 各种设计任务完全独立, 使系统具有良好的灵活性和互操作性。由于网络参数完全独立于节点的应用代码和物理上的网络构成, 所以新节点的加入和节点间的联结可以随时进行, 可以在逻辑上对网络重新布线, 或是重新定义网络行为, 而不须任何花费和时间上的延迟。
(3) Lon Works技术提供了一个非常灵活的环境, 可根据应用的需要, 使用多种方式安装节点和协调网络参数。Lon Works网络的这种灵活性, 使之很适合取代中心式或是主从式系统, 从而建立端到端 (peer-to-peer) 对等式控制网。
当然, 在Lon Works控制网中, 节点间共享同一通信媒介。但物理上与同一网络的相联井不能构成节点间通信的充分条件。物理上的相联仅仅为节点间发送和接收信息提供了一个通道, 但它并不能告诉节点它应与谁共享数据。控制网上的节点必须给定网络配置信息, 如网络地址, 以便使共享数据的节点间能相互理解。在安装任何控制网时, 说明这些配置信息都是必不可少的。
4.2 节点的安装
节点的安装过程, 可以看成对节点进行说明和下载某些配置信息的过程。管理这些配置信息的任务可以分为三步:分配地址、绑定和配置。
4.2.1 分配地址
节点间通过发送消息 (messages) 进行通信。节点的网络地址也向Lon Talk消息标明它自身。一个节点的网络地址包含三部分:节点所在的域、节点在这个域中所属的子网以及节点在此子网中的ID。一个节点可最多拥有两个网络地址, 使之分别成为两个域的成员。这种逻辑地址在网络中唯一地标定此节点。给每个节点唯一地分配地址的任务是由安装工具完成的。
地址分配的过程无非是把物理上的节点与逻辑上的网络地址相匹配的过程。安装中的这种匹配过程需要使用节点中神经元芯片的唯一Neuron ID。每一个神经元芯片在制造过程中都被赋予了一个唯一的Neuron ID, 它是一个序列号, 使用它可以与其他芯片相区分。可以有三种方式获取神经元芯片的Neuron ID, 而其中最常用的就是使用服务管脚 (Service Pin) 。每一个神经元芯片都有一个服务管脚。当这个管脚接地时, 神经元芯片就会发出一个广播消息, 其中包含有芯片的Neuron ID和它的编程ID。
4.2.2 绑定
在物理上将节点与传输媒介相联以及给节点分配地址, 并不能说明节点间是如何通信和共享信息的。在Lon Works网中, 节点间的相互通信经常是由网络变量完成的。在每个节点中, 网络变量的功能、类型和数量是由节点中的应用程序代码决定的。使用网络变量使节点间消息的传送隐性进行, 使大量与消息有关的如建造、发送、应答等繁琐的活动自动进行, 使网络控制系统的开发更方便、更快捷。绑定就是把需要共享数据的网络变量联接起来。绑定的工作是由安装工具完成的。
4.2.3 配置
配置实际上是使节点与应用网络相互协调的过程。它包括设定某些基于网络和基于应用的参数。基于网络的参数包括节点所使用的Lon Talk优先级、Lon Talk证实服务以及节点的本地字符。基于应用的参数包括一些数据, 如设定点、校准值和线性表等。对于基于应用的配置参数可以使用配置网络变量, 也可以使用标准配置参数 (standard confi guration parameters:SCPTs) 。
配置的任务同时也包括网络结构基本模块的配置, 如配置Lon Works路由器。当然一个Lon Works网可以仅仅有一个通道, 但大部分大规模的Lon Works网都是多通道、多通信媒介的。这样不同的通道以及不同的通信媒介间就要靠相应的Lon Works路由器来联结。
第5章总线系统的应用
现场总线作为控制设备之间进行数字通信的联系纽带, 把具有通信能力、测控功能的现场节点连接成开放式、数字化、多点通信的低层控制网络, 并通过具有监控功能的网络通信节点构成控制系统。实现了现场控制设备之间以及控制设备与更高级的管理层之间的信息沟通, 完成实时数据采集、数据通信、基本控制、参数修改、报警显示等功能, 使系统的集中管理和优化控制有机结合在一起。
5.1 系统集成
分布式计算机监控网络系统的现场控制及测量单元和现场智能节点等组成现场测量与控制层网络。完成现场的数据采集、现场监视和诊断、控制等任务。系统在实际应用中由数十个现场智能节点和一台监控计算机组成, 现场智能节点分布于变电站现场中, 通过现场总线与主控计算机相连, 形成分布式计算机监控网络。
由于智能节点与主控计算机的通信是数字通信, 提高了系统的抗干扰性, 而且, 它们与主控计算机之间的连接为一根通信电缆, 简化了系统的安装, 提高了系统的可靠性和可维护性。同时, 在分布式数据采集与控制系统中, 各种性能的智能节点通过网络通信相互连接在一起, 各个智能节点并行工作, 因此增强了系统的处理能力, 可以完成复杂的综合控制和管理功能, 从而提高了大型过程控制和生产管理的自动化水平和工作效率。
5.2 系统监控
在分布式监控网络系统中, 高质量的硬件结构体系固然十分重要, 但系统控制的各种任务是需要靠监控软件进行协调和管理工作等来完成。因此, 需要开发出高质量的、高可靠性的监控软件, 以及图形化的用户界面以使操作简易灵活。
监控软件主要包括通信, 实时数据显示与处理, 参数设置与显示, 历史曲线数据浏览等模块。通信模块调用驱动程序访问网络适配器的硬件资源, 完成监控程序与网络适配器的数据交换。系统参数设置, 其主要功能为设置现场总线上的智能节点名和智能节点控制调节参数等。主控计算机需要实时监测智能节点、现场控制单元的运行状态等系统信息, 系统监控界面使用图形化的动态显示方式, 使监控管理者能快速直观了解系统当前系统运行情况, 通对系统运行记录的分析, 发现系统故障并报警。将现场监控数据保存, 使计算机完成历史记录的查询等功能。
其结构如图5-1所示。
第6章结论和展望
本文围绕Lon Works现场总线技术及其智能节点设计进行了深入讨论和研究。
在文章的开始讨论了现场总线的技术特点、网络结构及数据操作方式, 然后介绍了部分常用的现场总线的技术特点。
接下来本文探讨了Lon Works现场总线技术, 其中包括最重要的Lon Talk通信协议和Lon Works现场总线技术的核心Neuron芯片。L o n Ta l k通信协议包括它的七层模型、寻址方式、冲突检测等。Neuron芯片的固件模型、存储器、I/O端口、通信口则是设计智能节点所必需了解的内容。
本文的重点是Lon Works总线技术现场智能节点的设计。针对我的专业背景和设计任务的需要, 因此我确定现场智能节点的作用是对变电站中的SF6高压断路器进行采集、监测、控制和通信。在此基础上完成了以Neuron芯片为核心的现场智能节点的软硬件设计, 详细讨论了A/D转换、控制显示电路原理以及芯片应用, 设计了节点的应用层协议, 使节点能够很好地完成数据采集、数字滤波、控制显示、报文处理等功能, 并结合现场应用, 给出了现场智能节点的抗干扰措施。
完成智能节点的设计后, 就是智能节点的组网, 通过现场总线把智能节点和监控计算机连接, 构成控制网络。本文在后面论述了组网的基本过程和监控软件的基本设计思路。这样就可以完成一个控制网络的设计。
基于CAN总线的智能节点的设计 篇6
1 总体结构设计
CAN总线采用了不同于传统的分布式控制系统的构架, 由分散于工业控制中现场智能节点完成传统系统中主机的常规测试与控制。因此基于CAN总线的分布式控制系统的主机不必监控底层设备, 实现高性能的高层次控制与管理。一般基于CAN总线的工业分布式控制系统中由主机、数据转换器以及智能节点组成。
整个系统的结构如图1所示, 主机和智能节点通过CAN总线连接, 智能节点作为从机通过CAN接口连接CAN总线。主机由基于Lab VIEW设计的监测软件和硬件资源组成, 主要实现对智能节点的监测以及测试数据的显示和存储。数据转换器是串口转CAN总线实现数据的转换, 并实现转发。各个智能节点都挂接到CAN总线上, 将采集到的数据发送到CAN总线上或者接受CAN总线上数据进行处理。智能节点主要由微控制器、CAN收发器以及相应I/O接口组成。
智能节点设计使用STM32F107作为其主控芯片, 集成多项高性能工业标准接口的互联型微处理器, 其采用32位ARM Cortex-M3核心, 主频高达72 MHz, 其出色的兼容性以及高性能, 低价格, 具有较大的RAM和ROM, 对于程序量较大的嵌入式系统有良好的支持, 广泛应用于工业控制中。
新STM32外设丰富强大, 包括10个定时器, 其中一些不仅可以进行普通的定时还可以进行脉冲捕获、以及PWM生成;2个12位AD模数转换器, 其最大采样率高达2M sample/s、2个12位DA数模转换器、2个I2C接口、5个UART接口支持最高921 600 bps和3个SPI端口和高质量数字音频接口IIS, 拥有全速USB (OTG) 接口, 支持2路CAN2.0B接口, 以及高速以太网10/100 MAC模块接口。
CAN收发器选择德州仪器的SN65HVD230, 该器件具有高速率、高抗干扰能力和高可靠性CAN总线的串行通信。该芯片在CAN总线系统中具有广泛的应用, 便于更换。
2 系统硬件设计
一般的CAN总线智能节点由三个部分:微控制器、CAN总线控制器以及CAN总线收发器组成。微控制器STM32F107内部已经集成了CAN总线控制器, 故本文涉及的智能节点主要由STM32F107和CAN总线收发器组成。
图2是基于STM32F107智能节点系统的CAN总线部分原理图。图中STM32F107的PD0和PD1脚分别为CANRX和CANTX引脚, 为CAN总线的输入输出管脚, 连接CAN总线收发器才能与CAN物理总线相连。CAN收发器SN65HVD230, 具有速度高达1 Mbps的差分发送、差分接收能力, 提供三种工作模式:高速、低电流待机和斜率控制[4]。自身具有短路保护、失地保护、过压保护和过热保护。常态下工作电压是-2 V~7 V, 瞬时耐压范围是-25 V~25 V。CAN收发器SN65HVD230第8引脚经10 k电阻与PD15连接, 这样可以由微控制器控制其工作模式, 当PD15为低电平时为高速工作模式, PD15为高电平时为低电流待机模式。CAN收发器SN65HVD230与CAN总线的接口设计时采用较强的抗干扰措施, 以及过流保护等方式。其中与CANH、CANL串连的5 k电阻可起到一定的限流作用;并联在CANH、CANL和地之间的32 p F的小电容, 防止高频干扰, 同时具有一定的防电磁辐射能力;在CAN总线的输入端与地之间接的防雷击管, 可以滤除CAN总线输入端和地之间的瞬态突变干扰。
复位电路则是包括按键复位电路和上电自动复位电路组成, 加强其可靠性。本文为了系统的调试, 集成了JTAG的调试接口。
3 系统软件设计
基于CAN总线的智能节点主程序流程如图3所示, 其发送方式通过查询实现, 而发送数据方式通过中断来实现。智能节点的主程序主要包括系统及外设初始化、CAN控制器初始化、数据发送、数据接收部分。
在CAN控制器初始化时, 必须要求其控制寄存器中复位位置较高时, 才可以访问寄存器。因此, 在初始化寄存器前, 系统必须确保已经进入复位状态, 在访问CAN总线时寄存器中的内容决定波特率的大小。总线定时寄存器的初始化值应根据CAN控制器的晶振频率进行设计。
数据发送时, CAN控制器将数据发送到CAN总线是由CAN控制器自动完成的, 发送主程序将发送数据的信息帧发送到CAN的发送缓冲区, 然后启动发送命令即可。
数据接收时, CAN控制器从CAN总线将数据读取到CAN接收缓冲区也是自动完成的。接收程序需要从接收缓冲区读取数据。设计时充分考虑读接收缓存器 (RBF0和RBF1) 内容后, 微控制器必须通过置释放接收缓存位为高, 从而释放缓存器, 使得另一个立即变为有效。
4 结束语
以STM32F107微处理器为核心, 设计了CAN总线的智能数据采集节点, 该系统充分发挥CAN总线的优点, 具有高可靠性、高抗干扰性、高传输率以及灵活的组网方式等。该智能节点可实现分布式多节点测试, 实现了测试过程智能化和网络化, 在工业测控领域有广阔的应用前景, 尤其是处理数据较多和实时性严苛的环境下, 该设计节点会更加有优势。
参考文献
[1]阳宪惠.现场总线技术及其应用[M].北京:清华大学出版社, 1999.
[2]刘火良, 杨森.STM32库开发实战指南[M].北京:机械工业出版社, 2013.
[3]DSOO5 O.9APRO2[Z].USA:CYGNAL Integrated Products.Inc, 2002:16-22.
智能家居总线分析 篇7
一、CAN节点硬件架构
1.1硬件模块介绍
SN65HVD230是德州仪器公司生产的CAN总线收发器。该收发器具有差分收发能力, 最高速率可达1Mb/s。具有高速、斜率和等待3种不同的工作模式。其工作模式控制可通过Rs控制引脚来实现。在高速模式下, 收发器的通信速率达到最高.此时没有内部输出上升斜率和下降斜率的限制。该方式下, 最大速率的限制与电缆的长度有关。为了减少因电平快速上升而引起的电磁干扰, 引入了斜率控制方式。待机状态, 系统只“听”发送过来的消息。在“听”状态下, 收发器的发送功能处于关断状态, 接收功能仍处于有效状态。
1.2电路设计实现
由于STM32F103单片机自带一路CAN控制器, 所以只需外设一片CAN收发器芯片。RAM单片机的CAN信号接收引脚RX和发送引脚TX直接连接到CAN收发器T的RXD和TXD端。CANH与CANL之间接一个120欧姆的终端电阻, 主要用于远距离传输时的阻抗匹配和增强电磁兼容性能。如图1 CAN节点电路设计所示。
二、软件设计
2.1 SN65HVD230初始化配置
在程序初始化中对CAN控制器的一些内部寄存器进行设置, 位定时器BCR1、BCR2的内容确定系统的通信波特率和同步跳转宽度, 两个寄存器的设置必须使本节点和其他节点有相同的通信波特率, 否则通信无法完成。CAN控制器对总线的通信管理有发送数据和接收数据。当本节点需要向其他节点传送数据时, CAN控制器将发送邮箱中的数据按规定的格式发送到CAN总线上, 总线上其他节点根据设计好的验收码和验收屏蔽码来判断是否接收该数据。其他节点发送到CAN总线上的数据, 如果其描述符不能通过本节点的验收滤波器, CAN控制器不对该数据验收;如果描述符通过本节点验收滤波器, CAN控制器将CAN总线上的数据顺序存入空的接收邮箱中, 并向RAM发送中断请求, RAM响应中断, 把接收邮箱中的数据取出。
2.2数据的接收
系统各节点的功能主要是将本节点的数据传送给网络其他节点, 以及接收网络上其他节点传送来的数据。下面给出测量单元向CAN总线发送数据的程序流程图, 系统的时为8MHz, 控制器的波特率设置为500kbps。如图2所示, 即为CAN节点数据收发程序流程图。
三、结束语
本文提出的基于RAM的CAN智能节点控制器, 既考虑了CAN总线实现的简单化, 又兼顾了智能节点的应用于不同场合时的可扩展性和灵活性。该智能节点集成度高、性能稳定, 是适合工业测控领域的一种理想实现方案。
参考文献
[1]肖广兵, 万茂松.基于STM32的系统设计[M].北京:电子工业出版社, 2013:74—75.
[2]邬宽明.CAN总线原理和应用系统设计[M].北京:北京航空航天大学出版社, 1996.