（信号与信息处理专业论文）基于混合总线技术的网络化智能数据采集与处理系统设计.pdf

基于混合总线技术的网络化智能数据采集与处理系统设计 摘要 本文对基于混合总线技术的网络化智能数据采集与处理系统的设计与实现方法 进行了研究：利用单总线技术和单总线数字传感器，设计了基于单总线的混合总线网 络数据采集与处理系统；利用现场总线技术，设计了基于l o n w o r k s 的混合总线网络 数据采集与处理系统；为了实现大规模分散目标的实时测控，利用g p r s 短信息技术 设计了无线智能数据采集与处理系统；为了优化控制系统的性能，基于a g e n t 理论， 提出了融合单总线技术和现场总线技术的多a g e n t 混合总线智能数据采集与处理系统 的模型及其硬件实现方法。 分布式测控系统的集成技术是当前工业控制领域研究热点。在大规模分布式检测 系统中，由于检测点多、分布广、干扰严重，除需要保证传感器的性能和抗干扰能力 外，还需要选用适合的总线技术，并在此基础上优化系统的拓扑结构，简化系统布线， 使之达到良好的性能。单总线技术、现场总线技术以及g p r s 无线通讯技术的发展为 智能分布和测控功能的实现提供了一套令人满意的解决方案，而分布式人工智能技术 和a g e n t 理论为提高系统的智能判别、学习和抗干扰能力提供了有力的理论依据。 单总线技术是建立在码分多址、串行分时数据交换基础上的一种新兴测控技术， 系统的线路结构简单，硬件成本低，计算机或单片机直接测控，软件开发也直观、容 易。新型的单总线数字传感器集成了温度检测、a d 转换、控制器、r o m 、r a m 、 单线双向数据传送等功能于一体，只需要1 根数据线，无需其他辅助器件即可实现传 感器与主机间的数据通讯，而且多达6 4 个数字传感器可以共用该数据线，使系统间 的连接非常简洁，适应于低成本的多点测试、集中控制系统。但是受总线的硬件结构、 驱动能力及其作用距离的限制，远程单总线测控系统的实现有一定的难度。 现场总线为实现大规模智能测控系统提供了理想的解决方案。现场总线综合了数 字通信技术、计算机技术、自动控制技术、网络技术和智能仪表等多种技术手段，其 数据通信具有较高的可靠性、实时性和灵活性。在现场总线控制网络中，系统的各种 设备通过多个节点连接到一根公共总线上，使得各个节点之间可以实现点对点的对等 通讯和系统中信息资源的共享，同时大大减少系统中的连接线。因此，为了实现低成 本的远距离、大规模、分散目标的测控系统，本文采用现场总线技术( l o n w o r k s ) 和 单总线构建该混合式数据采集与处理系统。 但是，上述系统的可靠性是通过单个设备的可靠性和关键部件的冗余来实现的， 往往由于个别环节的故障导致整个系统不能正常工作：各测控节点缺乏自适应性和主 动性；当系统的规模比较大、信息种类比较多时，单一的系统控制处理往往不能适应 复杂的变化情况。因此，需要建立一种具有良好的柔性、系统重构能力、容错能力和 快速反应性的网络化测控系统。a g e n t 理论为实现该系统提供了有力的依据，而融合 单总线技术和现场总线技术的混合总线为各智能体的提供了相互协调合作的交互机 制。实践证明，该系统具有信息感知、分布性、并发性、主动性和自适应性等智能特 性。 然而，当测控对象极度分散或实际环境无法布线时，有线传输就显得不太可能， g p r s 技术的发展为远程监控提供了一种新的技术手段。采用g p r s 无线传输在以下 一些方面有应用意义：( 1 ) 在不能使用传统总线方式或使用有线方式布线困难很大的地 方：( 2 ) 测控系统规模大、测控对象分布范围广的场合。 基于上述方法，本文提出一种基于混合总线技术的网络化智能数据采集与处理系 统。该系统融合了单总线和现场总线技术，并利用分布式人工智能技术和a g e n t 理论 来提高系统的智能判别、学习和抗干扰能力，运用数据挖掘的思想和神经网络技术对 数据进行分析处理，提高系统的数据处理能力，从而实现了低成本、大规模、智能化 的分布式多点测控。此外，本文还将g p r s 技术和单总线技术结合，构建了实时大规 模分散目标检测系统。 关键词：单总线、现场总线、l o n w o r k s 、混合总线、a g e n t 理论、g p r s t h e d e s i g n o f i n t e l l i g e n t n e t w o r kd a t ac o l l e c t i o na n d p r o c e s s i n gs y s t e m b a s e do n h y b d d - b u st e c h n i q u e a b s t r a c t t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fi n t e l l i g e n th y b r i d b u sd a t a c o l l e c t i n ga n dp r o c e s s i n gs y s t e m b a s e do no n e w i r et e c h n i q u e sa n di t sd i g i t a ls e n s o r s ，a h y b r i d - b u ss y s t e mi sd e s i g n e d ；t h e n 、v i t l lf i e l d b u st e c h n i q u e s al o n w o r k sh y b r i dd a t a c o l l e c t i n gs y s t e m i sc o n s t r u c t e df o rt h em o n i t o r i n go fd i s t r i b u t e dt a r g e t s ；i no r d e rt or e a l i z e r e a l t i m em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lo n l a r g e s c a l ed i s t r i b u t e ds y s t e m ，g p r ss m st e c h n i q u e i sa d o p t e df o rt h er e a l i z a t i o no ft h ew i r e l e s sd a t ac o l l e c t i n gs y s t e m ；m o r e o v e r , i no r d e rt o i m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fc o n t r o ls y s t e m s ，am e t h o do fd e s i g n i n gi n t e l l i g e n th y b r i dd a t a c o l l e c t i n gs y s t e mi sp r o p o s e db a s e do nm u l t i - a g e n tt h e o r y , a n dt h em u l t i a g e n tm o d e la n d h a r d w a r es t r u c t u r ea r ea l s od i s c u s s e di nd e t a i lw i t ht h ef u s i o no fo n e 、i r ea n df i e l d b u s t e c h n i q u e s t o d a y , t h er e s e a r c ho fi n t e g r a t i n gt e c h n i q u e so nd c sp r e v a i l si nt h ef i e l do fi n d u s t r i a l c o n t r 0 1 i n l a r g e s c a l e d c s ，t h e r ea r em a n yd i s t r i b u t e dd e t e c t i n gt a r g e t sa n ds e r i o u s d i s t u r b a n c e s o ，n o to n l yt h ep e r f o r m a n c eo f s e n s o r ss h o u l db et a k e ni n t oa c c o u n tb u ta l s o t h e s y s t e m s t r u c t u r es h o u l d b e p r o p e r l ys e l e c t e d f u r t h e r m o r e ，t h eo p t i m i z a t i o n o f t o p o l o g i c a ls t r u c t u r ea n ds i m p l i f i c a t i o no fh a r d w a r es t r u c t u r es h o u l da l s ob ec o n s i d e r e d s e r i o u s l yi no r d e r t oa t t a i nt h et a r g e tp e r f o r m a n c eo f s y s t e m t h ed e v e l o p m e n t o fo n e - w i r e t e c h n i q u e ，f i e l d b u st e c h n i q u ea n dg p r sw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u ep r o p o s ea p e r f e c tw a yo f r e a l i z i n gi n t e l l i g e n td i s t r i b u t i o na n dm e a s u r e m e n t m o r e o v e r , d a ia n da g e n t t h e o r yp r o v i d ep o w e r f u lt h e o r e t i c a ls u p p o r tt oi m p r o v et h es y s t e m sa b i l i t yo fi n t e l l i g e n t i d e n t i f i c a t i o n ，i n t e l l i g e n tl e a r n i n ga n da n t i - n o i s e o n e - w i r eb u si san e w t e c h n i q u e b a s e do nc d m aa n ds t d i th a ss i m p l es t r u c t u r e ，l o w c o s t ，d i r e c tc o n t r o lv i ac o m p u t e ro rm i c r o p r o c e s s o ra n ds i m p l ep r o g r a m t h en e w t y p eo f o n e w i r ed i g i t a ls e n s o r , w h i c hi si n t e g r a t e d 试m t h e r m o m e t e r , a d ，c o n t r o l l e r , r o m ，r a m ， c a nc o m m u n i c a t e 、i 血s e r v e rc o m p u t e rt h r o u g h1w i r ea n dw i t h o u t a n yo t h e ra c c e s s o r i e s m o r e o v e r , 6 4s e n s o r sc a ns h a r eo n es i n g l el i n ew h i c hm a k e ss y s t e ms t r u c t u r ec o n c i s ea n d e a s y b u ti t sl i m i t e dh a r d w a r es t r u c t u r ea n dd r i v i n ga b i l i t ym a k ei td i f f i c u l tt ob u i l du p r e m o t eo n e w i r es y s t e m s f i e l d b u si so f t e na d o p t e di nt h ec o n s t r u c t i o no f i a r g e s c a l ed c s i n t e g r a t e dw i t hd i g i t a l c o m m u n i c a t i o n t e c h n i q u e ，c o m p u t e rt e c h n i q u e ，a u t o m a t i cc o n t r o l t e c h n i q u e ，n e t w o r k t e c h n i q u e ，i n t e l l i g e n ta p p a r a t u se t c ，i t s d a t ac o m m u n i c a t i o nh a st h e p r o p e r t y o fh i g h r e l i a b i l i t y , r e a lt i m ea n df l e x i b i l i t y i nf c s ，m u l t i p l ee q u i p m e n t sc o n n e c tt oas h a r e db u s t h r o u g hm u l t i p l en o d e s ，w h i c hm a k e s i tp o s s i b l ef o rn o d e t o n o d ec o m m u n i c a t i o n ，r e s o u r c e s h a r i n g ，a n dl e s sl i n ec o n n e c t i o n i no r d e r t or e a l i z eal o w c o s t ，l a r g e - s c a l er e m o t ed c s ，a h y b r i d b u sd a t ac o l l e c t i o ns y s t e mi sd e s i g n e dw i t ht h ef u s i o no ff i e l d b u sa n do n e w i r e t e c h n i q u e s t h er e l i a b i l i t yo f t h i ss y s t e md e p e n d so nr e l i a b i l i t yo f s i n g l ee q u i p m e n ta n do f k e yc o m p o n e n t s r e d u n d a n c y h o w e v e r , t h e s es y s t e m sw i l lb r e a kd o w ni fa n yp a tf a i l s m o r e o v e r ，t h em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lm o d u l e sl a c ko ft h ea b i l i t yo fs e l f - a d a p t i n ga n d s e l f - d e c i s i o n s i n g l ec o n t r o la n dp r o c e s s i n gs y s t e mc a n td e a l 、i 也c o m p l i c a t e ds i t u a t i o n s e f f e c t i v e l yw h e n t h e r ea r em a n y c o m p o n e n t sa n dm a n y k i n d so f i n f o r m a t i o n t h e r e f o r e ，i t s n e c e s s a r yt od e s i g nam e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m 、i t l lt h ep r o p e r t i e so fr e c o n s t r u c t i o n r o b u s t n e s s q u i c k - r e s p o n d i n ga b i l i t y 嬲w e l la sf a u l t t o l e r a t ea b i l i t y a g e n tt h e o r yp r o v i d e s a p o w e r f u lb a s i sf o r t h i ss y s t e m ，a n dh y b r i d - b u st e c h n i q u ep r o v i d e sa ne f f i c i e n tw a yf o rt h e i n t e r c o m m u n i c a t i o no f a g e n t s i ti sp r o v e dt h a t t h i s s y s t e mh a st h ef o l l o w i n gf e a t u r e s ： i n f o r m a t i o n - p e r c e p t i o n ，d i s t r i b u t i o n ，c o n c u i t e n c e ，s e l f - d e c i s i o na n ds e l f - a d a p t a t i o n h o w e v e r , l i n et r a n s p o r t a t i o ns e e m si m p o s s i b l ew h e nt h ed e t e c t i n gt a r g e t s i s v e r y d i s t r i b u t e da n di ti sd i f f i c u l tt op u tl i n e st h e r e a tt h i st i m e g p r ss h o w su san e wm e t h o d f o rr e m o t ec o n t r 0 1 t h e r ea r el o t so fc o n d i t i o n sf i tf o ru s i n gg p r s ：( 1 ) t r a d i t i o n a ls y s t e m c a l l tb eu s e do rh a sd i 街c u l t yt oi m p l e m e n t ；( 2 1t h es y s t e ms c a l ei sl a r g ea n dh a saw i d e d i s t r i b u t i o no f m o d u l e s a sm e n t i o n e db e f o r e ，t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f i n t e l l i g e n t h y b r i d - b u sd a t ac o l l e c t i n ga n dp r o c e s s i n gs y s t e m b a s e d o nt h ei n t e g r a t i o no fo n e w i r ea n d f i e l d b u st e c h n i q u e s ，d a ia n d a g e n tt h e o r y 、a r eu s e d t oi m p r o v es y s t e ma b i l i t yo f i n t e l l i g e n t i d e n t i f i c a t i o n ，l e a r n i n ga n da n t i n o i s e ；i nt h em e a n w h i l e ，d a t am i n i n gt e c h n i q u ea n da n n a r eu s e dh e r et op r o c e s sd a t aa n di m p r o v et h es y s t e m sd a t a p r o c e s s i n ga b i l i t y m o r e o v e r , a l a r g e - s c a l e r e a lt i m ed i s t r i b u t e dc o n t r o l s y s t e m i s d e s i g n e d w i t hg p r sa n do n e w i r e t e c h n i q u e k e y w o r d s ：o n e - w i r eb u s ，f i e l db u s ，l o n w o r k s ，h y b r i d - b u s ，a g e n tt h e o r y , g p r s 基于混合总线技术的网络化智能数据采集与处理系统设计 第1 章前言 随着现代信息技术的飞速发展和传统工业改造的逐步实现，由计算机构成的数据 采集与处理系统呈现出分散化、网络化、智能化的发展特征，同时系统的规模和复杂 性也随之迅速增加。当需要监测的系统规模比较大、监测目标比较分散、检测点比较 多时，使用单一总线结构系统往往不能适应这些复杂情况的变化。同时，传统的多点 数据采集与处理系统技术复杂性和成本相对较高，施工难度大，并且系统的可靠性和 工作效率也是迫切需要解决的问题，因此需要建立一种结构简洁、造价低廉、检测点 多、检测范围大、抗干扰能力强、智能判别和学习能力高的混合系统。单总线技术、 现场总线技术以及g p r s 无线通讯技术的发展为智能分布和测控功能的实现提供了一 套令人满意的解决方案，而分布式人工智能技术和a g e n t 理论为提高系统的智能判别、 学习和抗干扰能力提供了有力的理论支持。 单总线( 1 w i r eb u s ) 技术o ”是建立在码分多址、串行分时数据交换基础上的一 种新兴测控技术，系统的线路结构简单，硬件成本低，计算机或单片机直接测控，软 件开发也直观、容易。新型的单总线数字温度传感器是适合于微机数据采集系统的温 度传感器，集成了温度检测、a d 转换、控带目籍、r o m 、r a m 、单线双向数据传送等功 能于一体。该器件体积小、功耗低，以它构成的微机温度检测系统在硬件上可以省去 传统系统中的放大电路、多路开关、a d 转换器等部件，使硬件系统大大简化。独特 的单总线数字通讯接口，只需要1 根数据通讯线，无需其他辅助器件即可实现传感器 与主机间的通讯连接，而且多达6 4 个数字传感器可以共用该数据线，使系统间的连 接非常简洁，适应于多点测试、集中控制。但是受总线的硬件结构、驱动能力及其作 用距离的限制，远程单总线测控系统的实现有一定的难度。 现场总线是一种在微机化测量控制设备间实现双向串行多节点的数字通信系统， 又称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络“”。它综合了数字通信技术、计算 机技术、自动控制技术、网络技术和智能仪表等多种技术手段，从根本上突破了传统 的“点对点”式的模拟信号或数字模拟信号控制的局限性，把各个分散的测量控 制设备转换为网络节点，以现场总线为纽带，把它们连接成为可以互相通信、沟通信 息、共同完成控制任务的网络化控制系统“”3 。现场总线的数据通信具有较高的可靠 性、实时性和灵活性。在现场总线控制网络中，系统的各种设备通过多个节点连接到 一根公共总线上，使得各个节点之间可以实现点对点的对等通讯和系统中信息资源的 共享，同时大大减少了系统中的连接线。因此，现场总线为实现大规模智能分布和测 控系统提供了理想的解决方案。 当测控对象极度分散或实际环境无法布线时，有线传输就显得不太可能，此时采 用无线传输是较好的选择。g p r s ( 通用分组无线业务) 是近年来发展迅速的数字式移动 通信网络，它的发展为实现数据的无线传输提供了良好的条件。短信息是g p r s 的一 项分组交换业务，采用通常的g p r s 无线发送接收设备就能实现短信息的传送。这种 通信方式具有成本低、频谱利用率高、系统容量大、传输速度快、保密性好、抗干扰 能力强、开放性的接口以及覆盖范围广等优点。g p r s 利用信令信道传输，不用拨号建 立连接就可以直接发送信息。其简便快捷的性能和相对低廉的收费赢得了广大用户的 青睐，同时也为远程监控提供了一种新的技术手段。采用g p r s 无线传输在以下方面 具有应用意义：( 1 ) 在不能使用传统总线方式或使用有线方式布线困难很大的地方； ( 2 ) 测控系统规模大、测控对象分布范围广的场合。 但是，上述测控系统的可靠性是通过单个设备的可靠性和关键部件的冗余来实现 的，往往由于个别环节的故障导致整个系统不能正常工作；各测控节点缺乏自适应性 和主动性；当系统的规模比较大、信息种类比较多时，单一的系统控制处理往往不能 适应复杂的变化情况。因此，建立一种具有良好的柔性、系统重构能力、容错能力和 快速反应性的网络化测控系统成为迫切需要解决的问题。分布式人工智能技术( d a i ) 和a g e n t 理论为该系统的建立提供了一条切实有效的途径。a g e n t 技术是进行分布式 工业系统建模的一种重要方法，是设计与实施分布式智能测控环境的最自然的手段， 是构建下一代测控系统的重要技术之一。因此，将系统中的每个测控单元都构造成具 有自主性和自适应能力的a g e n t ”。“3 ，利用分布式网络环境为各a g e n t 之间的相互协 调合作提供一种交互机制，从而提高整个系统的可靠性、稳定性和工作效率。这样就 使测控系统具有了信息感知、分布性、并发性、主动性和自适应性的智能特性“。 基于上述方法，本文提出一种基于混合总线技术的网络化智能数据采集与处理系 统。该系统融合了单总线和现场总线技术，并利用分布式人工智能技术和a g e n t 理论 来提高系统的智能判别、学习和抗干扰能力，运用数据挖掘的思想和神经网络技术对 数据进行分析处理，提高系统的数据处理能力，从而实现了低成本、大规模、智能化 多点分布式测控。此外，本文还将g p r s 技术和单总线技术结合，构建了实时大规模 分散目标检测系统。 本论文完成的主要工作如下： 提出基于单总线的混合总线数据采集与处理系统的设计与实现方法； 提出基于l o n w o r k s 的混合总线网络数据采集与处理系统的设计与实现方法： 提出多a g e n t 智能混合总线网络数据采集与处理系统模型及硬件实现方法： 提出基于g p r s 技术的网络化无线数据采集与处理系统的设计与实现方法。 本文的内容组织如下： 第l 章为前言，介绍了本文的研究目的、研究意义、采用的技术手段和组织结构： 基于混合总线技术的网络化智能数据采集与处理系统设计 第2 章提出基于单总线的混合总线数据采集与处理系统设计； 第3 章介绍了现场总线技术和基于l o n w o r k s 现场总线的混合总线网络数据采集与 处理系统设计： 第4 章介绍了a g e n t 理论，提出了多a g e n t 智能混合总线网络数据采集与处理系 统模型及硬件实现方法； 第5 章介绍了g p r s 无线通信技术，提出了基于g p r s 的网络化无线智能数据采集 与处理系统设计与实现； 第6 章对本论文的工作进行了总结，并对进一步的研究方向做出展望。 第2 章基于单总线的混合总线数据采集与处理系统设计 2 1 概述 在计算机测控系统中，测控对象与计算机之间的信息交换是通过总线进行的。不 管是通用的并行、串行总线，还是专用总线，其传送数据的信号线总是多根的。最简 单的r s 一2 3 2 串行总线也有两根数据信号线，且只能通向一路被测或被控对象，否则 要用下位机扩展。这样，当遇到多路多个测控对象时，系统中相互连接就非常复杂， 尤其是远距离的信号传输容易相互产生干扰。采用单总线技术，只用一根信号线( 1 一 w i r e ) 就可以挂上多个测控对象，且电源也经这根信号线馈给，这样构成的数据采集 与处理系统简单可靠且使用方便“，适应于大规模、多点测试、集中控制。但是受总 线的硬件结构、驱动能力及其作用距离的限制，远程单总线测控系统的实现有一定的 难度。为了实现低成本的远距离、大规模、多点测控系统，本章采用现场总线技术 ( r s 4 8 5 ) 和单总线构建混合式数据采集与处理系统。 2 2 单总线技术简介 单总线( 1 w i r eb u s ) 技术。”是一种新兴的测控技术，系统线路结构简单，硬件 成本低，用计算机或单片机直接进行测控，软件开发亦直观、容易，可以广泛应用于 环境状态监测系统、实时气象监测系统( 自动气象站) 、军用仓库调控系统、农业塑料 大棚测控系统、宾馆楼宇监控系统、停车收费系统、考勤管理系统等领域。 单总线系统是只有一个总线命令者和一个或多个从者的计算机应用系统，按单总 线协议规定的时序和信号波形进行初始化、识别器件和进行数据交换。 2 2 1 硬件配置 单总线系统仅定义了一根信号线，总线上的每个器件都能够在合适的时间驱动 它，相当于把计算机的地址线、数据线、控制线合为一根信号线对外进行数据交换。 为了区分这些芯片，厂家在生产每个芯片时，都编制了唯一的序列号，通过寻址就能 把芯片识别出来。这样做能使这些器件挂在一根信号线上进行码分多址、串行分时数 据交换，组成一个自动测控系统或一个自动收费系统，甚至还可以用单总线组成一个 微型局域网。 厂家对每个芯片用激光刻录一个6 4 位二进制r o m 代码。从最低位开始，前8 位 是族码，表示产品的分类编号；接着的4 8 位是一个唯一的序列号；最后8 位是前5 6 位的c r c 校验码。c r c ( c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k ) 称为循环冗余码检测，是数据通信 中校验数据传输是否正确的一种方法。在使用时，总线命令者读入r o m 中6 4 位二进 制码后，将前5 6 位按c r c 多项式( 这里是x 8 十x 1 十x 4 十1 ) 计算出c r c 值，然后与r o m 4 兰兰堡全望垡垫查竺堕垡垡塑丝垄塑墨墨兰竺里墨竺丝苎一 中高8 位的c r c 值进行比较，若相同则表明数据传送正确，否则要求重传。4 8 位序列 号是一个1 5 位的十迸制编码，这么长的编码完全可为每个芯片编制一个全世界唯一 的号码，也称之为身份证号，可以被寻址识别出来。此外，芯片内还含有收、发控制 和电源存储电路，其示意图如图2 - 1 所示。 困 龌竺 辛，电源 丰能量存f i 肴。8 4 图2 1 单总线芯片入口的示意图 这些芯片采用c m o s 技术，耗电量都很小，从单总线上“偷”一点电( 空闲时几u w ， 工作时几m w ) 存在芯片内电容中就可正常工作了，故一般不用另附电源。单总线上通 常处于高电位( 5 v 左右) ，每个器件都能在需要时驱动它。因此，挂在总线上的每个器 件必须是漏极开路或者是三态输出的，这样，不工作时不会给总线增加功耗。 单总线技术是建立在码分多址、串行分时数据交换的基础上的，一般有两种数据 传输模式，通常以1 6 3 k b s 的速率通信，超速模式可达1 4 2 k b s 。因此，只能用于对 速度要求不高的场合，一般用于l o o k b p s 以下速率的测控或数据交换系统中。应当 指出，单总线技术作用距离在单片机i o 直接驱动下可达2 0 0 m ，经扩展可达1 0 0 0 m 以上，允许挂上百个器件，能满足一般测控系统的要求。 2 2 2 软件设计 在单总线系统中，软件设计是技术的关键。在p c 机作主控机时，单总线软件设 计基于d a l l a s 公司授权的软件开发商提供的成套开发工具，为软件开发应用带来很 大的便利。而用单片机作主控机时，可以依据单总线协议用汇编语言和c 5 l 语言来编 写全部软件。 为保证数据可靠地传输，任一时刻单总线上只能有一个控制信号或数据。处理次 序操作时，一般有以下四个过程：初始化；传送r o m 命令：传送r a m 命令； 数据交换。单总线上所有处理都从初始化开始。初始化时序由总线命令者发出的复位 s 基于混合总线技术的网络化智能数据采集与处理系统设计 脉冲和一个或多个从者发出的应答脉冲组成。“应答脉冲”是从者让总线命令者知道 某器件是在总线上，并准备工作。根据单总线的信号时序，用汇编语言写出接口程序， c 5 1 将其作为外部函数调用即可。c 语言的外部调用函数声明如下： e x t e r r lw d s ( u n s i g n e dc h a rx ) ；卑写单总线命令外部函数声明$ e x t e r nr d s c r c b ( u n s i g n e dc h a rp t ，u n s i g n e dc h a rn u m ) ；丰读单总线数据外 部函数声明 e x t e r nb i tr t d s ( v o i d ) ；a 复位单总线外部函数声明 e x t e r nd e l a y l 5 ( u n s i g n e dc h a rn ) ；牢延时1 5 u s 外部函数声明术 例如，对于单总线上的器件要读其序列号，用o x 3 3 h 命令，程序如下： i f ( r t d s ( ) ! = 1 ) f ；) d e l a y l 5 o x l f ) ； w d s ( 0 x 3 3 ) ； r d s c r c ( t e m p ，8 ) ； w h i l e ( 1 ) ) ；a r e a ds e r i a ln u m b e r 这段程序首先对单总线发复位，然后再对单总线写o x 3 3 h 命令，最后从单总线上 读取6 4 位的序列号，存入t e m p 变量中。 2 2 3 单总线器件 单总线系统中配置的各种器件是由d a l l a s 等公司提供的专用芯片来实现的。这 里简单介绍常用的典型芯片。 ( 1 ) 数字温度传感器d s l 8 2 0d s l 8 2 0 是一种新型的数字温度传感器，其主要特性： 温度测量范围：一5 j + 1 2 5 ； 分辨率：0 5 ( 一1 0 + 8 5 时) ： 温度值输出：9 位二进制数字量； 转换时间：7 5 0 m s ( 最大值) ； 用户可设置报警温度的上下限； 该温度传感器采用了与众不同的原理，是利用温敏振荡器的频率随温度变化的关 系，通过对振荡周期的计数来实现温度测量的。为了扩大测温范围和提高分辨率，使 用了一个低温系数振荡器和一个高温系数振荡器分别进行计数，并采用了非线性累加 器等电路来改善线性，故此d s l 8 2 0 具有上述良好的特性，而且售价低廉。 ( 2 ) a d 转换器 在单总线上直接挂上a d 转换器，会使系统的检测功能大大增强。 各种物理量只要通过传感器变为电压量，就可由a d 采集后经单总线送到计算机进行 处理。d s 2 4 5 0 就是这样的a d 转换器，其主要特性为： 6 4 路模拟输入通道，两种模拟输入量程为o 一2 5 6 v 和o 一5 1 2 v ： 未用做输入的通道可作为输出通道使用： 一个数据口，以1 6 3 k b s 的速率通信，超速模式可达1 4 2 k b s ； 逐次逼近的变换原理，可选择的2 8 位转换精度； 响应模拟电压超门限报警设置： 不用另接电源和外围电路； 这样，温、湿度的检测也可改用a d 转换器d s 2 4 5 0 和模拟式温、湿度传感器串 接来实现。同理，其他类型的传感器，如防火、防盗等传感器，其输出电压也可由a d 判定来报警。 ( 3 ) 可寻址控制开关 在测控系统中，开关量控制是应用最多的。对计算机来讲，只要送出一位o 或l 控制码信号，就可用它去触发被控电路。通常是先触发光电耦合器，然后启动继电器、 晶闸管或固体继电器，视被控设备功率大小选用合适的开关器件。其主要特性： 由单总线上数据决定漏极开路输出的逻辑电平作为开关控制信号。 p i o 引脚吸收能力大于4 m a ，0 4 v ； 不用外接电源； 羁潮信 图2 2 可寻址开关原理图 2 2 4单总线的应用 用单片机实现单总线应用，硬件连接简单，单片机的u o 口p 1 、p 2 、p 3 中的任 一位i o 端口都可以与单总线进行双向数据传输。用单片机对单总线系统进行现场长 期监控是最经济实惠的方案，而且还可通过r s 一2 3 2 ( 或4 8 5 ) 串行口与上位机p c 连接， 这样还能在w i n d o w s 平台上进行更高一级的软件管理。单总线技术可广泛应用到社会 各领域，在此用环境状态监控系统说明单总线技术的应用情况，其方法也完全可以应 用于其他领域。 环境状态监控系统通常用于程控通信机房、精密仪器室、档案馆、库房、宾馆客 基于混台总线技术的网络化智能数据采集与处理系统设计 房、无人值守站、变电站等场所，实时监测现场环境中的湿度、温度、烟雾、浸水及 非法侵入等情况，根据设定值自动报警并驱动相关执行器件，这是计算机在测控领域 中典型应用的实例。通常的设计方案是选用一块性能符合要求的多路数据采集( a d ) 卡，与单片机的并行口相连，再把各种传感器送来的模拟信号经多路转换开关连到a d 上，变成数字信号后交给计算机进行处理。这样设计至少有两大缺点：其一，要大量 布线才能把现场传感器的信号送到采集卡上，布线施工麻烦，成本也高；其二，线路 上传送的是模拟信号，易受干扰和损耗。因此，这种方案的性能价格比较低。 采用单总线技术设计环境状态监控系统。只要一条双绞线( 一根为信号线，一根 为地线) 从单片机拉向监控现场，然后将各种监控对象挂在其上就可以了。其示意图 如图2 - 3 所示。图中只画出了一个监控现场的配置。图2 3 中的系统可监控室内温、 湿度。因为温度传感器为直接数字输出，不需a d 转换器。湿度，、烟雾传感器、红 外传感器和浸水报警需要a d 转换器进行判别。当温、湿度超过设定值就会通过开关 d s 2 4 0 5 来开启空调机、去湿机。烟雾传感器用做防火报警，当其输出电压超过a d 设定门限时就发出报警。对于红外式传感器，当有人侵入室内时，其输出电压可由a d 判知并报警。对于浸水报警，当置于地面上的探测器被水淹而短路，接通了监视电路， 被计算机查询到后就会发出浸水报警。 电子门锁和防非法侵入都是用d s 2 4 0 1 序列号设计的。正常情况下，只有用对应 的序列号钥匙才能打开房门。若非法侵入，门窗位移使磁控开关接通设置的序列号， 则会发出报警。 图2 3 单总线环境监测系统示意图 综上所述，单总线技术比采用传统的方案具有较高的性能价格比。而且，可以看 出该技术具有以下特点：适用于低速测控场合：测控对象越多越显示其优越性；性价 8 苎主堡鱼璺垡垫查竺壁垒些塑壁墼塑墨墨皇竺垄墨竺堡盐一 比高；硬件施工、维修方便，抗干扰性能好：具有c r c 校验功能，可靠性高：软件设 计规范；系统简明直观，易于掌握。因此，积极推广单总线技术的应用会有较好的经 济和社会效益。 2 3 单总线多点数据采集系统设计 传统的温度检测大都采用模拟温度传感器如热敏电阻、热电偶、a d s 9 0 、l m 3 5 ，经 放大调理，a d 转换和数据线性修正等过程来完成。放大、a o 电路的性能对测量的 精度影响较大，特别是当传感器经较长的距离传输后与电路相连时，对电路要求特别 严格：而且在多点测量等场合会造成技术复杂、测量精度低等缺点。而数字式温度传 感器采用了半导体集成电路与微控制器的最新技术，在一个管芯上集成了半导体温度 测量芯片，数字信号转换芯片，计算机接口芯片，存储芯片等多个功能模块。除了完 成温度检测功能外，数字温度传感器还可以同时完成预置温度范围报警，而且其信号 的处理都在芯片内部完成，芯片在生产时进行了数据的线性修正，用户只需通过一定 的协议从芯片中读取数字信号，就可完成精度较高的温度测量，大大降低了成本，具 有硬件简单、使用方便、精度高，抗干扰能力强等优点。 p c 机用于测控系统中，测控对象与p c 机之间的信息交换是通过总线进行的，传 送数据的信号线有多根，且只能通向一路被测或被控对象，而单总线系统只用一根信 号线，在其上可挂接多个测控对象0 1 ，这样构成的数据采集与监控系统非常简单且使 用方便，适应于大规模、多点测试、集中控制。由于单片机构成的系统更加经济且实 用灵活，所以本节设计了基于单片机的数据采集与监控系统，此系统同样具有温度显 示、报警等功能。在以温度为主要参量的数据采集与监控系统的运行中会得到大量的 数据，在大量的数据获取后，基于数据挖掘的思想，可以通过人工神经网络进行数据 挖掘工作，运用其分布式信息存储、并行信息处理及自学习等特点，提高了系统对数 据的处理能力。 2 3 1 基于p c 机的单总线数据采集系统 ( 1 ) 系统的组成及各主要部分功能 随着信息技术的发展，由p c 机构成的数据采集与监控