（通信与信息系统专业论文）基于lonworks技术的温度控制系统的应用研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着科技的发展和自动化水平的提高，温度的自动监控已经成为各行各业 进行安全生产和减少损失的重要措施之一。特定场合下由于监测分站比较分散、 偏远，采用传统的温度测量方式周期长、成本高，而且测量人员必须到现场进 行测量，因此工作效率非常低，且不便于管理。基于l o n w o r k s 开发平台设计 的温度控制系统可以很好的达到上述的要求，它利用l o n w o r k s 开发平台，通 过传感器技术、外围接口电路以及上层基于v b 软件的控制界面，实现了对温 度实时采集，并通过l o n w o r k s 网络通讯，实现数据的传输、存储和实时监控、 实时更新、快速诊断等功能，是进行自动监控的一种智能、高效系统。 l o n w o r k s ( l o c a lo p e r a t i n gn e t w o r k s ) 总线是美国e c h e l o n 公司于1 9 9 1 年 3 月推出的局域操作网络，l o n w o r k s 现场总线以其出色的开放性、互操作性， 逐渐成为目前最具有竞争力的现场总线之一，为分布式监控系统提供了强有力 的实现手段，在其支持下，诞生了新一代智能化低成本的现场测控产品。为了 支持l o n w o r k s 总线，e c h e l o n 公司开发了l o n w o r k s 技术，它为l o n w o r k s 总线 的设计和成品化提供了一套完整的开发平台。 论文首先介绍l o n w o r k s 技术和温度控制系统的需求，l o n w o r k s 技术的现 状和背景，本课题研究的主要内容、所要解决的关键问题以及创新点等；在第 二章中，首先介绍了温度控制系统中所遇到的问题，在此基础上引入了 l o n w o r k s 技术，通过对比总结出l o n w o r k s 技术出色的开放性、互操作性等诸 多优势，接着介绍了n e u r o n 芯片的组成和l o n w o r k s 开发平台，包括网络管理 工具l o n m a k e r 、n o d e b u i l d e r 开发工具以及l n sd d es e r v e r 上层监控服务器： 第三章，给出了温度控制系统总体的设计方案以及开发的流程，然后针对温度 控制节点分别从硬件和软件两个方面进行介绍，硬件方面主要是l o n w o r k s 控 制模块与外围电路的设计，而软件方面主要是针对现场节点的数据采集模块、 数据控制模块的实现；第四章，给出了控制系统的总体方案，完成了利用 l o n m a k e r 组建网络，v b 控制界面与l o n w o r k s 网络之间的数据交互，v b 控制 界面与t m s 数据库之间的连接，介绍了系统可以实现的一些功能；在论文的最 后，分析了该设计的优缺点，指出了在实际应用中需要进一步改进的地方和下 一步要做的工作。 关键词：l o n w o r k s 总线，温度控制，数据库，v b 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to f t e c h n i c a la n dt h ee r d a a n c e m e n to f a u t o m a t i o n , t h e a u t o m a t i cm o n i t o ro ft e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e ma l r e a d yb e c a m ea ni m p o r t a n t m e t h o dw h i c hc a nn l a k ep r o d u c es a f e l ya n dr e d u c el o s s b e c a u s et h es u b s t a t i o n so f m o n i t o r sa r ef a ra w a y , i fu s i n gt r a d i t i o n a lm e t h o dt h ec y c l ei sl o n ga n dt h ec o s ti s 1 1 i g l l ，m o r e o v e r ，t h es u r v e yc r e wm u s tw o r ko nl o c a l ep o i n t ，t h e r e f o r et h ew o r k i n g e f f i c i e n c yi se x t r e m e l yl o wa n dn o tc o n v e n i e n tt om a n a g e b a s e do nt h ep l a t f o r mo f l o n w o r k s ，t h et e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mc a na c h i e v et h er e q u e s tw e l l ，u s i n gt h e p l a t f o r mo fl o n w o r k s ，t h et e c h n o l o g yo fs e n s o r , t h ep e r i p h e r a lc i r c u i ta n dt h e c o n t r o li n t e r f a c eo fv bs o f t w a r e ，i tr e a l i z e dt h et e m p e r a t u r er e a l t i m eg a t h e r i n g ， t h r o u g ht h el o n w o r k sn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n , r e a l i z e st h ef u n c t i o n so fd a t a t r a n s m i s s i o n , m e m o r ya n dr e a l t i m em o n i t o r i n g ，r e a l - t i m er e f r e s h , f a s td i a g n o s i sa n d s oo n ，i ti sa ni n t e l l i g e n ta n d m g h l y e f f e c t i v es y s t e mi na u t o m a t i cm o n i t o r l o n w o r k s ( l o c a lo p e r a t i n gn e t w o r k s ) w a sc r e a t e di nm a r c h , e c h e l o n c o r p o r a t i o ni n1 9 9 1a tu s a b e c a u s eo fi t so p e n , m u t u a l l yo p e r a t i n gl o n w o r k s g r a d u a l l yb e c a m eo n eo fm o s tc o m p e t i t i v ef i e l db u s e sa tp r e s e n t , h a sp r o v i d e dt h e p o w e r f u lm e t h o dt od i s t r i b u t i o n a ls u p e r v i s o r ys y s t e m u n d e ri t ss u p p o r t , w a sb o m t h en e wg e n e r a t i o no fi n t e l l e c t u a l i z e da n dl o wp r o d u c t i o n i no r d e rt os u p p o r tt h e l o n w o r k s ，e c h e l o nc o r p o r a t i o nh a sc r e a t e dt h el o n w o r k st e c h n o l o g y i tp r o v i d e da c o m p l e t ep l a t f o r mt ot h ed e s i g na n dp r o d u c eo f f i e l db u s a tf i r s tt h ep a p e ri n t r o d u c e dt h ef i e l db u sa n dt h el o n w o r k s ，t h es i t u a t i o na n d t h eb a c k g r o u n do ft h el o n w o r k sa tp r e s e n t , t h et o p i co fr e s e a r c hc o n t e n t ，t h ek e y q u e s t i o n st os o l v e ，i n n o v a t i o na n ds oo n i nt h es e c o n dc h a p t e r , i tf i r s t l yi n t r o d u c e d t h eq u e s t i o n so ft h et e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m , i n t r o d u c e dt h el o n w o r k si nt h e s i t u a t i o n ，i so p e n , m u t u a l l yo p e r a t i o n a la n ds oo nm a n ys u p e r i o r i t y , t h e ni n t r o d u c e d t h en e u r o nc h i pa n dt h ep l a t f o r mo f l o n w o r k s ，i n c l u d i n gn e t w o r km a n a g e m e n tt o o l l o n m a k e r , n o d e b u i l d e rd e v e l o p m e n tk i ta sw e l la sl n sd d es e r v e r i nt h et i l i r d c h a p t e r , i tp r o v i d e dt h ed e s i g n e dm e t h o da n dt h ed e v e l o p m e n tf l o wo ft e m p e r a t u r e 武汉理工大学硕士学位论文 c o n t r o ls y s t e m , t h e nr e s p e c t i v e l yc a r r i e so nt h ei n t r o d u c t i o ni nv i e wo ft h e t e m p e r a t u r es y s t e mf r o mt h eh a r d w a r ea n dt h es o f t w a r e ，i nt h eh a r d w a r ea s p e c ti s t h el o n w o r k sc o n t r o lm o d u l ea n dt h ep e r i p h e r yc i r c u i td e s i g n , i nt h es o f t w a r ea s p e c t i sm a i n l ya i m sa td a t as a m p l em o d u l e ，t h ed a t am a n a g em o d u l e i nt h ef o u r t hc h a p t e r , i th a sp r o d u c e dt h eo v e r a l l # a no ft h et e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m ，h a ss e tu pt h e n e t w o r kc o m p l e t e l yu s i n gl o n m a k e r , e s t a b l i s hc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nv bc o n t r o l i n t e r f a c ea n dt h el o n w o r k sn e t w o r k , b e t w e e nt h ev bc o n t r o li n t e r f a c ea n dt h et m s d a t a b a s e ，i n t r o d u c e ds o m ef u n c t i o n so f t h et e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m i nt h ee n d , i t h a sa n a l y z e dg o o da n db a dp o i n t so ft h ed e s i g n ，h a sp o i n t e df u r t h e rw a yt oi m p r o v e t h ew o r ki nt h ep r a c t i c a la p p l i c m i o n k e t w o r d s ：l o n w o r k s ，t e m p e r a t u r ec o n t r o l ，d a t a b a s e ，v b l h 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：董，j 恝日期：竺! i ：至：! l 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：茎! 塑新签名：耸丛同期：塑盟j 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 目前国际上把工厂自动化( f a ) 分为三层，上层为企业级生产管理层( e r p ) ， 中间为制造执行系统层( m e s ) ，工业生产过程控制位于f a 的最底层。随着微 处理器与计算机功能的不断增强和价格的不断下降，计算机与计算机网络系统 得到迅速发展，而处于底层的测控自动化系统，由于采用一对一连线，用电压、 电流等模拟信号进行测量控制，或者采用自封闭式的集散系统，难以实现设备 之间以及系统与外界之间的信息交换而成为“信息孤岛”。要实现整个企业的信 息集成，实施综合自动化，就必须设计出一种能够在工业现场环境运行的、性 能可靠、造价低廉的通信系统，形成工厂底层网络，完成现场自动化设备之间 的多点数字通信，实现底层现场设备之间以及生产现场与外晃的信息交换。现 场总线就是在这种需求的驱动下应运而生的。 作为过程自动化、制造自动化、楼宇、交通等领域现场智能设备之间的互 联通信网络，现场总线具有开放式、数字化、多点通信等特点，它作为智能设 备的联系纽带，把挂接在总线上，作为网络节点的智能设备连接为网络系统， 并进一步构成自动化系统，沟通了生产过程现场控制设备之间及其与更高控制 管理层网络之间的联系，为彻底打破自动化系统的“信息孤岛”创造了条件。 由于现场总线适应了工业控制系统向分散化、网络化、智能化发展的方向，给 自动化系统的最终用户带来了更大的实惠和很多方便，所以一经产生就成为全 球工业自动化领域的热点，导致了传统控制系统结构的较大变革，形成了新型 的网络集成式全分布控制系统现场总线控制系统f c s ( f i e l dc o n t r o ls y s t e m ) 【。 在众多的现场总线标准中，l o n w o r k s 以其特有的优良性能脱颖而出。 l o n w o r k s 是一种完整的、全开放、可互操作，目前已十分成熟的分布式控制网 络技术。全世界已有2 5 0 0 多家公司利用l o n w o r k s 技术生产各种各样的 l o n w o r k s 产品，以满足现代化工业过程控制、楼宇控制和家庭智能自动化控制、 能源管理和控制、设备自动化控制等分布式控制网络系统的要求。 武汉理工大学硕士学位论文 环境条件中的温度指标是许多工作场合的重要参数，不论是仓库管理、图 书保存还是工业测量与计量检定，都要符合操作规定温度环境条件。针对这种 情况，研制可靠且实用的温度控制系统显得非常的重要，温度控制系统是大型 库房和现场设备安全管理和操作的重要保障。基于l o n w o r k s 开发平台设计的 温度控制系统可以很好的达到上述的要求，它利用l o n w o r k s 开发平台，通过 传感器技术、外围接口电路以及上层基于v b 软件的控制界面，实现了对温度 实时采集，并通过l o n w o r k s 网络通讯，实现数据的传输、存储和实时监控、 实时更新、快速诊断等功能，是进行自动监控的一种智能、高效系统。 1 2l o n w o r k s 技术应用现状 利用l o n w o r k s 总线可将温度控制系统中所有的温度控制节点连接起来， 从而提高了通信质量，极大地减少了后期系统维护的问题。温度监控系统是智 能型的，能够处理大量的信息，对被控温度控制节点进行实时监控和调节，同 时温度控制节点可以进行现场智能监控，这样就大大减轻了中央处理器所承载 的工作，使整个系统的可靠性大大的提高，l o n w o r k s 总线还具有很强的扩展能 力 2 1 。 l o n w o r k s 系统由于监控模块设置在被控设备的附近，线路的维护也变得简 单容易，布线的数量大大减少，施工也变得容易，从而使工程成本降低，系统 的维护也变得简单容易。基于以上l o n w o r k s 技术的独特优势，还有其与e t h e m e = t 的互联，具有通信速率高、通信距离远的特点，在应用层给用户很大的应用空 间，有很好的灵活性，目前在世界范围内得到了广泛的应用。 在国外，l o n w o r k s 技术的相关产品已经成功应用在楼宇、住宅、电力和工 厂等诸多领域；在国内，自l o n w o r k s 技术推广到中国以来，已陆续在楼宇自 动化系统( b a s ) ，电力系统供配电监控和数据采集系统，远程通信网络中心监 控系统领域开展了广泛的应用研究。随着国内企业对l o n w o r k s 技术的更深入 认识，l o n w o r k s 技术应用的深度和广度已经越来越大，国内多家控制系统开发 的专业公司已成为e c h e l o n 公司的合作伙伴。 l o n w o r k s 以其突出的统一性、开放性及互操作性正在受到各行各业的重 视。最近，e c h e l o n 又有新的举措，这就是允许将l o n t a l k 协议移植到任何的 c p u 上。l o n w o r k s 可以说已经在事实上起着通用现场总线的作用。相信，随 着时间的推移，l o n w o r k s 技术必定会以全新的概念，在各个领域发挥其无可比 2 武汉理工大学硕士学位论文 拟的优越性。 1 3 论文的主要内容、创新点和组织结构 本课题的主要内容是：利用l o n w o r k s 开发平台设计一个可循环控制的温 度控制系统。温度控制系统的开发过程主要是：利用温度传感器a d 5 9 0 设计一 个温度采集电路实现温度与电压之间的转换，得到的电压值经过a d 转换后传 输到n e u r o n 芯片中以网络变量的形式表现出来，再用网络管理工具l o n m a k e r 组网后，经过l n sd d es e r v e r 服务器将网络变量传送到用v b 图形开发软件设 计的可视化控制界面中，在控制界面和s q l 数据库的交互后对传输上来的网络 变量作出处理，处理网络变量后会产生相应的反馈信息逆向的回到现场节点， 从而使整个温度控制系统形成一个循环控制的系统。 温度控制系统具体所涉及到的内容有： ( 1 ) 基于n e u r o n 芯片的温度控制节点的硬件和软件设计； ( 2 ) v b 控制界面与l o n m a k e r 网络之间的数据交互； ( 3 ) v b 控制界面与数据库的交互。 温度控制系统所要解决的关键问题： ( 1 ) 如何把e c h e l o n 公司的编程语言n e u r o nc 成功的运用到自制的温度 控制节点中，使其正常的工作。 ( 2 ) v b 控制界面如何监控温度控制节点，即v b 控制界面如何去获得 l o n w o r k s 网络中的网络变量以及针对采集的数据做出相应的处理反馈； ( 3 ) v b 界面如何与t m s 数据库连接。 论文的创新点： 根据温度控制节点的特征设计的v b 可视化控制界面，控制晃匦与 l o n w o r k s 网络之间建立起连接，v b 可视化界面再与数据库之间连接，其中数 据库中存储了关于现场节点信息的大量数据。 论文的章节安排如下： 第1 章，绪论。主要对l o n w o r k s 技术进行了概述，介绍了课题的现状和 背景，本课题研究的主要内容、创新点等。 第2 章，温度控制系统与l o n w o r k s 技术。通过对比各种现场总线的特点 总结出l o n w o r k s 技术用在温度控制系统中的诸多优势，介绍n e u r o n 芯片的组 成和l o n w o r k s 开发平台，包括网络管理工具l o n m a k e r 、n o d e b u i l d e r 开发工具 武汉理工大学硕士学位论文 以及l n sd d es e r v e r 上层监控服务器。 第3 章，基于l o n w o r k s 技术的温度控制系统的开发。首先给出了温度控 制系统总体的设计方案以及开发的流程，然后针对温度控制节点分别从硬件和 软件两个方面进行介绍，硬件方面主要是l o n w o r k s 控制模块与外围电路的设 计，而软件方面主要是针对现场节点的数据采集模块、数据控制模块的实现。 第4 章，温度控制系统的组网和可视化控制界面的设计。首先给出了控制 系统的总体方案，完成了利用l o n m a k e r 组建网络，v b 控制界面与l o n w o r k s 网络之间的数据交互，v b 控制界面与t m s 之间建立连接，最后介绍了系统可 以实现的一些功能。 第5 章，总结和展望。最后对论文进行了总结，对研究中不足之处提出了 自己的看法。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章温度控制系统与l o n w o r k s 技术 众所周知，温度是一个非常重要的物理参数，它和自然界中的任何物理和 化学过程相联系。在生产过程中，各个生产的环节，各种经济技术指标都和温 度紧密相联，因此人们在各个领域中都特别重视温度的测量。温度的测量是通 过对一些物质特殊的温度效应来实现的。温度的测量也是多种多样的。温度的 测量受到重视，同样我们也特别重视温度的控制。 e c h e l o n 公司在1 9 9 8 年开始l o n w o r k s 技术平台的开发。最初的理想一直 推动着公司前进，必须创立一种标准、经济的方法，让低廉的控制装置相互便 捷的通信，然后再运用标准的通信能力，使来自多个销售商的装置能在网上互 操作。e c h e l o n 懂得先发展协议规格不足以达到建立多销售商系统之间统一的目 的，必须创立一个标准、经济的方法，它使协议能付之应用并提供全部必要的 开发工具和组网产品。l o n w o r k s 技术的最高目标就是方便和经济地建立开放控 制系统。 2 1l o n w o r k s 技术用在温度控制系统中的优势 随着科技的发展和自动化水平的提高，温度的自动监控已经成为各行各业 进行安全生产和减少损失的重要措施之一。特定场合下由于监测分站比较分散、 偏远，采用传统的温度测量方式周期长、成本高，而且测量人员必须到现场进 行测量，因此工作效率非常低，且不便于管理。温度控制系统一般是由计算机、 传感器、执行机构及驱动部件组成的多输入、多输出的闭环控制系统。 传统的温度控制系统采用的是集散控制系统，总线结构一般采用r s 4 8 5 ， 它利用了单片机价格便宜、功能强，抗干扰能力好、温限宽和面向控制等优点， 结合微机的软硬件支撑，是一种比较通用的温度控制系统。但是这类温度控制 系统存在着固有的缺陷：控制系统的物理层采用上下位机主从集散控制结构， 一旦上位机出现故障，将会导致整个温度控制系统瘫痪，危险过于集中，系统 的可靠性和稳定性不佳；同时该温度控制采用r s 4 8 5 总线，有效的传输范围不 超过1 2 0 0 m ，这些缺点极大的限制了温度控制系统的发展。 现场总线是近年来备受关注并得到迅速发展的自控新技术，它以具备数字 武汉理工大学硕士学位论文 计算与数字通信能力的测量控制设备作为网络节点，以总线作为节点间实现数 字通信的联系纽带，构成开放式、数字化的控制网络。利用现场总线技术可以 很好的完成对现场温度测控的目的，具有结构简单、可靠性强、成本低等特点， 可以用于桥梁混凝土测温、电力电缆火灾监测、粮食仓库以及物资仓库等温度 监测，很好的解决了温度的自动监测方面的问题。 根据国际电工委员会( i e c ) 和现场总线基金会( f f ) 的定义：现场总线 是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的串行通 信网络。由于技术和利益的原因，目前国际上除了l o n w o r k s 技术外，还存在 着多种现场总线标准，比较流行的主要有以下几种p j 。 c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t ，控制局域网络) ：c a n 是主要用于过程监测及 控制的一种网络。它是德国b o s c h 公司为汽车的监测和控制而设计的，目前它 己逐步应用到其他工业部门的控制应用中并已成为i s 0 1 1 8 9 8 国际标准。 p r o f i b u s ( p r o c e s sf i l e db u s ，过程现场总线) ：p r o f i b u s 是德国标准， 1 9 9 1 年在d i n l 9 2 4 5 中公布了此标准。p r o f i b u s 引入功能模块的概念。不同 的应用需要使用不同的模块，在一个确定的应用中，按照p r o f i b u s 规定来定 义模块，写明其硬件和软件的性能，规范功能设备与p r o f i b u s 通信功能的一 致性。 h a r t ( h i g h w a ya d d r e s s a b l er e m o t et r a n s d u c e r ，可寻址远程传感器数据通 路) ：h a r t 是美国r o s e m o u n t 研制的。h a r t 参照了i s o o s i 模型的第l 、2 、 7 层，即物理层、数据链路层和应用层。 f f ( f i e l db u sf o u n d a t i o n ，现场总线基金会) 现场总线：f f 是国际公认的 唯一不附属于某企业的公正的非商业化的国际标准化组织，其宗旨是制定单一 的国际现场总线标准，无专利许可要求，可供任何人使用。 除了上面讲到的几种现场总线外，还有一种现场总线即l o n w o r k s ( l o c a l o p e r a t i n g n e t w o r k s ，局部操作网络) 网络，简称l o n 网。它是由美国e c h e l o n 公司在1 9 9 1 年推出的网络控制系统。与当前已有的几种现场总线相比，l o n 网以其特有的突出特点：统一性、开放性以及互操作性，成为实际上的现场总 线推荐标准。 l o n w o r k s 是由美国e c h e l o n 研制的，相比上述的各种现场总线，l o n w o r k s 网络完全满足了未来发展对测控网络的要求，未来的发展要求测控网络应具备 如下的条件【4 】【5 】： 6 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 开放性：网络协议必须是开放的，并且对任何用户都是平等的； ( 2 ) 互操作性：网络协议需要完整到任何制造商的产品都可以实现互操作 性； ( 3 ) 通信媒介：可用任何传输媒介进行通信，包括双绞线、电力线、光纤、 同轴电缆、无线电波和红外光波，并且多种媒介应该能够在同一网络中混合使 用： ( 4 ) 网络结构：应该能够使用所有现在已有的网络结构，如主从式、对等 式以及客户朋艮务式； ( 5 ) 网络拓扑：应该不受总线型网络拓扑单一形式的限制。网络拓扑应该 可以自由组合，也就是说，除了总线型拓扑结构之外，用户还可以选择任意形 式的网络拓扑。 目前较流行的现场总线，如f f 、c a n 等，都达不到上述要求，而l o n w o r k s 技术却可以完全满足上述这些基本要求。可以说，l o n w o r k s 以其特有的优良性 能，成为众多现场总线产品中的佼佼者。 l o n w o r k s 现场总线综合了当今现场总线的多种功能，同时具备了局域网的 一些特点。l o n w o r k s 以其突出的统一性、开放性及互操作性正在受到各行各业 的重视。最近，e c h e l o n 又有新的举措，这就是允许将l o n t a l k 协议移植到任何 的c p u 上。l o n w o r k s 可以说已经在事实上起着通用现场总线的作用。相信， 随着时间的推移，l o n w o r k s 技术必定会以全新的概念，在各个领域发挥其无可 比拟的优越性。而基于l o n w o r k s 技术的温度控制系统也会向着实用性、通用 性以及网络互联的方向发展。 2 2l o n w o r k s 现场总线的核心技术 n e u r o n 芯片内部含有三个微处理器：介质访问控制处理器( m a c ) 、网络 处理器( n e t w o r k ) 和应用处理器( a p p l i c a t i o n ) ，结构如图2 1 所示。 ( 1 ) 介质访问控制处理器：介质访问控制处理器主要控制七层网络协议中 的l 2 层，它包含驱动通信子系统的硬件以及避免冲突的算法。 ( 2 ) 网络处理器：网络处理器完成i s o o s i 模型3 6 层网络协议，它处 理网络变量、地址、认证、后台诊断、软件定时器、网络管理和路由等功能。 网络处理器使用共享存储器中的网络缓冲区同介质访问控制处理器通信，使用 共享存储器中的应用缓冲区同应用处理器通信。在更新共享缓冲区的数据时， 武汉理工大学硕士学位论文 用硬件信号来仲裁对共享缓冲区数据访问的冲突。 ( 3 ) 应用处理器：应用处理器完成用户的编程，其中包括用户程序对操作 系统的服务调用。 通信端口输入输出端口 图2 1n e u r o n 芯片处理器结构 这三个处理器各有自己的寄存器，但是享用共同的数据和地址运算器及存 储单元访问电路。三个处理器之间，介质访问处理器与网络处理器使用位于共 享存储单元的网络存储区进行通信，应用处理器与网络处理器使用共享存储单 元中的应用缓存区进行通信。 l o n w o r k s 技术的一个很重要的特点就是提供了一套强有力的软件开发平 台。它提供了网络的管理、节点应用程序的编译环境( e d i t 、b u i l d e r 以及d e b u g g e r 等) 以及网络的组态等功能。l o n w o r k s 提供的软件开发工具包括网络管理工具 l o n m a k e r 、基于节点开发的开发工具n o d e b u i l d e r 以及l n sd d es e r v e r 上层监 控服务器1 6 1 “。 ( 1 ) l o n m a k e r 工具支持l o n w o r k s 设备和l o n m a r k 设备，遵循l n sp l u g - i n 标准，这个标准允许l o n w o r k s 设备制造商为他们的产品提供特定应用，并且 在l o n m a k e r 用户选择相关的设备时，自动启动这些特定的应用。该功能使系 统工程师和技术人员十分容易地定义、安装、维护和测试相关的设备。 ( 2 ) l o n w o r k s 应用开发需两种开发工具：n o d e b u i l d e r 是一种节点级的开 发工具，用于单个l o n w o r k s 节点的编程与调试；l o n b u i l d e rd e v e l o p e r 5 w o r k b e n c h 为一种系统的开发工具，用于多个l o n w o r k s 节点问的应用开发。通 武汉理工大学硕士学位论文 常，类似于单片机仿真器功能的n o d e b u i l d e r 可用于基于n e u r o n 芯片节点开发 和编程，使其具有响应环境、向其他节点发送和接收信息并施加动作的能力， 也可以通过适当的方法将多个节点进行集成以组成一个控制网络，以分布式方 式执行复杂的任务。为满足l o n w o r k s 应用开发的需要，n o d e b u i l d e r 软件部分 提供了节点应用程序设计和网络监控的工具。 ( 3 ) l n sd d e 服务器是l o n w o r k s 网络服务工具之一，用户开发的应用 程序可以使用它与网络进行信息交换，从而监控整个网络。使用l n sd d e 服 务器，多个客户应用程序可同时访问网络。l n sd d e 服务器可以使任何d d e 兼容的w i n d o w s 应用程序监视和控制l o n w o r k s 网络。l n sd d e 服务器在 l o n w o r k s 设备和w i n d o w s 客户应用程序之间交换网络变量、结构配置和应用 报文。支持d d e 的w i n d o w s 应用程序可作为d d e 客户，监视和控制l o n w o r k s 网络。因此，支持d d e 的应用程序可以观察网络变量的值、结构属性和显式消 息，也可以改变它们的值以影响整个网络的运行。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章温度控制系统的现场节点开发 n e u r o n 芯片是一种集3 个8 位c p u 及网络通信协议l o n t a l k 于一体的芯片， n e u r o n 芯片能够完成信息的输入、输出以及处理，并可通过不同的收发器与不 同的通信介质连接，方便地实现网络通信。以n e u r o n 芯片为核心构成温度控制 系统的现场节点可以使上位机和现场设备之间相互通信，快速的交换信息，以 满足系统的实时监控要求。 3 1 温度控制系统的总体方案 本论文中所设计的温度控制系统主要是用来监测和控制现场设备的温度， 当现场设备上的温度超出了此设备所能承受的最大值时，现场节点就会做出相 应的处理来降低现场设备的温度，从而起到的保护现场设备的目的【引，同时上 层系统还可以监控和设计现场节点。 3 1 1 温度控制系统的总体框架 温度控制系统包括现场温度控制节点、网络接口和网络管理软件以及数据 监控模块。我们所设计的温度控制系统的总体框架如图3 1 所示。 收发器 驱动程 现场。 温度 接口 网络 p c 序接口 网络 d d e 数 控制 斗_ 驱动 一服务 监控i _ 据 温度7 r接口 接口 节点 双绞线 程序 软件界面 库 温度控制节点 网络接口和网络 数据监控模块 通信管理软件 图3 1 温度控制系统的总体框架图 整个温度控制系统将数据检测、数据处理、数据通信和数据监控相结合， l o n w o r k s 现场总线担任过程现场与计算机之间的串行数字通信链路。由于 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 l o n w o r k s 现场总线是基于数字通信的，因此在现场与计量之间，能实现以数字 方式进行的双向通信例。温度控制系统中各部分的功能介绍如下： ( 1 ) 温度控制节点。它是包含有n e u r o n 3 1 5 0 芯片的装置，能进行现场数 据的采集和处理，并具有可靠的网络通信功能。它提供数据测量、数据处理、 过程监控等功能，直接与工业过程相连，进行数据采集、输出控制信息以及实 现数据通信。 ( 2 ) 网络接口和网络通信管理软件。在整个系统中，实现p c 机与温度控 制节点之间的实时数据和监控命令上传和下达的作用。网络通信软件主要是由 网络接口软件和网络驱动软件两部分组成。 ( 3 ) 数据监控模块。主要实现网络管理功能，用于监视和管理现场智能装 置。 在整个系统的设计过程中，我们的重点是温度控制节点和数据监控模块的 设计，由于l o n w o r k s 开发平台已经很好的解决了网络接口和网络通信管理软 件这个问题，在以后的设计中，将不作为重点介绍。 3 1 2 温度控制系统的开发流程 温度控制系统是用l o n w o r k s 开发平台进行基于n e u r o n 芯片的智能节点的 开发，温度控制系统的核心技术是l o n t a l k 协议、n e u r o n 芯片、l o n w o r k s 网络 的组建、v b 可视化界面以及数据库设计等n 0 1 “】。具体的在开发过程中应包括 以下几个步骤： ( 1 ) 定义温度控制系统的功能； ( 2 ) 将整个温度控制系统划分为几个功能模块； ( 3 ) 为每个功能模块定义它们的外部接口； ( 4 ) 编写各个功能模块的应用程序； ( 5 ) 创建、调试并测试每个功能模块； ( 6 ) 将功能模块集成到网络上进行调试： ( 7 ) 设计控制界面，并实现其与l o n w o r k s 网络的连接； ( 8 ) 设计t m s 数据库，并实现其与控制界面的连接。 步骤( 1 ) 至步骤( 5 ) 由n o d e b u i l d e r 开发工具完成，步骤( 6 ) 可以用网 络管理工具l o n m a k e r 完成，步骤( 7 ) 可以用网络服务工具l n sd d es e r v e r 以及v b 开发软件来实现，步骤( 8 ) 可以用o d c b a p i 函数来实现。 武汉理工大学硕士学位论文 第一步：定义温度控制系统的功能。在开发过程的定义问题阶段。应首先 定义定义温度控制系统的理想功能。 第二步：将整个温度控制系统划分为几个功能模块。在开发过程中确定设 备和设定其功能的阶段，可以将应用划分成一个或多个设备，单个设备可以是 个独立的l o n w o r k s 对象( 具有一个神经芯片，一个或多个i o 设备，一个收 发器和一个可选的主处理器) ，也可以是外围的i o 接口电路2 1 。 第三步：为每个功能模块定义它们的外部接口。在功能模块接口定义阶段， 应将功能模块接口定义为对其他功能模块可见的形式。这些接口用应用层 l o n m a r k 对象进行定义，包括标准格式和信息如何在网络设备间交换的语义。 一个遵循l o n m a r k 协议的设备包括一个或多个l o n m a r k 对象，每个对象由一个 特定的对象类型码、一组网络变量以及配置属性进行定义。 第四步：编写各个功能模块的应用程序。应用程序用n e u r o nc 语言编写。 n e u r o nc 应用程序应使用1 0 对象、网络变量，以及所定义的任务，编写对象 和任务的运行代码要满足设备的功能需求。 第五步：创建、调试并测试每个功能模块：按照你们设计的步骤设计好各 个功能模块，测试各个模块运行的可行性。 第六步：将功能模块集成到网络上进行调试。在网络功能模块集成和测试 阶段，从几个功能模块开始逐渐对现有的温度控制系统添加新功能模块，一 直到创建一个完整的网络【i3 1 。 第七步：设计控制界面，并实现其与l o n w o r k s 网络的连接。在前面网络 测试成功的基础上，利用l n sd d es e r v e r 上层监控服务器可以在l o n w o r k s 设 备和w i n d o w s 客户应用程序之间交换网络变量、配置属性和应用消息等特点， 用v b 软件设计一个控制界面，使界面可以直接和l o n w o r k s 网络连接1 1 4 1 。 第八步：设计t m s 数据库，并实现其与控制界面的连接。设计存储现场节 点信息的数据库，用o d b ca p i 函数来实现控制界面与数据库的连接。 3 2 温度控制系统节点的硬件设计 前面的章节中已经讲到了开发基于n e u r o n 芯片的温度控制系统所涉及到 的知识点、所要开发的功能模块、开发的流程等相关内容，在本节中将详细的 介绍我们所设计的基于n e u r o n 芯片的温度控制系统节点的硬件电路。 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 1 硬件电路的总体方案 温度控制系统节点的硬件框图如图3 2 所示，温度控制节点应该包括以下 两个主要功能块：l o n w o r k s 控制模块与外围接口电路。目前常用的基于 l o n w o r k s 控制模块的数据采集节点的主体结构基本上都是采用l o n w o r k s 控制 模块加刖d 转换电路，这类节点主要通过软件设计对底层设备进行不断的采样， 实现对模拟量的采集和转换。虽然此方案可以较好地完成数据采集