基于nor技术的热电阻温度测量智能节点的设计.docx

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基于nor技术的热电阻温度测量智能节点的设计

基于LonWorks技术的热电阻温度测量智能节点的设计

李正军蒋攀峰（山东大学控制科学与工程学院，济南250061）

摘 要：

推出了基于LonWorks技术的用于4路热电阻温度测量的智能节点FBLon-4RTD。

具体介绍了该智能节点的特点、硬件构成、测量电路工作原理以及采用Neuronc语言进行测量与通信程序设计的方法。

关键词：

智能节点；温度测量；LonWorks技术；数据传输

一、概述

随着信息技术的飞速发展，自动化领域发生了深刻的变革，逐渐形成了自动化系统的开放系统互连通信网络，用以组成全分布式网络集成自动化系统，而现场总线正是这场深刻变革中的重要技术。

现场总线就是用于现场仪表与控制系统和控制室之间的一种全分散、全数字化、智能、双向、互联、多变量、多点、多站的串行通信网络，它改变了传统模拟测控系统一对一物理连接的体系结构，实现了一对总线（如双绞线）上传输多个节点的多种信号，如运行参数值、设备状态、故障信息等。

本文所介绍的智能节点基于美国Echelon公司的LonWorks现场总线技术。

LonWorks技术在数据采集与监控系统（SCADA）、工业控制、楼宇自控、智能交通等领域得到了十分广泛的应用，全世界共拥有5000多家OEM厂商。

下面以我们设计的4路热电阻温度测量FBLon-4RTD智能节点为例，介绍其设计方法。

该智能节点具有如下特点：

1、采用ADAM模块结构，能同时测量4路热电阻信号，如Pt10、Pt100、Cu50、Cu100等；

2、通过跳线器选择二线制、三线制、四线制恒流源输入方式；

3、通过组态软件配置测量信息，如热电阻型号选择、测量范围、上下限报警点等；

4、智能节点上的TMPN3150神经元芯片（neuronchip）根据配置的信息实现自动测量；

5、采用24位Δ-Σ模数转换器ADS1216进行热电阻信号的测量，精度高，内置恒流源和PGA，可直接输入传感器信号；

6、具有低通滤波、过压保护及断线识别功能；

7、神经元芯片与模拟信号测量之间采用光电隔离，抗干扰能力强；

8、可安装于测量现场，通过LON总线的78kbps双绞线收发器将测量信息传送到监控计算机，方便地构成智能分布系统（SDS）。

二、硬件构成

该智能节点以日本TOSHIBA公司生产的Neuron芯片TMPN3150B1AF为核心，配以美国Echelon公司生产的78kbps双绞线收发器DS1233,MAXIM公司的低电压监测器MAX355高性能模拟开关、BB公司的高精度24位Δ-Σ模数转换器A1216、光电隔离器PS2501、DC-DC电源模块等组成，其硬件构成框图如图1所示。

图1热电阻温度测量智能节点硬件框图

LonWorks技术的核心是神经元芯片，该芯片内置3个微处理器：

MAC处理器、网络处理器、应用处理器。

它们共同完成ISO/OSI互连参考模型的七层网络协议。

在图1中，通过MAC处理器的CP0、CP1、CLK2与FTT-10A双绞线收发器互连组成LON总线；网络处理器处理网络变量、地址、认证、后台诊断、软件定时器、网络管理和路由等进程；应用处理器与一般处理器相同，通过其三总线扩展一片AT29C512EEPROM，用以存放LON网络操作系统并下载用户程序。

Neuron芯片可以方便地使用SPI接口与外部器件如A/D转换器、显示驱动器等接口，SPI接口由Neuron芯片固件所支持的NeurowireI/O对象来实现。

IO8是时钟信号，IO9是串行数据输出信号，IO10是串行数据输入信号，而片选信号可以在IO0-IO7之间任意选择定义。

Neuron芯片利用SPI接口选择ADS1216某一路热电阻通道、启动A/D转换器并读

取A/D转换结果。

为了抗干扰，神经元芯片的输入输出口与测量电路之间采用了光电隔离措施。

三、测量电路工作原理

测量电路如图2所示。

图2测量电路图

图2中，ADS1216为BB公司最新生产的高精度、宽动态范围的、具有24位分辨率的Δ-Σ模/数转换器，可在2.7～5.25V范围内工作，具有8路单端或4路差动模入通道，可直接与传感器和低电压信号相接，内部缓冲器可选择很高的输入阻抗，具有可熔断电流源，允许检测传感器的开路或短路。

内部具有可编程增益放大器PGA（增益可选择1，2，4，8，16，32，64及128，可选用内部参考电压（2.5V或1.25V），也可选用外部差分输入参考电压。

片内两个电流DAC通过外部引脚RDAC对地接一电阻设定恒流源，输出电流IDAC1、IDAC2=VREF/（8*RDAC）（2RANGE-1）D，其中VREF为参考电压，RDAC为外接电阻，RANGE为量程设定值，大小由模拟控制寄存器ACR设定，D为8位DAC数字量。

当VREF=2.5V,RDAC=150KΩ时，满刻度输出电流为0.5mA，1mA和2mA。

另外，ADS1216还有8位可编程I/O数字口。

ADS1216通过SPI总线与神经元芯片TMPN3150接口，且工作在从模式，即SCLK信号由神经元芯片产生并且输入到ADS1216。

ADS1216的恒流源输出IDAC1、IDAC2分别接到MAX355模拟开关的COMA、COMB端，通过神经元芯片的I02、IO30分别选择第1路至第4路热电阻信号与恒流源接通。

JP1、JP2为热电阻输入接线方式选择跳线器。

例如：

当IO2，IO30为00时，MAX555的NO1A、NO1B与COMA、COMB分别对应接通。

此时JP1的1、2断开，2、3短路，JP2全部断开，则为二线制接线，热电阻信号从RTD1B、RTD1C接入，但RTD1C、RTD1D要短接；若JP1状态同上，JP2的1、2短路，2、3断开，则为三线制接线，热电阻信号从RTD1B、RTD1C、RTD1D接入；若JP2的1、2短路，2、3断开，JP2全部断开，则为四线制接线，热电阻信号分别从RTD1A、RTD1B、RTD1C、RTD1D接入。

从热电阻上取得的差动信号VIN1、VIN2送至ADS1216的AIN1、AIN2模入通道，神经元芯片TMPN3150将其IO口接至ADS1216的SPI串行接口，用以启动模数转换并读取转换结果。

ADS1216的DRDY为数据准备好信号，其偏移校准和增益校准由操作命令字完成；VREFOUT为内部参考电压输出，VREF+、VREF-为差动参考电压输入，本例中使用内部参考电压，VRCAP外接一0.1uF电容对内部参考电压进行滤波。

神经元芯片在读取该路热电阻传感器对应的数字量后，在内部进行线性化处理，并按配置的量程转换成工程量（温度值）传送至监控计算机。

其余三路工作原理与第1路相同。

四、测量程序设计

LonWorks技术使用专用的硬件编程语言NeuronC来编写程序。

NeuronC4为基础并对ANSIC进行了扩展，它支持任务调度机制，这种任务调度机制是事件驱动的：

当给定的条件（称为事件）为真时，与此条件相关联的一组代码（称为任务）被执行。

例如，Neuron芯片TMPN3150B1AF的复位（reset）就是一个事件，而复位后所有要执行的操作就是与复位事件关联的任务。

ADS1216片内提供了16个可直接读写的寄存器用于配置其工作状态，可直接配置数据格式、PGA、通道选择等。

ADS1216还提供了128个字节的RAM，通过指令直接读写。

ADS1216复位后寄存器配置顺序如图3所示，配置数据含义见表1。

图3ADS1216寄存器配置顺序框图

表1

在寄存器配置结束后，可以通过配置多路选择寄存器MUX选择差分输入通道，启动A/D转换。

对8位数字I/O口的操作通过对寄存器DIO的读写来实现。

另外，ADS1216的DRDY信号变为有效后表明数据转换结束，结果保存在24位的数据输出寄存器DOR内，可以通过专用的指令利用SPI接口读出A/D转换结果。

五、通信程序设计

我们自行设计了插在PC上的LON智能网卡，它与FBLon-4RTD热电阻温度测量智能节点和其它节点一起组成LonWorks测控网络。

上位机软件通过网卡将热电阻型号、测量范围、上下限报警点等配置信息以及回送数据请求信息传送至热电阻温度测量智能节点。

当节点接收到配置信息，则将配置信息保存到EEPROM变量中，掉电复位后配置信息不丢失；若收到的是回送数据请求信息，则将测量数据通过网卡传送至上位机进行处理。

传输的数据格式如下：

其中命令标志为OXFO表示上位机向节点传送的是配置信息，命令标志为OXF1表示上位机向节点传送的是回送数据请求。

LonWorks节点之间的数据传输主要通过网络变量来实现，定义网络变量后，只要在网络安装时用LonBuilder或者LonMaker进行网络变量的绑定就可以实现数据的传输，应用程序不必考虑发送和接收的问题。

网络变量通过提供给节点明确的网络接口而极大的提高了节点产品的互操作性。

但是使用网络变量必须使用Echelon公司的LonBuilder或者LonMaker进行网络变量的绑定。

而1台LonBuilder仿真器需要几万美元，LonMaker软件价格也较高，且只能安装在1台机器上使用。

因此，无形之中提高了开发和应用成本。

基于以上的原因，决定采用显式消息进行数据传输。

在使用显式消息进行节点之间的数据传输时，采用了广播发送的方式，这样，其它节点如PC等都同时收到某一节点发来的数据，当接收到的节点号与本机预先设定的节点号一致时才进行数据的处理。

这种通信方式与主从式通信方式相比可大大减少网络上的数据通信量，提高了网络的数据流量，大大提高了通信的传输效率。

这样一来可以不用LonMaker和LNSDDEServer，一方面降低了系统成本，另一方面更换模块时不需要使用LonMaker进行网络变量的绑定，便于用户维修更换。

所以，这种方式更加适合我国国情，但缺点是将LonWorks网络变成了一个封闭的系统。

FBLon-4RTD热电阻温度测量智能节点上的神经元芯片利用显式消息与上位机进行通信的程序清单如下：

六、结束语

本文所介绍的FBLon-4RTD四路热电阻温度测量智能节点与我们设计的其它智能测控节点及组态软件和监控软件相配合，可方便地构成智能分布式系统。

该系列智能节点已在电力系统、工业测控、楼宇自动化等领域得到了广泛的应用。

第一作者：

李正军，男，1962年生，1984年毕业于山东大学，副教授，硕士研究生导师；主要研究领域：

计算机控制、现场总线控制系统（FCS）等，发表论文40余篇。

各种朋友，四线电阻和三线电阻是完会不同的两个概念，四线电阻主要用于高精度的场盒，四线电阻有一根导线是用来计算其导线电阻阻值的，所以几乎可以完全减去引线的阻值，四线电阻多用于计量和化工科研单位做为温场记录用高精度传感器。

大部分工业一般用三线，三线电阻和四线电阻的二次显示表也有区别，一名两名说不清，来个电话就好，我们单位生产的四线电阻远销国外，技术支持没问题。

不用画图了，很简单，四线制是电阻两端各引两根线，每端取一根线用来提供横流，而另外两根线用来取电阻两端的电压，这样产生在引线上的电压被排除在外，取出的信号只是传感器本身的信号。

这样就实实在在的去掉了引线误差，而三线制电阻要通过引线测量去推算引线电阻,并且还要三根线一致性好。

都是用于消除接线电阻误差.三线制一般用于半桥单臂电路.得到的

U=dR/（R+2r）*E/4,dR-变化电阻;R-为传感器零点值;r-接线电阻值;E-电桥供电电源,R>>r,所以近似为U=dR/R*E/4;四线制一般引入恒流源供电,保证流经传感器的电流恒定,后经采用差分放大电路

使得U=K*R（1+AT）,K为放大倍数,R-为传感器零点值;A为常数,T-温度值.结果与引线电阻无关,可以十分精度地测量.

当然,三线制比四线制成本低啦!

四线制依靠电路可以完全消除误差,而三线制可以近似消除误差,两线制的误差一般用于精度要求不高的地方