1.引言

隨著“現場總線”的出現及其應用技術的發展，工業測量和控制中信息的交換主要是通過現場總線和Internet等網絡來完成，為了實現多傳感器、控制器之間的信息交換，有必要將傳感器內各個敏感單元及其功能單元以及控制器聯系在一起，通過軟件輸出符合某種協議格式的數字信號，從而可實現傳感器與傳感器之間、傳感器與控制器之間、傳感器與系統之間的數據交換和共享，其未來發展方向就是網絡化智能測控器。網絡化智能測控器是測試網絡中一個獨立的節點，能夠獨立地完成測試和控制任務，是實現網絡化測控的基礎。使傳感器和|控制器在現場級實現某種網絡協議，使現場測控數據就近登臨網絡，在網絡所能及的范圍內適時發布和共享，是網絡化智能測控器的研究目標所在，也是目前國內外競相搶占制高點的前沿技術之一。

2. 網絡化智能測控器簡介

智能測控器由智能傳感器和智能控制器組成。

“智能傳感器”能夠實現對傳感器的原始信號進行加工處理，并按標準格式與外部進行數據交換。智能傳感器具備如下的功能：①對輸入信號進行檢測，根據輸入信號數值并進行判斷和制定決策；②能夠通過軟件來設置和實現不同的功能；③能夠與外部進行信息交換，有標準輸入輸出接口；④具有自檢測、自修正和自保護功能。智能傳感器要實現對溫度補償、修正、校準，同時利用A／D變換器將模擬信號轉換數字信號，因此它不是簡單的硬件構成，而是通過硬軟件綜合技術的運用，對信號進行處理，最后輸出數字信號。

“智能控制器”可在智能芯片的控制下，根據測量值和預先編制好的控制算法，算出相應的控制量，經D/A轉換后輸出模擬信號，驅動執行機構對測量點進行控制。

網絡化智能測控器的實質是在智能測控器的基礎上實現網絡化和信息化，其核心是使測控器實現網絡通信協議。網絡化智能測控器的特點主要有：(1)可靈活尋址通信。每個智能測控器具有一個獨立的地址，通過標準接口，可實現與其他智能測量及控制設備的互連組網。傳感器之間、傳感器與控制器之間能相互通信，完成數據信息交換和共享。 (2)狀態參數的靈活設置。作為網絡上的一個節點，用戶可以根據需要通過網絡發送不同的命令，對存放在智能測控器內部EEPROM 中的狀態參數和控制算法進行重新編置，保證智能測控器工作在最佳狀態。

3.Lonworks技術簡介

LON(Local Operating Networks)總線是美國Echelon公司于1991年推出的局部操作網。目前已成為應用最廣泛的現場總線之一。LonWorks使用的開放式通信協議LonTalk為設備之間交換控制狀態信息建立了一個通用的標準。這樣在LonTalk協議的協調下，以往那些孤立的系統和產品融為一體，形成一個網絡控制系統。它采用網絡變量這一形式，使節點之間的數據傳遞只是通過網絡變量的互相連接便可完成。又由于硬件芯片的支持，實現了實時性和接口直觀、簡潔的總線要求。LON總線性能特點主要有：

·擁有三個處理單元的神經元芯片（Neuron芯片）――一個用于鏈路層的控制，一個用于網絡層的控制，另一個用于用戶的應用程序，還包括11個I/O口，這樣在一個神經元芯片上就能完成網絡和控制的功能；

·支持多種通信介質（雙絞線、電力線、電源線、光纖、紅外、無線等）和它們的互連；

·LonWorks網絡拓撲可以選擇多種形式的網絡拓撲結構，包括總線、星形、環形、樹形甚至幾種方式的組合。

·LonTalk是LON總線的通信協議，支持七層網絡協議，提供了一個固化在神經元芯片的網絡操作系統；

·LonWorks技術改善了CSMA(載波偵聽多路訪問) 通信協議，使網絡在負載很重時，仍保持較高性能。LonWorks技術的通信速率可達1．25Mb／s，光纖介質最長通信距離為3.5km。雙絞線介質在通信速率為78kb／s時直接通信距離為2.7km。

·提供給開發者一個完整的開發平臺，包括現場調試工具LonBuilder、協議分析、網絡開發語言Neuron C等；

·由于支持面向對象的編程（網絡變量NV），從而很容易實現網絡的互操作。

4. 智能溫控器節點的設計

本文是以K型熱電偶構成的溫度控制器為例，來具體介紹基于Lonworks技術的網絡化智能溫控器的設計原理和方法。

4.1 ADR－120模塊

ADR120為采用Lonworks技術的智能控制模塊，使用MC143150神經元芯片，外部ROM、RAM和FLASH芯片作為存儲器。ADR-120內部集成有8路A/D轉換器和4路D/A轉換器，可單獨作為回路控制器。其外形圖如圖1所示。ADR-120主要技術特點有：

·8路單端或4路差分信號的12位A/D轉換電路，0－5V電壓或0－20mA電流輸入；

·4路12位D/A轉換電路，可配置的0－5V、0－10V、-5－+5V電壓或4－20mA電流輸出；

·采用Echelon公司的FTT－10收發器，支持自由拓撲結構；

·具有過電壓保護、尖峰電壓保護，電源接線反向保護，EMI/RFI濾波；

·EEPROM存儲器地電壓檢測保護；

·電源及狀態指示燈，SERVICE按鈕，方便用戶安裝維護；

·可插拔的接線端子，方便、迅速地安裝維護。

圖1 ADR-120外形圖

4.2 溫控器節點硬件設計

K型熱電偶智能溫控器節點的硬件原理圖如圖2所示，主要由ADR-120智能控制模塊、熱電偶、信號調理電路、可控硅調功器及報警電路等部分構成。其中：

圖2 K型熱電偶智能溫控器節點硬件原理圖

信號調理電路選用K型熱電偶信號調理專用電路AD595。在實際的熱電偶測溫中，必須進行冷端補償、調零、電壓放大和線性化等比較繁瑣的工作，否則會造成很大的誤差。AD595是AD公司針對上述問題設計的專用芯片，內部具有放大、冷端補償、冰點基準、溫差電偶故障報警等電路。被測溫度與AD595輸出電壓的關系是10mV/℃，芯片在+5V~+30V范圍內都可正常工作。隨所測溫度量程增大，電源電壓應相應提高。需注意的是，AD595的第1腳要求接熱電偶正極且接地。圖1中電位器Ｗ用于微調冷端補償電壓。AD595的7腳是負電源端，若不測0℃以下的溫度，不用負壓供電，此時7腳可接地。AD595的12、13腳是熱電偶故障報警電路的輸出端，13腳接地后，集電極開路的12腳接上拉電阻。熱電偶正常時輸出高電平，斷偶故障時輸出低電平。將這個邏輯電平引入ADR－120的第11端子，用于對熱偶電壓Vo的正確判斷。

智能控制模塊將測量的溫度值進行處理后，通過網絡接口將數據發布到LON總線上，交上位機進行處理和監控，同時根據程序預先編制的控制算法得出控制量，經D/A轉換后變成0－5V電壓信號或4－20mA電流信號輸出至可控硅調功器，驅動執行機構對測溫點進行溫度調節控制。