基于神經元芯片的遠程水溫監控系統的設計

1 Lonworks總線和神經芯片

Lonworks控制網絡是當前最為流行的現場總線之一，它的核心是神經元芯片(neuron chip)和LonTalk通信協議。LonTalk通信協議支持0SI／RM的所有七層模型，使得LON網絡與其他網絡有著良好的接口和兼容性。支持多種拓撲結構，通信介質可選雙絞線、電力線、紅外線、光纖、同軸電纜等媒介，使得網絡布線更加方便。應用程序采用面向對象的設計方法，通過網絡變量進行節點之間的數據交換，使網絡通信簡化為參數設置。

本系統中用到兩種關鍵部件。

(1)神經芯片

神經元(Neuron)芯片使用CMOS VLSI技術，允許運行價格低廉的控制網絡。其主要包括MCl43150和MCl43120兩大系列。神經元芯片的主要特點是：

高度集成，所需要的外部部件較少；

3個8位的CPU，輸入時鐘可選擇的范圍10~625Hz；

片上存儲器；

11個可編程I／O引腳(有34種可選擇的工作方式)；

2個16位定時器／計數器；

15個軟定時器；

5個網絡通信端口，有3種方式可選擇(單端反射、差分方式和專用方式)；

固件包括符合0SI七層協議的LonTalk協議，I／0驅動程序和事件驅動多任務調度程序；

服務引腳用于遠程識別和診斷；

48位內部Neuron ID用于唯一識別Neuron芯片；

在兩大系列中，3120芯片內部包含E2PROM、RAM和ROM存儲器，而3150芯片內部無ROM，但擁有訪問外部存儲器的接口，可根據實際情況靈活配置存儲器。
 
(2)收發器

提供神經芯片與Lonworks網絡的物理通信接口。

2 水溫監控系統硬件組成及工作原理

本系統由監控結點、執行結點兩個結點組成。它們位于LON網絡的兩端，結構如圖l所示。

                
 
 本系統中選用單股雙絞線作為網絡介質，收發器采用Echelon公司的FTT-10A型收發器，兩個節點間通過網絡變量進行通信．

在每個節點中，選用3150芯片外加一塊a2 KB的Flash存儲器芯片AT29C257來存儲應用程序、數據和通信協議等神經芯片固件。神經芯片和存儲器之間的連接如圖2所示。

                           
 
監控結點位于中心控制室，能顯示實時水溫，用戶通過它對遠端加熱裝置器進行水溫設置。監控節點中神經芯片的I／O部分電路如圖3所示。

                   
 
在本電路中，用戶調節電位器來設置水溫；電位器上得到的電壓經A／O轉換后變為O~100之間的數，發往執行結點，并在前兩個數碼管上顯示出來。執行結點傳過來的實時水溫顯示在后兩個數碼管上。為了充分利用芯片的I／0口，使用移位計數器74HC595擴展I／O口，采用芯片的串行輸出功能，I／O8作為時鐘信號，I／09作為數據輸出口，I／06作為數據鎖存控制端．根據實際情況的需要可用液晶顯示屏替換8段數碼管。

執行結點位于加熱器端，它檢測水溫井將數值發往監控結點，接收監控結點發來的控制溫度數據／根據情況啟動／停止熱水器工作。執行節點中神經芯片的I／O部分電路如圖4所示。

                       
在本電路中，實時水溫由溫度傳感器檢測出，經A／D轉換后變為0~100之間的值，保存并發往監控結點。神經芯片把從監控結點收到控制溫度值與檢測溫度值相比較，若檢測值小，則閉合繼電器，加熱器開始工作；若檢測值大，則斷開繼電器，加熱器停止工作。
 
為避免加熱器反復通斷電工作，可以設置一個可接受的溫度控制精度區間。本電路中設置為