汤同奎　郑德忠　邵惠鹤　段培永

　　摘要　介绍一个隔离多通道LONWORKS数据采集节点的设计。首先简要介绍数据采集的作用及开发LONWORKS数据采集节点的重要性；其次讨论节点的总体设计，在考虑生产过程实际情况的基础上确定了节点的性能指标；随后介绍关键硬件电路的设计，提出了设计中的注意事项；最后介绍节点的软件设计。
　　关键词：　数据采集　隔离　现场总线　LONWORKS

　　The design of an isolated multi-channel LONWORKS data acquisition node is described in this paper.Firstly,the function of data acquisition and the importance of developing LONWORKS data acquisition nodes are briefly introduced.Secondly,the overall desing of the node is discussed,on the basis of considering practical production process the specification of the node is proposed.Thirdly,key hardware circuits are discussed and cautions in design are given.In the end,software design of the node is introduced.

　　数据采集(data acquisition)系统是生产过程中的常用装置，它将生产过程中各种模拟量进行放大、滤波，然后经过A/D转换变成数字量。数据采集系统的用途很多，首先是用于生产过程各种变量数据的巡回显示，便于操作人员或管理人员查看，提高产品质量，改善管理水平；其次是用于安全报警，采集得到的数据与正常工况要求进行比较，可确定生产过程工况是否正常，如果工艺参数偏离正常状态，操作人员可及时进行调整，避免生产出不合格产品，减少或杜绝事故的发生，提高生产过程的安全性；还有，数据采集得到的数据资源可用于生产过程的建模或优化，以便改进控制算法，提高产品的产量或质量，如果利用这些数据建立生产过程数据仓库，利用数据采掘(data mining)技术，可挖掘过程知识，改进工艺设计，提高控制水平。总之，数据采集系统在生产过程的作用是举足轻重的。
　　现场总线技术是计算机技术、通信技术和控制技术的综合与集成，它的出现将使传统的自动控制领域产生革命性的变化。LONWORKS现场总线是由Echelon公司首先发起并制定了相应的通信协议，它支持多种通信介质，如双绞线、光纤、电力线、无线电等，是一种功能全面的测控网络，它可广泛应用于楼宇自动化、过程监控、汽车电子等领域，总的来说LONWORKS现场总线具有如下优点：
　　(1)LONWORKS采用的Neuron芯片，同时具备了通信与控制功能，并且固化了ISO/OSI的全部七层通信协议，以及34种常见的I/O控制对象。
　　(2)改善了CSMA，LONWORKS采用Predictive Persistent CSMA。这样即使在负载很重的情况下，也不会导致网络瘫痪。
　　(3)网络通信采用了面向对象的设计方法。LONWORKS技术将其称为“网络变量”(network variable)，使网络通信的设计简化成参数设置。不但节省了大量的设计工作量，同时增加了通信的可靠性。
　　(4)通信的每帧有效字节数可以从0到228个字节。
　　(5)通信速率可高达1.25 Mbps，此时有效距离为130 m；通信速率为78.125 kbps时的直接通信距离可达到2 700 m(双绞线)。
　　(6)每个LONWORKS测控网络上的节点数可以达到32 000个。
　　为了迎接现场总线技术所带来的挑战，我们开发了基于LONWORKS现场总线的隔离多通道数据采集节点，可应用于生产过程监控、建模及优化等方面，对LONWORKS现场总线应用于生产过程具有重要意义。

2.1　节点总体框图
　　节点总体框图如图1所示。节点包括端子台、光隔继电器组、滤波电路、隔离放大电路、模数转换电路、通道选择控制电路、LONWORKS控制模块及电源电路。其中LONWORKS控制模块是节点的核心部件，该模块采用Echelon公司生产的FTC-10，内含3150神经元芯片，时钟为10 MHz，模块中带有32 kb程序存储器，以双绞线作为网络传输介质。端子台用于连接外部输入模拟信号，通道选择控制电路用于控制光隔离继电器，从而选择所要测量的输入通道，滤波电路用于滤除模拟输入信号中的高频干扰，隔离放大电路用于内部模拟信号的隔离，使Neuron芯片电路与外部模拟输入信号不共地，模数转换电路实现12位A/D转换，将对应通道的模拟信号转换成数字信号，送给LONWORKS控制模块。电源电路的输入是直流24 V，它输出节点中所需的多组隔离电源，其中包括+5 V和两组±12 V电源，分别主要供给控制模块和模拟电路。

图1　隔离16通道LonWorks数据采集节点框图

2.2　节点性能指标
　　虽然生产过程中的各种变量数值范围各不相同，但目前各种仪表或变送器的输出通常采用4～20 mA的电流信号，在控制室中通常采用1～5 V电压信号，因此考虑节点的模拟输入信号范围为0～20 mA电流或0～5 V电压，这可满足大部分场合的使用。
　　由于系统中各种仪表或变送器信号的地电位不尽相同，有时相差很大，甚至高达上千伏电位差。如果节点的输入信号各模拟信号通道之间不采取隔离措施，则会引起地线回路，轻则使测量误差增大，重则会导致整个系统不能正常工作。为了解决这一问题，同时也为提高节点的通用性，在节点的各模拟输入通道之间设置了隔离电路。
　　为了保护节点内部Neuron芯片，节点内部采用了隔离放大器来进行模拟信号的隔离，这样即使外部输入模拟信号超过输入信号范围，也不会损坏内部Neuron芯片。
　　考虑到生产过程中的实际情况，节点采用12位A/D转换器，有效精度可达11位，这可满足大部分模拟变量的测量要求。
　　综上所述，节点的性能指标如下：
　　(1)16个模拟输入通道，输入信号范围为0～20 mA或0～5 V。
　　(2)A/D的分辨率为12位。
　　(3)在模拟通道之间以及内部模拟电路与A/D转换器之间设置隔离电路，隔离电压可高达1 500 V。
　　(4)采集数据以网络变量形式送到LONWORKS网络，通信速率为78.125 kbps。
　　(5)节点采用+24 V直流供电。
2.3　节点功能
　　节点的基本功能是进行多通道模拟量的数据采集，然后将采集结果以网络变量的形式送到LONWORKS网络。具体来说包括以下几个方面：
　　(1)模数转换功能。巡回采集16个模拟输入通道，并将模拟量转换成数字量，然后送Neuron芯片。
　　(2)信号滤波功能。由于生产过程中的信号通常带有干扰，特别是那些恶劣环境中的信号。节点中采用硬件滤波和软件滤波相结合的方法，来滤除输入信号中的噪声。
　　(3)网络通信功能。节点采用一对双绞线与LONWORKS网络相连，由于FTC-10是自由拓扑(free topology)的控制模块，因此节点与网络的连接既可采用总线式结构，也可选择其它任意形式的网络拓扑。
　　(4)建立数据仓库。该节点与带有LONWORKS网卡的计算机配合起来，可建立相应生产过程数据仓库，为生产过程控制、建模、优化以及知识获取等方面提供可靠的数据资源。

3.1　光隔继电器组
　　为了进行各模拟输入通道之间的隔离，节点的输入端采用了光隔继电器组，通过通道控制电路来选择模拟输入通道。我们选用了AQW214光隔继电器，优点是无触点、无噪声、体积小，基本性能指标为：
　　(1)允许驱动交流或直流负载，连续负载电流可达100 mA，最大负载电流可达300 mA；
　　(2)导通电阻平均为30 Ω，最大为50 Ω；
　　(3)动作时间典型值为0.31 ms，最大为0.5 ms；
　　(4)释放时间典型值为0.05 ms，最大为0.2 ms；
　　(5)输入输出间的绝缘电压为1 500 V。
3.2　模拟滤波及隔离放大
　　本节点中采用OP27构成二阶低通滤波器，采用ISO124低功耗精密隔离放大器实现模拟信号的隔离(如图2所示)。图中稳压管D₁用于电压限幅，以防V_i过大而损坏后续电路。OP27是一种超低噪声、高精度单片运放，失调电压不大于25 μV，温漂仅为0.6 μV/℃，开环增益不小于120 dB，高共模抑制比，可广泛应用于精密仪表、数据采集、测试设备、传感器电路等。ISO124额定隔离电压为1 500 V，最大非线性误差为0.01%，固定单位增益，电源电压范围为±4.5～±18 V，可广泛应用于工业过程控制、数据采集及测试设备等。采用这两种器件来设计模拟通道电路，可确保模拟通道的精度。

图2　模拟滤波及隔离放大

3.3　A/D转换接口
　　节点中采用MAX187串行输出12位A/D转换器，该转换器采用单5 V工作电源，可以转换0～5 V模拟输入电压。片内带有快速采样保持电路，采样时间1.5 μs。每次转换时间仅需8.5 μs。无需外接时钟，ADC工作时序由内时钟实现定时控制。MAX187有内部参考电压，也可由外部提供参考电压。芯片具有三条串行接口线，可高速串行输出转换后的数据，速率为75 kbps。数据输出无需增加额外硬件开销，可直接与微处理器接口。可广泛应用于串行数据传送、微信号处理、数据采集和高精度控制等。
　　图3给出了MAX187与FTC-10控制模块的接口。使用MAX187内部参考电压(4.096 V)，电路中C₁、C₂为电源退耦电容。神经元芯片的Neuro Wire端口工作在主模式(master mode)，采用IO_－8作为时钟，IO_－10接收MAX187输出数据，IO_－7用作A/D转换器的片选信号。首先使CS——变低，此时MAX187转换过程开始，在CS——的下降沿T/H进入它的保护状态并且ADC转换过程开始。在8.5 μs转换时间后，转换结束信号从DOUT线上发出，此时可用外部时钟将ADC的转换结果移出。

图3　MAX187与FTC-10接口

3.4　设计中应注意的问题
　　(1)OP27失调电压是经过激光校准的，对许多应用场合来说，无需进一步调整。当精度要求较高时，可采用10 k标准电位器来消除输入失调，且不会增大失调电压漂移；若用其它阻值电位器也可消除输入失调，但会使输出漂移增大0.1～0.2 μV/℃。注意OP27失调电压调整电路与一般单运放不同(如图4)；OP27输入端内部采用并联二极管保护，但外部过大的输入信号仍然会损坏输入电路；特别应注意，偶然的静电也会损坏芯片，有时尽管芯片还可以工作，但一些重要性能都被破坏，如输入失调电压、漂移、噪声等。

图4　OP27失调调整电路

　　(2)ISO124每个电源引脚接1 μF的钽电容去耦，且尽可能靠近放大器；由于芯片内部工作在500 kHz调制—解调状态，因此最好用π型滤波电路对来自DC-DC的电源进行滤波；ISO124输出有20 mV、500 kHz的纹波信号，因此输出端应接一个低通滤波器来滤除。
　　(3)MAX187的数据输出格式顺序是倒的，因此接收到数据后，必须进行数据变换；若想快速得到数据，可采用74LS164来将串行输出数据转换成并行数据；如果取数较慢或进行通道切换，则A/D输出数据是一段时间以前的信号或上一通道的信号，编程时应考虑到这一点。
　　(4)控制模块的电源来自DC-DC电源，必须考虑到适当的滤波和退耦，以防控制模块和I/O电路产生的噪声传到外部网络线上；同时在设计电路板时，控制模块的下方不要放置电路元件，以防控制模块对其产生电磁干扰。

　　节点软件采用Neuron C编程语言实现(如图5所示)，Neuron C是专门为Neuron芯片设计的编程语言，它以ANSI C为基础，包括对ANSI C的扩展，可直接支持Neuron芯片的软件固化。Neuron C定义了多种I/O对象类型，如直接、计数器/计时器、串行和并行。与ANSI C相比，Neuron C具有以下优点：
　　(1)增加了一个新的对象类——网络变量，简化了节点间的数据共享。
　　(2)增加了一个新的语句类型—— when语句，引入了事件驱动的应用程序调度机制，引入定时器管理超时和其它基于时间的事件。

图5　节点软件框图

　　(3)对常用的I/O对象进行了标准化，简化了软件设计。
　　(4)支持显示报文传输。
　　调试过程中应注意光隔继电器的开关动作有时延，在通道切换时，应插入适当的软件延时以便开关动作稳定。

作者单位：上海交通大学自动化系，上海市，200030