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1、一种Lonworks无线通讯SCADA系统的设计与实现一种Lonworks无线通讯SCADA系统的设计与实现jiangf导语：本文给出了一种Lonworks无线通讯SCADA系统的设计方案。摘要：本文给出了一种Lonworks无线通讯SCADA系统的设计方案。系统以AT89C52单片机和美国Echelon公司的双绞线智能收发器FT3150为通讯控制器，结合单芯片射频收发器nRF401实现了Lonworks现场总线和无线通讯的有机结合。关键词：Lonworks；SCADA系统；智能收发器；射频收发器目前，现场总线技术在数据收集与监控系统SCADA、工业控制、楼宇自动化、智能交通等领域得到了广泛的
2、应用。作为目前流行的现场总线技术之一Lonworks，以其突出的特点在国内的应用也越来越广泛。本文通过Lonworks技术和无线通讯的有机结合，设计并实现了一种功能较强、可扩展性好、安装方便的数据收集与监控系统。系统总体构造设计根据数据收集与监控系统的要求、Lonworks现场总线技术的特点和数据收集与监控节点的现场环境，系统选用三级通讯构造如图1示。根据需要本设计采用Lonworks网络作为整个系统的主要通讯方式之一，来组建整个SCADA系统。第一级通讯出如今上位治理计算机与Lonworks网络之间。实现二者之间的通讯方式有多种，但是考虑到现成设备的高昂价格，本设计利用自行设计开发的LONP
3、C机ISA接口卡来实现上位治理计算机与Lonworks网络之间的数据交换；第二级通讯实现Lonworks网络上智能节点之间的信息交互；第三级通讯网络是实现现场信息无线收集的关键。现场收集信息传递到Lonworks网络有两种不同的方式，一种是直接利用Lonworks智能节点进展现场信息的收集，还有一种是通过无线通讯将现场收集信息传送至Lonworks网络，这是本文讨论的重点。系统的总体构造主要由以下几局部组成：主控机，LONPC机ISA接口卡，Lonworks无线通讯模块，单片机数据收集模块，Lonworks数据收集控制模块。总体构造框图如图1所示。为了实现人机界面，并通过LONPC机ISA接口
4、卡向Lonworks总线上的其他模块Lonworks无线通讯模块或者Lonworks数据收集控制模块发送控制命令或者接收来自这些模块转发的收集数据，系统设计采用VC+开发了一套简单实用的治理软件。该软件可以方便的对LONPC机ISA接口卡进展读写操纵，并将所得数据在界面进展显示的同时进展存储。LONPC机ISA接口卡的设计，采用IDT7024双口RAM来实现Lonworks神经元芯片与计算机ISA端口之间的数据交换。现场收集信息的无线传输是通过为Lonworks智能节点和单片机数据收集模块分别添加设计nRF401无线通讯电路来实现的。后面将对这两局部电路的设计进展具体介绍。Lonworks无线
5、通讯模块主要接收总线上来自主控机的控制命令，通过射频通讯控制数据收集模块进展数据收集或者发送控制信号，并将来自收集模块的数据转发至Lonworks总线上。现场信息的收集主要由Lonworks数据收集控制模块和单片机数据收集模块完成。Lonworks数据收集控制模块直接接收总线上来自主控机的控制命令，并按命令进展数据收集、转发转发至Lonworks总线或者对现场执行机构发送控制命令。而单片机数据收集模块那么通过射频通讯接收控制命令，并根据命令内容完成数据收集、转发通过射频无线通讯或者对现场执行机构发送控制命令等功能。系统无线通讯的设计与实现无线通讯的实现是整个系统设计的关键。本系统分别为Lonw
6、orks智能节点和现场单片机数据收集模块设计添加了无线通讯接口以完成此局部功能，详细设计如图2所示。Lonworks无线通讯模块设计Lonworks无线通讯模块电路中FT3150芯片定义IO8、IO10为异步串行对象，用来接收和发送来自nRF401的数据。IO1IO3作为通讯的控制端。数据收集模块的硬件框图如图3所示。AT89C52单片机也通过异步串口与nRF401通讯，并用P1.1、P1.2、P1.3口作为通讯的控制端。在nRF401芯片使用时，设定好工作频率，进入正常工作状态后，通讯控制器根据需要进展收发转换控制，发送接收数据或者进展状态转换。无线通讯电路设计时应留意以下问题：通讯的可靠性
7、、抗干扰性是无线通讯电路设计所要解决的主要问题。因此需对整个电路的PCB设计进展全局考虑。整个PCB板采用4层电路板设计，增加电源层和地层，并在上、下外表进展敷铜处理，以进步整个电路的抗干扰性。模拟局部与数字局部电路尽量分开；采用特性较好的钽电容组成LC滤波电路，对nRF401的VCC进展专门的滤波处理；nRF401和主控制芯片共用晶振，因此要特别留意晶振电路的走线，尽可能的短并远离数据线、控制线；无线射频电路的所有元件以nRF401为中心并紧靠其摆放，其中VCO电感的布局对通讯效果有着明显的影响，匹配网络的元器件最好靠近nRF401的ANT1和ANT2，以减小杂散电感和杂散电容；最后，系统还
8、采用了高增益天线来进步通讯的间隔。系统软件设计整个系统的软件局部主要分为四大局部：主控机上位机软件、LONPC机ISA接口卡程序、Lonworks无线通讯模块程序和数据收集模块程序。上位机软件采用VC+语言编写，主要完成通过人机界面的设计，从ISA口接收收集数据或者发送控制命令。LONPC机ISA接口卡程序采用NeuronC并口编程，进而实现FT3150与ISA总线上的数据交换。下面主要对系统无线通讯局部程序进展具体的介绍。无线通讯程序设计在设计程序时，要留意各状态转换的时延。nRF401的通讯速率最高为20kbit/s，发送数据之前需将电路置于发射形式；接收形式转换为发射形式的转换时间至少为
9、1ms；可以发送任意长度的数据；发射形式转换为接收形式的转换时间至少为3ms。在待机形式时，电路不接收和发射数据。待机形式转换为发射形式的转换时间至少为4ms；待机形式转换为接收形式的转换时间至少为5.0ms。Lonworks无线通讯模块程序采用NeuronC语言编写，程序运行采用事件触发方式。通过网络变量把节点间数据的分享变为简单的网络变量连接。本系统收集模块采用中断方式实现串口通讯，以进步效率。单片机串口中断效劳程序流程和Lonworks无线通讯模块的通讯流程图分别如图4、5所示。软件编程应留意的问题首先，为了保证nRF401的正常工作，软件上应当留意在控制nRF401进展状态转换时进展适
10、当的延时处理，因此单片机程序中需分别设计相应的延时函数。而在FT3150中通过调用DELAY函数便可进展适当的延时。其次，为了保证通讯的可靠性，通讯协议应在软件实现上对传输的数据进展相应的编码处理，即为传输数据增添特殊的数据头，详细的编解码经过由于篇幅有限不做具体描绘。本文利用无线收发芯片nRF401实现了Lonworks无线测控网络，系统通讯可靠性高、实时性好，适于多种应用领域，有较大推广价值。参考文献1阳宪惠，魏庆福等.现场总线技术及其应用.北京：清华大学出版社2Echelon.FT3120/FT3150SmartTransceiverDataBook3TOSHIBA，NeuronChipTMPN315/3120DATABOOK4余永权编著.ATMEL89系列单片机应用技术，北京航空航天大学出版社5Nordic公司.nRF401开发手册西北工业大学自动化学院朱红育魏爱玉高晓光0