智能建筑中的现场总线 厦门大学电子工程系 杜晋京 随着控制技术的发展，对智能大厦进行综合管理的智能建筑物管理系统，正逐步从以往的根据分布式信息与控制理论而设计的集散型系统DCS进步为基于现场总线的控制系统FCS。 1 现场总线 现场总线是用于现场仪表（传感器、变送器及执行器等）与控制室系统之间的一种开放、全数字化、双向及多站的通信系统。它是计算机技术、通信技术和控制技术发展的产物。现场总线的种类有40多种，但适合智能建筑且能在我国推广的仅有两种：CAN（控制器局域网域）和LON Works（局部操作网络）。 CAN由德国Robert Bosch及几个半导体集成电路制造商开发出来，起初专门用于汽车工业以节省接线的工作量，芯片由Motorola、Intel等公司生产。虽然芯片价格便宜且易于推广，但因其传送数据宽度较窄而不适宜于复杂的过程控制领域，目前在智能建筑中也有应用。 LON Works是美国Echelon公司于1991年3月推出的技术和产品。该公司开发的数字通信协议完全支持国际标准化组织ISO定义的OSI七层模型，支持多种低成本通信媒体，如双绞线，电力线、红外线，无线电射频、光纤和同轴电缆等，主要用于工业自动化和智能建筑。 2 神经元芯片 Neuron是一种基于嵌入式神经元芯片的总线技术，可以很容易地组成对等/主从式，决策设备/传感器总线以及高水准的现场总线系统，低成本和高性能是该总线系统的最大优势。其技术核心为神经元芯片（见图1）。它使用CMOS CLSI技术制造包含3个8位CPU：介质访问控制（MAC）处理器、网络处理器和应用处理器。第一个处理器主要用于处理协议的第1～2层，包括驱动通信子系统硬件和执行冲突避免算法；第二个处理器处理协议的第3～6层，进行网络变量的处理、寻址、事务处理、证实、背景诊断、软件计时器、网络管理和函数路径等，还控制网络通信器，物理地发送和接受数据包；第三个CPU为应用处理器，执行用户编写的代码及用户代码所调用的操作系统服务。LON Works还提供一套开发平台，也即一套完整的建网工具Lon Build。这套工具含有一套C语言的编译器，它的编程语言是从ANSI C中派生出来的Neuron C，并对ANSI C进行了删减和增补。这套编译器提供了11个I/O库函数，它通过自定义的网络变量，将相关节点上的通信连接起来，该变量可以是各种类型，而且还可以规定优先级，响应方式等。此外，Lon Build集开发环境和编译于一体，具备C调试器，可在多个仿真器上调试应用程序，并具备网络协议分析和通信分析的功能。神经元芯片的通信口由5个引脚组成，可配置成各种通信介质接口，例如网络收发器。具有11个引脚的I/O口可以发送和接受信息，还可以在不同配置下，为外部硬件提供接口，如RS232，并口，定时/计数，间隔处理，位I/O等。I/O口有4类34个预编程的I/O对象，用来实现有效测量、计时和控制应用操作。 此外，该芯片还有一个时间计数器，能完成watchdog多任务调度和定时功能。神经元芯片支持节电方式，在节电方式下系统时钟和计数器关闭，但状态信息（包括内部RAM中的信息）不会改变，一旦I/O状态变化或网络上网络变量有变，系统便会激活。其内部还有一个最高1.25Mbps，独立于介质的收发器。目前芯片所使用的频率为10MHz，将来会增加到20MHz，具有更强的功能。小小芯片不仅具有强大的通信功能，更集采集、控制于一体。在理想情况下，一个神经元芯片加上几个分离元件便可成为FCS系统中的一个独立控制单元。 3 LON Works的互操作性 智能建筑的一个特点是测控点分散，从一盏灯、一个探头到一部电梯、一台空调机，几乎遍及建筑物各个角落。另一个特点是被控设备种类多，包括空调机、冷却机、风机盘管、锅炉、换热设备、发电机组、电梯、给排水设备、火灾报警、保安监控、照明配电等，且这些设备往往本身配有控制系统。要实现对建筑物内所有机电设备进行全面控制，需要一种成本低、对分散设备可以实现互操作的测控系统，而这正是基于神经元芯片的LON Works的优势。LON Works的不足之处在于它属于OEM，故用户需要进行二次开发而不能直接应用。 Lon works本身提供了建网工具Lon Build及面向对象的网络通信协议Lon Talk，其性能覆盖了IBC（国际电工委员会）关于现场总线的推荐规范，而且应用更加灵活。然而，也正是由于它为系统集成留下太多余地，造成不同配件的供货商对Lon works的解释和描述可能不同，因而开发出的产品未必可以实现互操作。因此，国际上成立了LON Works国际互操作性协会，负责定义发表、确认产品的互操作性。产品一经协会确认，并允许使用LON Works TM标志，这才表示它们可以实现互操作。 据说，目前世界上准备建设的高层、超高层建筑有90%位于亚洲地区。近年来，由于东南亚金融危机的影响，只有中国仍然持续发展智能建筑。目前国内也有许多单位研发现场总线，但缺乏统一标准且规模较小。我国应紧紧追踪国际最新动态，制订标准，规范市场，以保证我国民族工业稳健而迅速地发展。△