摘  要： 將樓宇中的電力,、照明,、空調(diào)、給排水,、保安,、通信和廣播等多方面的設(shè)備通過現(xiàn)場(chǎng)總線聯(lián)接進(jìn)行控制與管理是樓宇智能化的一個(gè)主要的發(fā)展方向，本設(shè)計(jì)利用對(duì)上位機(jī)和下位機(jī)的軟硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)樓宇智能化控制,達(dá)到預(yù)期的效果,。
關(guān)鍵詞： 通信技術(shù),； 智能技術(shù)； CPU,； DDC

　DDC系統(tǒng)的全稱為直接數(shù)字控制器,，是從PLC和FCS系統(tǒng)中派生出來的，它是用于監(jiān)視和控制系統(tǒng)中有關(guān)機(jī)電設(shè)備的控制器,，一個(gè)完整的控制器應(yīng)具有相應(yīng)的軟硬件,，才能夠獨(dú)立完成相關(guān)控制。因此,，DDC系統(tǒng)構(gòu)成應(yīng)符合以下要求：
   (1)以16 bit或者32 bit微處理器為核心的可編程DDC,；
   (2)具有可脫機(jī)控制的獨(dú)立運(yùn)行或聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行能力；
   (3)具有獨(dú)立的電源模塊,；
　(4)具有通信模塊,；
　(5)DDC具有LED顯示模塊，具備單獨(dú)的后備電源,，當(dāng)外電斷開時(shí),，能使RAM中的數(shù)據(jù)在60天內(nèi)不丟失。
　(6)當(dāng)外電重新供應(yīng)時(shí),，在無需人工干預(yù)的情況下,，DDC能自動(dòng)恢復(fù)功能。
　為了達(dá)到上述要求,，本設(shè)計(jì)采用依據(jù)IEC61131-3[1]標(biāo)準(zhǔn)定義的編程模塊和IEC61131-5[2]定義通信模塊及多種現(xiàn)場(chǎng)總線CAN的FCS來實(shí)現(xiàn),；引入模塊化和開放設(shè)計(jì)理念，將整個(gè)系統(tǒng)分為上位機(jī)和下位機(jī)兩大模塊,。其中上位機(jī)主要完成通信管理和控制功能,，而下位機(jī)則實(shí)現(xiàn)功能模塊的執(zhí)行、系統(tǒng)管理,、變量通信,、用戶程序的通信[3]并可根據(jù)用戶的需要進(jìn)行I/O擴(kuò)展等內(nèi)容。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案
　該系統(tǒng)按功能可分為現(xiàn)場(chǎng)層,、控制層,、管理層3個(gè)部分，現(xiàn)場(chǎng)層由下位機(jī)完成,，主要通過傳感器實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的采集,，各執(zhí)行器、傳感器,、儀表與控制系統(tǒng)是通過CAN總線完成的相互之間的聯(lián)接,；而控制層和管理層兩個(gè)功能是由上位機(jī)實(shí)現(xiàn)的，其中控制層由DDC控制器組成,，完成整個(gè)系統(tǒng)的控制,，管理層則由服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫,、管理員和操作員站組成,，主要實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話、對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)管理等功能,。系統(tǒng)方框圖如圖1所示,。
1．1 上位機(jī)編程軟件模塊
　    上位機(jī)由工程師站、數(shù)據(jù)庫及操作員站和遠(yuǎn)程管理站組成,，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶自定義功能的C/C++編輯調(diào)試界面,，支持?jǐn)U展DDC支持的硬件單元，對(duì)I/O映射表單元進(jìn)行修改等滿足DDC需要的體系結(jié)構(gòu),。其上位機(jī)的軟件開發(fā)界面[6]有菜單,、工程管理欄,、編輯欄、狀態(tài)信息欄等欄目,，該界面具有直觀,，易操作的特點(diǎn)。
1．2 下位機(jī)模塊硬件系統(tǒng)
　硬件系統(tǒng)由一系列模塊組成,，包括CPU模塊（解題模塊和PP通信程序）,、MODBUS總線模塊、智能模塊,、通信模塊和I/O模塊等等,各模塊之間的關(guān)系如圖2所示,。模塊中CPU處理數(shù)據(jù)量最大。傳感器采集來的數(shù)據(jù)經(jīng)過I/O接口,，通過映射表映射到下位機(jī)CPU的內(nèi)存表,，CPU直接對(duì)內(nèi)存數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并經(jīng)過總線告之上位機(jī),。

1．2．1  CPU[4-5]模塊功能要求
　(1)管理功能：對(duì)采集的狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,、管理。
　(2)通信功能：利用CPU中的接口UBS,、RS232,、RS485、CAN等總線及相關(guān)的通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通信的功能,。
　(3)執(zhí)行功能：執(zhí)行上位機(jī)經(jīng)過編程,、編譯后的用戶程序。
　(4)調(diào)試和監(jiān)控功能：支持對(duì)上位機(jī)所編程序調(diào)試及監(jiān)控功能,。
　(5)外設(shè)管理功能：對(duì)I/O模塊的管理及數(shù)據(jù)更新功能,。
1．2．2 CPU模塊[6]
　CPU模塊是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心部分，它是用來調(diào)試,、處理,、管理和執(zhí)行用戶程序，負(fù)責(zé)掃描和驅(qū)動(dòng)I/O模塊,，如圖3所示,。該模塊有中央處理單元、I/O擴(kuò)展單元,、狀態(tài)使用權(quán)集單元,、存貯單元和通信單元等。對(duì)CPU模塊進(jìn)行開發(fā),，首先構(gòu)建硬件模塊,，即CPU的最小系統(tǒng)，再進(jìn)行功能擴(kuò)展；對(duì)下位機(jī)的采集,、處理和通信程序等下位機(jī)系統(tǒng)程序的開發(fā),；最后進(jìn)行系統(tǒng)集成三個(gè)步驟。

1．2．3下位機(jī)系統(tǒng)程序[7-8]
　下位機(jī)系統(tǒng)程序包括引導(dǎo)程序,、主程序,、中斷程序、I/O處理程序,、通信程序、功能模塊控制程序,、特殊寄存器和線圈,、配置表格、高速部件故障處理等功能模塊程序,。圖4為下位機(jī)程序流程圖,。

2 系統(tǒng)工作原理
　該設(shè)計(jì)采用循環(huán)掃描的工作方式，每一個(gè)程序CPU都從第一條指令開始執(zhí)行,，按照指令步序號(hào)做周期性循環(huán)掃描,，如沒有跳轉(zhuǎn)指令，則從第一條指令開始一條一條執(zhí)行,，直到結(jié)束后,，再進(jìn)入下一個(gè)掃描周期，如此循環(huán)往復(fù),。每一個(gè)循環(huán)稱為一個(gè)掃描周期,，而掃描周期的大小主要取決于：(1)CPU的主頻；(2)程序中指令的多少,；(3)指令周期這3個(gè)因素,。
    每個(gè)掃描周期有如下三個(gè)主要階段：
　(1)在輸入刷新階段，首先CPU掃描全部輸入端口,，讀取各個(gè)端口的狀態(tài)信息,，并根據(jù)工作要求寫入狀態(tài)寄存器。完成刷新階段的工作后,，即轉(zhuǎn)入程序的執(zhí)行階段,，在程序執(zhí)行期間，即使輸入狀態(tài)在不斷的變化,，輸入寄存器的內(nèi)容也不會(huì)隨著發(fā)生變化,，直到下一個(gè)周期的輸入刷新階段才可改變。
　(2)程序執(zhí)行階段
　根據(jù)用戶輸入的梯形圖程序,，從第一條指令開始逐步執(zhí)行,，并將相應(yīng)的邏輯運(yùn)算結(jié)果存入對(duì)應(yīng)的內(nèi)部輔助寄存器和輸出狀態(tài)寄存器中，當(dāng)最后一條控制程序執(zhí)行完成后，轉(zhuǎn)入輸出刷新階段,。
　(3)輸出刷新階段
　當(dāng)所有指令執(zhí)行完畢后,，將狀態(tài)寄存器的內(nèi)容依次送到I/O對(duì)應(yīng)的輸出寄存器中，并通過一定的轉(zhuǎn)換方式,，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行部件工作,。
　由此可見，輸入刷新,、程序執(zhí)行,、輸出刷新三個(gè)階段構(gòu)成一個(gè)工作周期，并且循環(huán)往復(fù),，稱為循環(huán)掃描工作方式,。由于輸入刷新階段是緊接輸出刷新階段后馬上進(jìn)行的，所以將這兩個(gè)階段稱為IO映射表刷新,。當(dāng)然還有自診斷功能和通信功能,。綜上所述整個(gè)掃描過程如圖5所示。

    掃描周期的長度主要取決于程序的長度,，掃描周期越長,，相應(yīng)速度越慢，由于每個(gè)周期只進(jìn)行一次I/O刷新,，所以系統(tǒng)存在輸入輸出滯后現(xiàn)象,，這在一定程度上降低了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，但由于其對(duì)I/O映射表的變化,，每個(gè)周期限只輸出更新一次,，DDC在一個(gè)工作周期的大部分時(shí)間是與外部擴(kuò)展模塊隔離的，有利于避免工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)脈沖的瞬時(shí)干擾,，使誤動(dòng)作大大減少,，但在快速響應(yīng)的系統(tǒng)中就會(huì)造成滯后現(xiàn)象。
    該設(shè)計(jì)是以網(wǎng)絡(luò)可編程控制器DDＣ為核心,，利用現(xiàn)場(chǎng)總線CAN,、工業(yè)以太網(wǎng)、ＧＰＲＳ等相關(guān)的通信媒介,，將傳感器,、執(zhí)行電機(jī)和計(jì)算機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程或無線鏈接的硬件系統(tǒng)，通過對(duì)上位機(jī)進(jìn)行編程,，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)下位機(jī)的控制,，實(shí)現(xiàn)了樓宇系統(tǒng)的控制。其特點(diǎn)為：
　(1) 操作簡單,、方便并具備很強(qiáng)的故障診斷能力,；
　(2)由于采用中心控制室對(duì)不同位置的建筑進(jìn)行統(tǒng)一管理，大大節(jié)省了能源和人力成本；
　(3) 控制的精確度大大提高,，從而提高了舒適度,；
　(4) 由于傳統(tǒng)的DDC系統(tǒng)校準(zhǔn)后會(huì)降低精度，而該系統(tǒng)則無需校準(zhǔn),，減小了誤差,。
　總之，通過該設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)樓宇進(jìn)行控制,提高了效率,，達(dá)到預(yù)期的效果,。
參考文獻(xiàn)
[1] IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)[S].
[2] IEC61131-5標(biāo)準(zhǔn)[S].
[3] 黎連業(yè).智能大廈和智能小區(qū)安全防范系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施[M]. 北京：清華大學(xué)出版社,2008.
[4] 怯肇乾. 嵌入式系統(tǒng)硬件體系設(shè)計(jì)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2007.
[5] 胡漢才.單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社, 2008.
[6] PPC系列PLC中文手冊(cè)[Z].2010.
[7] 陸瓊文,劉傳聚,曹靜.浦東國際機(jī)場(chǎng)變空調(diào)供水溫度節(jié)能運(yùn)行方案分析[J]. 暖通空調(diào),2003，33(2):123-125.
[8] 周巧航,趙加寧,施雪華.深圳市某辦公樓空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能潛力分析[J]. 暖通空調(diào),2004,34(4):19-21.