高見芳

（湖南科技職業(yè)學院 電子信息工程與技術系,湖南 長沙 410118）

DDC系統的全稱為直接數字控制器，是從PLC和FCS系統中派生出來的，它是用于監(jiān)視和控制系統中有關機電設備的控制器，一個完整的控制器應具有相應的軟硬件，才能夠獨立完成相關控制。因此，DDC系統構成應符合以下要求：

(1)以16 bit或者32 bit微處理器為核心的可編程DDC；

(2)具有可脫機控制的獨立運行或聯網運行能力；

(3)具有獨立的電源模塊；

(4)具有通信模塊；

(5)DDC具有LED顯示模塊，具備單獨的后備電源，當外電斷開時，能使RAM中的數據在60天內不丟失。

(6)當外電重新供應時，在無需人工干預的情況下，DDC能自動恢復功能。

為了達到上述要求，本設計采用依據IEC61131-3[1]標準定義的編程模塊和IEC61131-5[2]定義通信模塊及多種現場總線CAN的FCS來實現；引入模塊化和開放設計理念，將整個系統分為上位機和下位機兩大模塊。其中上位機主要完成通信管理和控制功能，而下位機則實現功能模塊的執(zhí)行、系統管理、變量通信、用戶程序的通信[3]并可根據用戶的需要進行I/O擴展等內容。

1 系統總體設計方案

該系統按功能可分為現場層、控制層、管理層3個部分，現場層由下位機完成，主要通過傳感器實現相關數據的采集，各執(zhí)行器、傳感器、儀表與控制系統是通過CAN總線完成的相互之間的聯接；而控制層和管理層兩個功能是由上位機實現的，其中控制層由DDC控制器組成，完成整個系統的控制，管理層則由服務器、數據庫、管理員和操作員站組成，主要實現人機對話、對相關數據管理等功能。系統方框圖如圖1所示。

1.1上位機編程軟件模塊

上位機由工程師站、數據庫及操作員站和遠程管理站組成，能夠實現用戶自定義功能的C/C++編輯調試界面，支持擴展DDC支持的硬件單元，對I/O映射表單元進行修改等滿足DDC需要的體系結構。其上位機的軟件開發(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。

1.2下位機模塊硬件系統

硬件系統由一系列模塊組成，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,各模塊之間的關系如圖2所示。模塊中CPU處理數據量最大。傳感器采集來的數據經過I/O接口，通過映射表映射到下位機CPU的內存表，CPU直接對內存數據進行處理，并經過總線告之上位機。

1.2.1 CPU[4-5]模塊功能要求

(1)管理功能：對采集的狀態(tài)數據進行處理、管理。

(2)通信功能：利用CPU中的接口UBS、RS232、RS485、CAN等總線及相關的通信協議實現與上位機通信的功能。

(3)執(zhí)行功能：執(zhí)行上位機經過編程、編譯后的用戶程序。

(4)調試和監(jiān)控功能：支持對上位機所編程序調試及監(jiān)控功能。

(5)外設管理功能：對I/O模塊的管理及數據更新功能。

1.2.2 CPU 模塊[6]

CPU模塊是整個控制系統的核心部分，它是用來調試、處理、管理和執(zhí)行用戶程序，負責掃描和驅動I/O模塊，如圖3所示。該模塊有中央處理單元、I/O擴展單元、狀態(tài)使用權集單元、存貯單元和通信單元等。對CPU模塊進行開發(fā)，首先構建硬件模塊，即CPU的最小系統，再進行功能擴展；對下位機的采集、處理和通信程序等下位機系統程序的開發(fā)；最后進行系統集成三個步驟。

1.2.3 下位機系統程序[7-8]

下位機系統程序包括引導程序、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為下位機程序流程圖。

圖4 下位機程序流程圖

2 系統工作原理

該設計采用循環(huán)掃描的工作方式，每一個程序CPU都從第一條指令開始執(zhí)行，按照指令步序號做周期性循環(huán)掃描，如沒有跳轉指令，則從第一條指令開始一條一條執(zhí)行，直到結束后，再進入下一個掃描周期，如此循環(huán)往復。每一個循環(huán)稱為一個掃描周期，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個因素。

每個掃描周期有如下三個主要階段：

(1)在輸入刷新階段，首先CPU掃描全部輸入端口，讀取各個端口的狀態(tài)信息，并根據工作要求寫入狀態(tài)寄存器。完成刷新階段的工作后，即轉入程序的執(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，輸入寄存器的內容也不會隨著發(fā)生變化，直到下一個周期的輸入刷新階段才可改變。

(2)程序執(zhí)行階段

根據用戶輸入的梯形圖程序，從第一條指令開始逐步執(zhí)行，并將相應的邏輯運算結果存入對應的內部輔助寄存器和輸出狀態(tài)寄存器中，當最后一條控制程序執(zhí)行完成后，轉入輸出刷新階段。

(3)輸出刷新階段

當所有指令執(zhí)行完畢后，將狀態(tài)寄存器的內容依次送到I/O對應的輸出寄存器中，并通過一定的轉換方式，驅動執(zhí)行部件工作。

由此可見，輸入刷新、程序執(zhí)行、輸出刷新三個階段構成一個工作周期，并且循環(huán)往復，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行的，所以將這兩個階段稱為IO映射表刷新。當然還有自診斷功能和通信功能。綜上所述整個掃描過程如圖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，相應速度越慢，由于每個周期只進行一次I/O刷新，所以系統存在輸入輸出滯后現象，這在一定程度上降低了系統的響應速度，但由于其對I/O映射表的變化，每個周期限只輸出更新一次，DDC在一個工作周期的大部分時間是與外部擴展模塊隔離的，有利于避免工業(yè)現場脈沖的瞬時干擾，使誤動作大大減少，但在快速響應的系統中就會造成滯后現象。

該設計是以網絡可編程控制器DDC為核心，利用現場總線CAN、工業(yè)以太網、GPRS等相關的通信媒介，將傳感器、執(zhí)行電機和計算機進行遠程或無線鏈接的硬件系統，通過對上位機進行編程，從而實現了對下位機的控制，實現了樓宇系統的控制。其特點為：

(1)操作簡單、方便并具備很強的故障診斷能力；

(2)由于采用中心控制室對不同位置的建筑進行統一管理，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)由于傳統的DDC系統校準后會降低精度，而該系統則無需校準，減小了誤差。

總之，通過該設計系統對樓宇進行控制,提高了效率，達到預期的效果。

[1]IEC61131-3標準[S].

[2]IEC61131-5標準[S].

[3]黎連業(yè).智能大廈和智能小區(qū)安全防范系統的設計與實施[M].北京：清華大學出版社,2008.

[4]怯肇乾.嵌入式系統硬件體系設計[M].北京：北京航空航天大學出版社,2007.

[5]胡漢才.單片機原理及接口技術[M].北京：清華大學出版社,2008.

[6]PPC系列PLC中文手冊[Z].2010.

[7]陸瓊文,劉傳聚,曹靜.浦東國際機場變空調供水溫度節(jié)能運行方案分析[J].暖通空調,2003，33(2)∶123-125.

[8]周巧航,趙加寧,施雪華.深圳市某辦公樓空調系統節(jié)能潛力分析[J].暖通空調,2004,34(4)∶19-21.