大金空调监控协议转换器.doc

大金空调监控协议转换器专利说明书

发明人 穆丹枫

技术领域
本实用新型提供了一种通用的RS485接口，支持MODBUS-RTU协议，可以方便的实现在大金空调的远程监控和两台空调之间实现轮流工作，适用于实现以下功能：
1 通过MODBUS协议读取大金空调的运行状态，实现远程控制。
2 机房空调的时间轮值（双机切换）。
3 读取大金空调的故障状况，实现故障报警
背景技术
日本大金空调采用高效耐用的优质压缩机和稳定易控的电路系统，十分适合机房使用，大金空调提供了P端子应用于外接监控系统，可以多台空调联网运行，统一调度。机房空调运行条件苛刻，24小时运转使压缩机温度会不断攀升，遇到外机过脏或电压偏低等情况都会造成系统故障，为解决此问题，让两台空调轮流工作是合适的解决办法，一方面大大降低了故障几率，另一方面，在一台机出现故障的情况下可及时转换到另一台运行，特别适应于无人值守的情况。因大金空调采用日本独有的数据通信传输协议Homebus，和国内常见的RS485传输协议并不兼容，限制了大金空调在远程监控和智能控制方面的应用。为解决此问题，我设计这款智能控制器，利用两条无极性的数据线从大金空调P端子将空调运行数据采集，传输到主板进行数据转换和执行，转换后的协议采用RS485信号传输，供上位机进行二次开发和监控。
发明内容
本实用新型所要解决的技术问题是，利用两条无极性的数据线从大金空调P端子将空调运行数据采集，转换为RS485接口输出，转换后的通信协议为MODBUS-RTU.
本实用新型是这样的，先利用HBS解码电路对空调发出的HBS信号进行解码，用单片机的程序对编码进行分析，然后将空调机的开关和温度代码写入存储器进行记忆；控制器外接485驱动电路，经CPU运算后，向外输出MODBUS协议格式的RS485信号。本设备还配有热敏电阻，不停对环境温度进行判断，并显示在数码管上。控制器有按纽输入设定温度和切换时间，当控制器工作时，中央控制器CPU对通信传输的信号进行综合判断，发出控制空调开关机等指令，系统也会把空调的运行状况和故障情况实时传递到485端口，供上位机查询。
这种切换器结构简单，单片机程序具有自适应性，能很好的监控大金空调，通用性强，有利于应用领域的扩展。

附图说明
图1是本实用新型电路结构的示意图。
图2是本实用新型电路结构的电原理图。
具体实施方式
下面结合附图说明本实用新型的具体结构和工作原理。
如附图所示，本实用新型由中央控制器和外围电路组成，其核心部分是单片机内的处理程序，单片机型号为PIC18F4620，其程序采用C语言编写，分为HBS解码编码分析子程序，485驱动子程序，温度采集子程序，按键输入子程序，数码管显示子程序，数据处理主程序。各子程序由主程序调用和处理。
工作时，先要解析HBS编码，用无极性的二芯通信线从大金空调的通信接口采集HBS信号，将其解码后分析出空调运行数据，此数据经过CPU处理，转化为485格式的通信信号，经485驱动电路输出到485接口的A和B端子。设置的参数信息经键盘电路输入到MCU，调用存储程序，通过IIC总线电路，将编码数据存入铁电存储芯片24C64内。
温度采集电路通过热敏电阻RT测量温度变化，温度采集电路把电阻变化转化为电平变化，输送到单片机RA0端口进行处理，形成环境温度信号T1。
正常工作时，单片机主程序不断采集HBS信号，转化为RS485信号进行输出，同时把RS485控制信号经CPU处理后，转化为HBS信号传递到空调，控制空调的工作。
该控制器的外型尺寸为129*79*30MM，外接5V电源，可以很方便的安装在空调机房。

图1 结构示意图

图2 电原理图

工作原理详细说明
一 协议转换器的原理框图如下:

二 工作原理及开发说明：
1. HomeBusSystem
HBs的全称是家庭总线系统(HomeBusSystem)。合会/无线工程电子协会HBS标准委员会于1997年制定会的支持[25]。HBs的网络拓扑结构如1-6所示。

HBS以双绞线和同轴电缆为通讯介质，前者用于传输语音、数据和控制信号，后者用于传输图像等视频信号，介质的最大长度为Zoom。HBS采用了总线供电的方式，总线上既要提供工作电压，又要传递控制信息。HBS有控制通道和信息通道之分，控制通道用于低速数据的传输，信息通道用于高速数据的传输。控制通道最多可以有64个节点，传输速率为9.6KbPs。HBs对开放系统互联(051， opensystemIntereonneet)七层模型作了精简，由三层结构组成，分别为物理层，数据链路层和网络层，类似现场总线，。在介质访问子层，HBS采用带碰撞检测的载波侦听多路访问(CSMA/CD，Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)协议。信协议简化为物理层、数据链路层和网络层。家庭的电器设备通过HBS可以实现互联，构成家庭网络。该总线具有抗干扰性性强、响应速度快、开发成本及风险较低的特点。
2.RS-485
RS-485是隶属于051模型物理层，电气特性规定为2线，半双工，多点通信的标准。用缆线两端的电压差值来表示传递信号，1极的电压标识为逻辑1，另一段标识为逻辑0。两端的电压差最小为0.2V以上时有效，任何不大于12V或者不小于-7V的差值对接受端都被认为是正确的。
RS-485仅仅规定了接受端和发送端的电气特性。它没有规定或推荐任何数据协议。RS-485可以应用于配置便宜的广域网和采用单机发送，多机接受通信链接。RS-485使用双绞线进行高电压差分平衡传输，它可以进行大面积长距离传输(超过4000码，1200米）。
RS-485的发送端需要设置为发送模式，这使得RS-485可以使用双线模式实现真正的多点双向通信RS-485推荐使用在点对点网络中，线型，总线型，不能是星型、环型网络。理想情况下RS-485需要2个终接电阻，其阻值要求等于传输电缆的特性阻抗。没有特性阻抗的话，当所有的设备都静止或者没有能量的时候就会产生噪声，而且线移需要双端的电压差。之所以不能使用星型或者环型的拓扑结构，是由于这些结构有不必要的反映，过低或者过高的终接电阻可以产生电磁干扰。
2.七层协议体系的参考模型
OSI参考模型(OSI/RM，Open system Interconnection Reference Model)的全称是开放系统互联参考模型，它是由国际标准化组织150提出的一个网络系统互联模型。这个模型把网络通信的工作分为7层l27]。如图2-1所示。
1至4层被认为是低层，这些层与数据移动密切相关。5至7层是高层，包含应用程序级的数据。每一层负责一项具体的工作，然后把数据传送到下一层。每一层负责一项具体的工作，然后把数据传送到下一层。由低到高具体分为:物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。

3 协议转换模块的实现分析与软、硬件构思
3.1协议转换模块的实现分析
基于上述内容，若要实现协议转换模块的功能，即在RS-485总线和HBS总线之间实现通信的互联，必须要解决以下两个问题:
(l)两种不同规格现场总线形式的物理层兼容;
(2)两种不同通信协议的数据链路层兼容。
如果解决了以上两个问题，那么从理论上，实现基于RS-485总线和HBS总线的协议转换模块就成为可能。
3.2问题(1)的解决
RS-485总线规格与HBS总线物理层差异性比较大，若想直接实现总线RS-485总线规格与HBS总线物理层差异性比较大，若想直接实现总线间的硬件互联，比较困难。我们采用日本MITSUMI公司生产的HBS芯片MM1192来转换HBS信号，MM1192的输入和输出信号与MCU的两个I/O引脚相连，MCU需要一个标准串行接口搭建485驱动驱动电路，这里选用microchip公司生产的PIC16F4620作为主控芯片，控制RS-485总线和HBS总线的通信，输出MODBUS协议信号。
3.3问题(2)的解决
在解决了问题(l)的基础上，使用上述的MCU对分别来自两个总线接口口的数据帧进行处理、转换，那么RS-485总线和HBS总线数据链路层的兼容也可以成为现实。

三 产品图样及技术参数