近年来随着智能楼宇的多元化与普及化，智能楼宇在人们的生活中已普遍存在，它以能给人提供良好的工作、生活环境而著称.其中暖通空调系统是智能楼宇的重要组成部分，它能通过适当的温、湿度给人以优质的空气环境.目前，智能楼宇多采用中央空调的运行模式，即空气处理设备集中于统一的设备间，空气经集中处理后，再由送风管道统一输送到各个工作单元当中去.设备间的空气处理设备是相互关联并实现自动控制的一个过程.其自动控制水平的高低及良好运作不仅关系到空气处理的质量，还直接影响到了空调系统的运营成本.因此，提高空调系统的自控水平是当下智能楼宇急需的技术之一.
1 PROFIBUS楼宇空调系统的选用依据
PROFIBUS总线技术是目前较为流行的，可用于楼宇自控系统中的一种总线技术，它包括DP、PA、FMS三个部分.因空调系统中存在大量的前端传感器和电动调节阀类的执行器，所以选用可用于设备级控制和分散式I/O通信的PROFIBUS-DP较为合适.此外，PROFIBUS-DP还具备以下一些特性：
1) 开放性：是一种开放式、国际化、高兼容，不依赖设备生产商的总线标准.
2) 性价比高：是一种高速低成本的通信方式.
3) 可靠性：各设备间的连线简单，总线上任何一个节点的故障不影响系统通讯.
4) 实时性：数据传输速率范围从9.6～12 Mbit/s，最高可达12 Mbit/s，是目前通讯速率最高的现场总线，具有很高的实时性.
由此，选用PROFIBUS_DP总线技术来构建楼宇空调系统不仅能降低设备更换成本，还能大大提高系统的通信速率和可靠性，提高空调系统的自控能力.
2 PROFIBUS_DP楼宇空调系统整体设计
以PROFIBUS_DP总线构建的楼宇空调自控系统主要由三部分组成，分别是前端的现场设备、PROFIBUS_DP协议转换模块及PC上位机模块.
前端现场设备是指楼宇空调系统中众多的传感器和执行器.例如用于空气、盘管和压缩机温度检测的温度传感器；用于空气湿度测量的湿度传感器；以及用于过滤网两侧压差测量的压力传感器.执行器主要有各类调节阀，如控制风量的风阀，控制盘管水流量的水阀等.PROFIBUS_DP协议转换模块主要用于前端现场设备到PROFIBUS网络的连接，实现与总线的通信及上位机监控.通过协议转换，使现场设备具备监视、保护及报警功能.PC上位机主要用于对前端设备的监控，主要通过WinCC和STEP软件来实现.
前端现场设备和PROFIBUS_DP协议转换模块共同构成总线从站，PC上位机则为总线主站.PROFIBUS_DP总线可构建多主站系统和单主站系统.在此设计以PC机为主站，各类现场设备和协议转换模块为从站的单主站空调自控系统，如图1所示.
2.1 PROFIBUS_DP楼宇空调系统硬件设计
2.1.1 处理器与SPC3接口电路设计
PROFIBUS_DP楼宇空调系统的硬件设计主要是针对从站的设计.其中PROFIBUS_DP协议转换模块则是设计的核心与关键，它负责前端现场设备与总线及上位机的通讯.主要由微处理器和协议芯片构成，在此选用STC89C52处理器和西门子SPC3协议芯片.
图1 PROFIBUS_DP楼宇空调系统整体设计
STC89C52是一种超强抗干扰，低功耗、高性能的CMOS8位微控制器，内置4K字节的EEPROM存储空间.具有8K在线系统可编程Flash存储器.支持双全工的串行口，可直接使用串口下载，既方便编程，也利于与前端现场设备通信.西门子SPC3协议芯片集成了大部分的PROFIBUS_DP协议.具有自动检测和调整数据传输速率的功能，最大数据传输速率可达12Mbit/s.STC89C52与SPC3的连接是整个协议转换模块的核心，它们的接口连接如图2所示.
图2 STC89C52与SPC3接口电路
在连接运行时，STC89C52与SPC3使用了各自单独的晶振以提高模块的抗干扰性.由于SPC3采用同步接口模式，因此XINT/MOT引脚接低电平，XRDY引脚无效.XINT中断输出脚接STC89C52的中断输入口来读取SPC3产生的中断.RESET复位引脚接STC89C52的一个IO口来控制SPC3复位.SPC3的数据地址线与STC89C52的P0、P2口相连.其中P0口为数据总线以及低8位地址总线端口，P2口则为高8位地址端口，因此SPC3的A8～A10接低电平.
STC89C52统一分配SPC3的RAM及其地址空间，二者间通过SPC3的双口RAM进行数据交换.为保证I/O数据处理正常进行，STC89C52以三个I/O端口来模拟读(WR)信号、写(RD)信号和锁存(ALE)控制信号对SPC3进行读写.STC89C52的串行接口连接RS485驱动电路与空调现场设备进行通信.由于SPC3不支持RS485驱动，因此还需在串行接口处外接RS485驱动芯片来实现与PC上位机的通讯.EXCH引脚与一个发光二极管相连，当上位机与空调前端现场设备有数据交换时，二极管闪烁，如图3所示.
2.1.2 上位机驱动电路设计
SPC3必须与RS485驱动芯片相连才能实现与总线的通信.在此选用Maxim公司的MAX485芯片.其采用+5V单一电源工作，具备低功耗、摆率不受限的特性.能实现无差错数据传输.芯片内部结构和引脚都较为简单，减少了电路设计的复杂性.同时采用HP公司的HCPL2601超高速光耦对输入输出信号进行光电隔离.
SPC3的RXD、TXD引脚信号通过HCPL2601光电隔离后，再分别与MAX485的接收输出端RO和驱动输入端DI相连.因MAX485具有半双工通信特性，所以其接收和发送的使能端/RE和DE只需与SPC3的RTS引脚相连即可.当/RE为0时，为接收状态，当DE为1时，为发送状态，如图4所示.
图3 PROFIBUS_DP总线接口RS485驱动电路
图4 现场模拟信号采集电路
图5 模/数转换及光电隔离电路
图6 软件设计图
2.1.3 现场设备数据采集电路设计
系统通过250 Ω精密电阻将采集到的前端现场电流信号转化为0/1～5V电压.然后将电压信号经HCNR201进行模拟线性隔离以提高系统的抗干扰性.此后将信号连入A/D转换器MAX188，把模拟信号转换为单片机能处理的数字信号.再由HCPL2601光电隔离后进入STC89C52.其中SCLK、/CS、DIN、DOUT信号分别接入STC89C52的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3口，通过这四口来模拟SPI总线时序，控制MAX188完成数据的采集，如图5所示.
2.2 PROFIBUS_DP楼宇空调系统软件设计
PROFIBUS_DP节点的软件程序主要由两大块组成，一是DP接口通信程序，二是数据采集程序，其中DP接口通信程序为重点.在DP接口通信程序中由于SPC3能自行处理PROFIBUS_DP总线的状态，所以系统上电后，首先初始化处理器和SPC3，配置各个寄存器.然后启动SPC3，触发硬件看门狗，判断是否有主站输出数据，处理输出数据.并完成数据的采集，写入输入缓存，并向主站发送现场数据.此时要进行外部诊断的监测，如有外部诊断，就向主站发送诊断信息，并进行相应控制，如图6所示.
3 结束语
在实验验证中，通过PC机主站上的WinCC和STEP软件来测试从站数据的采集及报文数据的输入.测试过程为设置好从站地址之后，主站发送一个请求包，从站收到请求包后定时将采样结果以数据包的形式不断向主站广播发送.经过验证，主站和从站之间可以保持可靠的数据通信.本文设计的基于PROFIBUS_DP总线技术的楼宇空调自控系统，能实现整个现场总线控制的最优化，是目前较为先进和可靠的产品.