智能測(cè)量前端(IDCB)控制儀

摘要：本文分析了893分布式智能測(cè)控網(wǎng)絡(luò)(893-IDCN)的應(yīng)用現(xiàn)狀，指出其缺點(diǎn)。針對(duì)這些問題，以新型W77E58單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)完成了智能測(cè)量前端(IDCB)控制儀。經(jīng)試驗(yàn)運(yùn)行表明，本系統(tǒng)可以完成893的通訊控制功能，且性能良好。最后給出該控制儀的改進(jìn)方案并分析其應(yīng)用前景。

關(guān)鍵字：智能測(cè)量前端；控制儀；數(shù)據(jù)處理；網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘

一．前言

安全性和經(jīng)濟(jì)性一直是電站鍋爐所追求的目標(biāo)，機(jī)組在安全運(yùn)行的基礎(chǔ)上，總是力求最大的經(jīng)濟(jì)性。對(duì)鍋爐而言，就是保持鍋爐始終在效率最高的區(qū)域安全運(yùn)行；同時(shí)為了掌握鍋爐的運(yùn)行特性，了解鍋爐的煤耗等，就有必要在線監(jiān)測(cè)鍋爐的各項(xiàng)損失和鍋爐效率等參數(shù)，并據(jù)此進(jìn)行鍋爐燃燒調(diào)整，保持鍋爐在最佳參數(shù)下運(yùn)行，提高鍋爐運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。所以需要一種可靠性高，通用性和功能性較強(qiáng)，且系統(tǒng)運(yùn)行相對(duì)穩(wěn)定的分布式測(cè)控系統(tǒng)。所以893分布式智能測(cè)控網(wǎng)絡(luò)(893-IDCN)在目前電力、化工、石油等工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)和其他惡劣條件下被廣泛應(yīng)用。

二．893分布式智能測(cè)控網(wǎng)絡(luò)（893-IDCN）

893-IDCN分布式智能數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)采用總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，測(cè)量任務(wù)由具有不同測(cè)量功能的智能測(cè)量前端(IDCB)完成，通過插在主機(jī)機(jī)箱內(nèi)的通訊適配卡和主機(jī)進(jìn)行通訊。整個(gè)系統(tǒng)具有很強(qiáng)的抗干擾能力，能在惡劣條件下，對(duì)測(cè)點(diǎn)多而分散的模擬量、數(shù)字量信號(hào)進(jìn)行連續(xù)高精度測(cè)量和控制。所以，893-IDCN分布式智能數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)在電力系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用（沈陽熱電廠，濰坊電廠，上海石洞口電廠等）。但是在實(shí)際使用的時(shí)候發(fā)現(xiàn)該網(wǎng)絡(luò)有很大的缺點(diǎn)：

 
　�。�1）采用總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，與上位機(jī)的通訊均有賴于工控機(jī)的通訊轉(zhuǎn)換，每組建一個(gè)893-IDCN分布式智能數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)一般要使用數(shù)臺(tái)乃至更多數(shù)量的工控機(jī)或便攜機(jī)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)如圖1。而相應(yīng)的主機(jī)在以RS-422A半雙工異步通訊規(guī)范進(jìn)行工作時(shí)僅能夠完成本主機(jī)與網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)智能測(cè)量前端(IDCB)，以及與網(wǎng)絡(luò)中的其他主機(jī)信息交換的任務(wù)。極大的浪費(fèi)了設(shè)備資源，增加了系統(tǒng)投入。

（2）智能測(cè)量前端(IDCB)一般都安置在現(xiàn)場(chǎng)，工控機(jī)往往只能安置在主控室里。當(dāng)技術(shù)人員要對(duì)IDCB進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)和調(diào)試時(shí)，必須要在控制室和現(xiàn)場(chǎng)之間不斷查看，否則不能及時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)情況的變化，對(duì)于操作人員是很不方便的。

三．智能測(cè)量前端(IDCB)控制儀的設(shè)計(jì)：

由于以上缺點(diǎn)極大的制約了893-IDCN分布式智能數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。為完成智能測(cè)量前端(IDCB)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置，以及能實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，完成各個(gè)IDCB與上位機(jī)的聯(lián)系，設(shè)計(jì)了智能測(cè)量前端(IDCB)控制器。
 
硬件設(shè)計(jì)：

本系統(tǒng)主要由以下幾部分構(gòu)成：數(shù)據(jù)處理模塊，與上位機(jī)通訊模塊，與智能測(cè)量前端(IDCB)通訊模塊，數(shù)碼顯示模塊，鍵盤操作模塊。根據(jù)具體的功能要求設(shè)計(jì)的控制儀的系統(tǒng)框圖如下：

1．?dāng)?shù)據(jù)處理模塊

單片機(jī)選用中國(guó)臺(tái)灣華邦電子公司（WinBond）推出的高速、高集成、增強(qiáng)型MCS-51系列高性能的單片機(jī)W77E58。該芯片改進(jìn)了傳統(tǒng)處理器的時(shí)序，機(jī)器周期與時(shí)鐘之比可以由軟件來控制。最快時(shí)一個(gè)機(jī)器周期僅需4個(gè)時(shí)鐘，最慢時(shí)一個(gè)機(jī)器周期需1024個(gè)時(shí)鐘。在同樣的時(shí)鐘頻率下，當(dāng)時(shí)鐘與機(jī)器周期之比等于4時(shí)，W77E58的指令速度比傳統(tǒng)的51單片機(jī)提高了1.5～3倍（平均2.5倍）。其工作時(shí)鐘最高為40MHz，最低可以為0，因此W77E58可以在空閑方式和掉電方式下正常工作。W77E58片內(nèi)的可多次編程的程序存儲(chǔ)器為32kB，還具有1kB的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。在大程序量和稍大數(shù)據(jù)量的應(yīng)用時(shí)，不需要擴(kuò)展外部程序外儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，因而多余的I/O口被用作鍵盤操作模塊。增強(qiáng)型51系列單片機(jī)W77E58可與標(biāo)準(zhǔn)的8052兼容，內(nèi)含4個(gè)8位I/O口、3個(gè)16位計(jì)數(shù)器和兩個(gè)全雙工串行通信接口。非常適合要求高速、雙串口、外圍簡(jiǎn)潔、低成本系統(tǒng)應(yīng)用的高性能單片機(jī)系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要利用了它的雙串口結(jié)構(gòu)來建立上位機(jī)與智能測(cè)量前端(IDCB)的聯(lián)接。

2．與上位機(jī)的通訊模塊

上位機(jī)有兩個(gè)9針串行通訊口COM1和COM2，采用RS-232C串行通訊標(biāo)準(zhǔn)，功能引腳如表。由于RS-232C接口采用的是負(fù)邏輯，其邏輯電平與TTL電平不能兼容，因此選用MAX232CWE來進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)與TTL電路的雙向連接。該芯片是MAXIM公司生產(chǎn)的低功耗、單電源雙RS-232C發(fā)送/接收器，適用于各種EIA-232E和V.28/V.24的通信接口。MAX232CWE內(nèi)部有一個(gè)電源電壓變換器,可以把輸入的+5Ｖ電源變換成RS-232C輸出電平所需±10V電壓，所以采用此芯片的串行通信系統(tǒng)只需單一+5V電源。外圍用4個(gè)1uF鉭電容作為內(nèi)部電源轉(zhuǎn)換電容，一個(gè)0.1uF的作為去耦電容。MAX232CWE的引腳T1IN、T2IN、R1OUT、R2OUT為接TTL/CMOS電平的引腳，引腳T1OUT、T2OUT、R1IN、R2IN為接RS-232C電平的引腳，因此W77E58的串口1發(fā)送引腳TxD接入T1IN；R1OUT接W77E58的串口1接收引腳RxD，與之對(duì)應(yīng)的T1OUT通過DB9接頭引入上位機(jī)的串行接口RxD，R1IN接的發(fā)送端TxD。

3．與智能測(cè)量前端(IDCB)的通訊模塊

GAL器件是在PAL器件基礎(chǔ)上發(fā)展起來的邏輯芯片，是美國(guó)Lattice公司推出的一種可電改寫、可重復(fù)編程、可加密的新型可編程邏輯器件。它可以代替74系列的TTL器件和CD4000系列的CMOS芯片，在功能上相當(dāng)于4－12個(gè)中小規(guī)模的集成電路。目前,市場(chǎng)上供應(yīng)最多、用戶應(yīng)用最廣的是GAL16V8和GAL20V8。它們內(nèi)部都有8個(gè)輸出邏輯宏單元(OLMC)，即I/O端口；對(duì)GAL16V8是12～19腳，GAL20V8是15～22腳。OLMC的各種組態(tài)形式的實(shí)現(xiàn)是由其結(jié)構(gòu)控制字來控制的。同步位SYN=1或0用以控制OLMC具有組合型或寄存器型輸出功能。AC(0)是8個(gè)單元公用的，AC1(n)則是每個(gè)單元單獨(dú)具有的。SYN、AC(0)和AC1(n)三位數(shù)用以控制OLMC的5種工作模式〔2、3〕。本設(shè)計(jì)中選用GAL16V8來完成輸入輸出選通控制。一片為1：4分路轉(zhuǎn)換，另一片為4：1的讀入切換，通道選擇信號(hào)均由（P1.7、P1.6）控制。

75176為雙向傳輸，且滿足ANSI的EIA/TIA－422A標(biāo)準(zhǔn)和ITU通訊標(biāo)準(zhǔn)的的芯片。RS－422A標(biāo)準(zhǔn)是一種平衡方式傳輸，平衡傳輸就是指雙端發(fā)送和雙端接收，所以具有良好的遠(yuǎn)距離傳輸抗干擾的特性。串口2(P1.2,P1.3)分別通過兩片GAL后與75176相連就可以構(gòu)成一對(duì)多的通訊模塊。采用RJ45聯(lián)結(jié)頭將更方便現(xiàn)場(chǎng)操作。

4．?dāng)?shù)碼顯示模塊，鍵盤操作模塊

顯示控制芯片選用74HC595，該芯片具有8位串行輸入并行輸出功能，且驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)功耗低。將P1.0、P1.1、P1.4、P1.5分別與74HC595的SER、SRCLK、RCLK、SRCLR連接組成4位七段數(shù)碼管顯示模塊，選位信號(hào)由P0.4、P0.5、P0.6、P0.7提供。采用動(dòng)態(tài)顯示模式。

鍵盤操作模塊由剩余口線組成，根據(jù)需要可以獲得5×5的鍵盤網(wǎng)格。
 
軟件設(shè)計(jì)：

程序設(shè)計(jì)采用分層設(shè)計(jì)的思想，分為應(yīng)用程序和系統(tǒng)程序。應(yīng)用程序?qū)嵸|(zhì)是一組子程序集，它們的主要作用是對(duì)智能測(cè)量前端(IDCB)進(jìn)行設(shè)置和控制，但它們的實(shí)現(xiàn)僅是通過鍵盤操作后在系統(tǒng)內(nèi)存中組織一組數(shù)據(jù)發(fā)給相應(yīng)的IDCB，完成對(duì)多個(gè)前端的分時(shí)控制。系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序的作用就是數(shù)據(jù)交換，即接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)，它們直接對(duì)硬件操作，采用查詢的方式實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與控制器的數(shù)據(jù)交換。由于控制器的內(nèi)存有限，不能進(jìn)行大數(shù)據(jù)量的交互傳輸，所以在實(shí)際運(yùn)行中，完成本次數(shù)據(jù)傳送任務(wù)后從智能測(cè)量前端(IDCB)所讀入數(shù)據(jù)將覆蓋原數(shù)據(jù)區(qū)。由于有這樣的要求所以整個(gè)系統(tǒng)的同步將十分重要。

在智能數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)中，控制器及每一個(gè)智能測(cè)量前端(IDCB)都有自己的實(shí)時(shí)時(shí)鐘，網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘的精確同步是整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)穩(wěn)定準(zhǔn)確運(yùn)行的前提，在本系統(tǒng)中，時(shí)鐘同步原理如下：以控制器時(shí)鐘為準(zhǔn)，每2ms發(fā)生一次定時(shí)中斷，由定時(shí)中斷子程序執(zhí)行同步任務(wù)。在定時(shí)中斷子程序中，每2ms將（0FH）減1，每100ms將（0EH）減1，每1s將（0DH）減1。子程序的任務(wù)就是尋找相應(yīng)的智能測(cè)量前端(IDCB)，確認(rèn)其時(shí)鐘周期是否滿足運(yùn)行要求，如不同步則讓其進(jìn)入等待狀態(tài)，直至完成對(duì)所有智能測(cè)量前端(IDCB)的同步設(shè)置。

與上位機(jī)的通訊數(shù)據(jù)塊數(shù)據(jù)依次為：數(shù)據(jù)頭、數(shù)據(jù)地址、數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)位、采樣數(shù)據(jù)組、校驗(yàn)位即數(shù)據(jù)組的累加和。上位機(jī)每收到一組數(shù)據(jù)，均要進(jìn)行累加和校驗(yàn)，然后將校驗(yàn)結(jié)果和單片機(jī)發(fā)來的校驗(yàn)位相比較，若兩者不等則校驗(yàn)失敗，上位機(jī)給控制器發(fā)重發(fā)命令，若兩者相等則校驗(yàn)正常，給控制器發(fā)確認(rèn)信號(hào)，并準(zhǔn)備接收下一組采樣數(shù)據(jù)。

與智能測(cè)量前端(IDCB)的通訊較復(fù)雜。因?yàn)閿?shù)據(jù)存儲(chǔ)空間有限，所以對(duì)智能測(cè)量前端(IDCB)的操作需分段進(jìn)行，包括開始段、前端地址發(fā)送段、操作碼發(fā)送段、參數(shù)塊發(fā)送段、結(jié)束段。傳輸從開始段進(jìn)行，因?yàn)槊總�(gè)數(shù)據(jù)段均有頭尾標(biāo)志，只有當(dāng)控制器收到本段相應(yīng)的確認(rèn)信號(hào)后，才繼續(xù)下一段數(shù)據(jù)傳輸操作，當(dāng)完成結(jié)束段操作后，與IDCB的通訊結(jié)束。

四．結(jié)束語：

經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試，該系統(tǒng)功能基本滿足智能測(cè)量前端(IDCB)的工作參數(shù)設(shè)置以及通訊要求，并有良好的性能表現(xiàn)。由于采用RS-232C通訊接口標(biāo)準(zhǔn)，其最大傳輸距離一般在15米以內(nèi)，且發(fā)送端與接收端之間有公共信號(hào)地，不能使用雙端信號(hào)，因此，共模噪聲會(huì)耦合到信號(hào)系統(tǒng)中，所以應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)要求將RS-232C轉(zhuǎn)換為RS-485串口通訊接口標(biāo)準(zhǔn)方便更可靠的遠(yuǎn)距離傳輸。在顯示和處理部分有待擴(kuò)展，以獲得更好的人機(jī)接口，更優(yōu)的運(yùn)行效果。