智能儀表的硬件設(shè)計
日期: 2018-10-06
石化電廠燃運系統(tǒng),構(gòu)建一個完整的膠帶機保護系統(tǒng)。其實際是一種通用型膠帶輸送機智能診斷保護系統(tǒng),它能對膠帶輸送機出現(xiàn)的打滑、斷帶、過載、柱銷斷等故障進行自動檢測,并發(fā)出聲、光報警信號。當(dāng)出現(xiàn)故障時,能自動停止故障膠帶機并對前面的膠帶機連鎖停機。智能儀表是實現(xiàn)整個膠帶機監(jiān)測保護系統(tǒng)的核心,雖然現(xiàn)在市場中有許多型號的電機保護監(jiān)測裝置,但主要是功能不全,不能滿足廠方的要求,而且價格也很高,需要研發(fā)一種可以廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)現(xiàn)場的智能監(jiān)測保護儀表。
1. 智能儀表的CPU處理模塊
當(dāng)傳感器將非電物理量電壓、電流、速度等轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號,這一模擬信號經(jīng)電路轉(zhuǎn)換、隔離后,需進行模數(shù)轉(zhuǎn)換才能經(jīng)CPU處理進行顯示和控制輸出,以及經(jīng)過串行通信模塊與上位機進行遠(yuǎn)程通信。綜合考慮性能價格比等因素,智能儀表的CPU處理模塊選用TI公司的MSP430F149單片機。
MSP430系列單片機是美國德州儀器(TI)1996年開始推向市場的一種16位超低功耗的混合信號處理器(Mi x e d Si g n a l Processor)。MSP430F149的電源電壓采用1.8～3.6V低電壓,RAM數(shù)據(jù)保持方式下耗電僅0.1μA;16位RISC結(jié)構(gòu),120ns指令周期;有豐富的外圍資源,具有12位200ksps的A/D轉(zhuǎn)換器,3個捕獲/比較寄存器的16位定時器Timer_A,Timer_B,兩通道串行通信接口可用于異步或同步(UART/SPI)模式,6個8位并行端口,且2個8位端口有中斷能力;有多達(dá)60kB FLASH ROM和2kB RAM,具有串行在線編程和保密熔絲的程序代碼保護功能,修改程序十分方便;中斷源較多,并且可以任意嵌套,實用靈活方便,當(dāng)系統(tǒng)處于省電的備用狀態(tài)時,用中斷請求將它喚醒僅需6us;系統(tǒng)工作穩(wěn)定,如果晶體振蕩器在用作CPU時鐘MCLK時發(fā)生故障,DCO會自動啟動,以保證系統(tǒng)工作正常;如果程序跑飛,可用看門狗將其復(fù)位。開發(fā)語言可以是匯編語言和C語言,編程非常方便。
MSP430系列單片機是美國德州儀器(TI)1996年開始推向市場的一種16位超低功耗的混合信號處理器(Mi x e d Si g n a l Processor)。MSP430F149的電源電壓采用1.8～3.6V低電壓,RAM數(shù)據(jù)保持方式下耗電僅0.1μA;16位RISC結(jié)構(gòu),120ns指令周期;有豐富的外圍資源,具有12位200ksps的A/D轉(zhuǎn)換器,3個捕獲/比較寄存器的16位定時器Timer_A,Timer_B,兩通道串行通信接口可用于異步或同步(UART/SPI)模式,6個8位并行端口,且2個8位端口有中斷能力;有多達(dá)60kB FLASH ROM和2kB RAM,具有串行在線編程和保密熔絲的程序代碼保護功能,修改程序十分方便;中斷源較多,并且可以任意嵌套,實用靈活方便,當(dāng)系統(tǒng)處于省電的備用狀態(tài)時,用中斷請求將它喚醒僅需6us;系統(tǒng)工作穩(wěn)定,如果晶體振蕩器在用作CPU時鐘MCLK時發(fā)生故障,DCO會自動啟動,以保證系統(tǒng)工作正常;如果程序跑飛,可用看門狗將其復(fù)位。開發(fā)語言可以是匯編語言和C語言,編程非常方便。
2. 智能儀表的 A/D 轉(zhuǎn)換模塊
利用傳感器把各種物理量測量出來,轉(zhuǎn)換為電信號,經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)變成數(shù)字量,這樣模擬量才能被單片機處理和控制。ADC模塊的常用性能指標(biāo)如下。
2 . 1 分辨率
分辨率表示輸出數(shù)字量變化一個相鄰數(shù)碼所需輸入模擬電壓的變化量,它定義為轉(zhuǎn)換器的滿刻度電壓與2n的比值,其中n為ADC的位數(shù),因而分辨率與ADC的位數(shù)有關(guān),例如一個8位ADC模塊的分辨率為滿刻度電壓的1/256。如果滿刻度輸入電壓為5V,該ADC模塊可分辨5/256即約20mV的電壓變化。而對于一個12位的ADC模塊,其分辨率則為滿刻度的1/2n即滿刻度的0.0245%。一個5V滿刻度的12位ADC模塊能夠分辨輸入電壓變化的最小值約為1.2mV,所以ADC模塊位數(shù)越多,數(shù)據(jù)采集精度就越高。
2. 2 量化誤差量化誤差和分辨率是統(tǒng)一的,量化誤差是由于有限數(shù)字對模擬數(shù)值進行離散取值( 量化) 而引起的誤差因此,量化誤差理論上為一個單位分辨率,即± 1/2LSB。提高分辨率可以減少量化誤差。
2 . 3 轉(zhuǎn)換精度
ADC模塊的轉(zhuǎn)換精度反映了一個實際ADC模塊在量化上與一個理想ADC模塊進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換的差值,可表示成絕對誤差或相對誤差,與一般測量儀表的定義相似。
2 . 4 轉(zhuǎn)換時間
指ADC模塊完成一次模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換所需要的時間,轉(zhuǎn)換時間越短越能適應(yīng)輸入信號的變化。轉(zhuǎn)換時間與ADC模塊的結(jié)構(gòu)、位數(shù)有關(guān)。MSP430F149片內(nèi)ADC12模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊能夠?qū)崿F(xiàn)12位精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換,具有高速和通用的特點,它由5大功能模塊組成,而且都可通過用戶軟件獨立配置。ADC12主要特點歸納如下:
12位轉(zhuǎn)換精度,1位非線性微分誤差,1位非線性積分誤差;有多種時鐘源提供給ADC12模塊,而且模塊本身內(nèi)置時鐘發(fā)生器;內(nèi)置溫度傳感器;Timer_A/Timer_B硬件觸發(fā)器;配置有8路外部通道與4路內(nèi)部通道;內(nèi)置參考電源,并且參考電壓有6種組合;模數(shù)轉(zhuǎn)換有4種模式;16字轉(zhuǎn)換緩存;
ADC12可關(guān)斷內(nèi)核支持超低功耗應(yīng)用;采樣速度快,最高可達(dá)200ksps;自動掃描;DMA功能。保護系統(tǒng)傳感器層主要測量電機的電壓、電流、膠帶的速度等。其中電壓、電流傳感器傳送回來的信號是0 ～ 5V,由于MSP430F149片內(nèi)ADC12模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊采用的是2.5V的基準(zhǔn)電壓,所以在進入AD采樣通道前都要做一次變換,所有的電壓信號都要將最大幅值限制在2.5V,再把信號接入到單片機的AD采樣通道。變換之后的信號再用LM324運放作一次驅(qū)動,這個環(huán)節(jié)除了能完成電平轉(zhuǎn)換功能之外,還由于其輸入阻抗高,輸出阻抗低的特點,既可以起到緩沖、減少干擾,又可以實現(xiàn)CPU與外部信號的隔離,提高帶負(fù)載能力的作用。
2 . 1 分辨率
分辨率表示輸出數(shù)字量變化一個相鄰數(shù)碼所需輸入模擬電壓的變化量,它定義為轉(zhuǎn)換器的滿刻度電壓與2n的比值,其中n為ADC的位數(shù),因而分辨率與ADC的位數(shù)有關(guān),例如一個8位ADC模塊的分辨率為滿刻度電壓的1/256。如果滿刻度輸入電壓為5V,該ADC模塊可分辨5/256即約20mV的電壓變化。而對于一個12位的ADC模塊,其分辨率則為滿刻度的1/2n即滿刻度的0.0245%。一個5V滿刻度的12位ADC模塊能夠分辨輸入電壓變化的最小值約為1.2mV,所以ADC模塊位數(shù)越多,數(shù)據(jù)采集精度就越高。
2. 2 量化誤差量化誤差和分辨率是統(tǒng)一的,量化誤差是由于有限數(shù)字對模擬數(shù)值進行離散取值( 量化) 而引起的誤差因此,量化誤差理論上為一個單位分辨率,即± 1/2LSB。提高分辨率可以減少量化誤差。
2 . 3 轉(zhuǎn)換精度
ADC模塊的轉(zhuǎn)換精度反映了一個實際ADC模塊在量化上與一個理想ADC模塊進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換的差值,可表示成絕對誤差或相對誤差,與一般測量儀表的定義相似。
2 . 4 轉(zhuǎn)換時間
指ADC模塊完成一次模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換所需要的時間,轉(zhuǎn)換時間越短越能適應(yīng)輸入信號的變化。轉(zhuǎn)換時間與ADC模塊的結(jié)構(gòu)、位數(shù)有關(guān)。MSP430F149片內(nèi)ADC12模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊能夠?qū)崿F(xiàn)12位精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換,具有高速和通用的特點,它由5大功能模塊組成,而且都可通過用戶軟件獨立配置。ADC12主要特點歸納如下:
12位轉(zhuǎn)換精度,1位非線性微分誤差,1位非線性積分誤差;有多種時鐘源提供給ADC12模塊,而且模塊本身內(nèi)置時鐘發(fā)生器;內(nèi)置溫度傳感器;Timer_A/Timer_B硬件觸發(fā)器;配置有8路外部通道與4路內(nèi)部通道;內(nèi)置參考電源,并且參考電壓有6種組合;模數(shù)轉(zhuǎn)換有4種模式;16字轉(zhuǎn)換緩存;
ADC12可關(guān)斷內(nèi)核支持超低功耗應(yīng)用;采樣速度快,最高可達(dá)200ksps;自動掃描;DMA功能。保護系統(tǒng)傳感器層主要測量電機的電壓、電流、膠帶的速度等。其中電壓、電流傳感器傳送回來的信號是0 ～ 5V,由于MSP430F149片內(nèi)ADC12模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊采用的是2.5V的基準(zhǔn)電壓,所以在進入AD采樣通道前都要做一次變換,所有的電壓信號都要將最大幅值限制在2.5V,再把信號接入到單片機的AD采樣通道。變換之后的信號再用LM324運放作一次驅(qū)動,這個環(huán)節(jié)除了能完成電平轉(zhuǎn)換功能之外,還由于其輸入阻抗高,輸出阻抗低的特點,既可以起到緩沖、減少干擾,又可以實現(xiàn)CPU與外部信號的隔離,提高帶負(fù)載能力的作用。
3. 智能儀表的人機接口模塊
智能儀表的人機接口電路包括鍵盤和顯示兩個部分,為了節(jié)省I/O口線,設(shè)計的儀表采用矩陣式鍵盤,設(shè)計了兩根行線和四根列線,構(gòu)成8個按鍵,可以對儀器運行參數(shù)進行設(shè)置和修改。顯示子系統(tǒng)主要由多組LED組成,進行顯示各種運行參數(shù)和狀態(tài)量。顯示部分采用帶選通功能的串轉(zhuǎn)并芯片4094作為顯示驅(qū)動器件,這樣10位數(shù)碼管顯示只占用單片機3根I/O線,大大提高了資源利用率。通過小鍵盤的設(shè)定可以輪流或固定顯示采集到的電壓、電流、速度等,具有設(shè)置電壓上下限、電流上下限、速度上下限、低速度報警持續(xù)時間、低電流持續(xù)時間報警輸出、高電流持續(xù)時間報警輸出、報警記錄查詢等45項功能。4 智能儀表的數(shù)字量輸入輸出模塊I/O子系統(tǒng):主要由各種容量的輸出、輸入繼電器組成。負(fù)責(zé)執(zhí)行CPU所發(fā)出的控制指令,并驅(qū)動對應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)進行動作。也通過輸入繼電器,接受其它設(shè)備發(fā)出的控制信號。根據(jù)電機故障類型(過載、過流、欠流、堵轉(zhuǎn)、三相不平衡、斷相、過壓、欠壓、短路),發(fā)出聲光報警信號并實現(xiàn)電機的連鎖保護控制,提醒操作人員處理;為儀表設(shè)計了6路DI和7路DO,如此豐富的開關(guān)量輸入輸出接口不僅能滿足在膠帶機組保護系統(tǒng)中的應(yīng)用,在其它場合的應(yīng)用中也可以滿足其要求,擴展功能十分強大。所有的輸入信號都要通過光耦隔離,起到保護單片機和抗干擾的作用,所有的輸出信號都由三極管驅(qū)動繼電器的線圈,控制繼電器的常開、常閉。
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