智能仪表的硬件设计
日期: 2018-10-06
石化电厂燃运系统,构建一个完整的胶带机保护系统。其实际是一种通用型胶带输送机智能诊断保护系统,它能对胶带输送机出现的打滑、断带、过载、柱销断等故障进行自动检测,并发出声、光报警信号。当出现故障时,能自动停止故障胶带机并对前面的胶带机连锁停机。智能仪表是实现整个胶带机监测保护系统的核心,虽然现在市场中有许多型号的电机保护监测装置,但主要是功能不全,不能满足厂方的要求,而且价格也很高,需要研发一种可以广泛应用于各种工业现场的智能监测保护仪表。
1. 智能仪表的CPU处理模块
当传感器将非电物理量电压、电流、速度等转换成模拟电压信号,这一模拟信号经电路转换、隔离后,需进行模数转换才能经CPU处理进行显示和控制输出,以及经过串行通信模块与上位机进行远程通信。综合考虑性能价格比等因素,智能仪表的CPU处理模块选用TI公司的MSP430F149单片机。
MSP430系列单片机是美国德州仪器(TI)1996年开始推向市场的一种16位超低功耗的混合信号处理器(Mi x e d Si g n a l Processor)。MSP430F149的电源电压采用1.8～3.6V低电压,RAM数据保持方式下耗电仅0.1μA;16位RISC结构,120ns指令周期;有丰富的外围资源,具有12位200ksps的A/D转换器,3个捕获/比较寄存器的16位定时器Timer_A,Timer_B,两通道串行通信接口可用于异步或同步(UART/SPI)模式,6个8位并行端口,且2个8位端口有中断能力;有多达60kB FLASH ROM和2kB RAM,具有串行在线编程和保密熔丝的程序代码保护功能,修改程序十分方便;中断源较多,并且可以任意嵌套,实用灵活方便,当系统处于省电的备用状态时,用中断请求将它唤醒仅需6us;系统工作稳定,如果晶体振荡器在用作CPU时钟MCLK时发生故障,DCO会自动启动,以保证系统工作正常;如果程序跑飞,可用看门狗将其复位。开发语言可以是汇编语言和C语言,编程非常方便。
MSP430系列单片机是美国德州仪器(TI)1996年开始推向市场的一种16位超低功耗的混合信号处理器(Mi x e d Si g n a l Processor)。MSP430F149的电源电压采用1.8～3.6V低电压,RAM数据保持方式下耗电仅0.1μA;16位RISC结构,120ns指令周期;有丰富的外围资源,具有12位200ksps的A/D转换器,3个捕获/比较寄存器的16位定时器Timer_A,Timer_B,两通道串行通信接口可用于异步或同步(UART/SPI)模式,6个8位并行端口,且2个8位端口有中断能力;有多达60kB FLASH ROM和2kB RAM,具有串行在线编程和保密熔丝的程序代码保护功能,修改程序十分方便;中断源较多,并且可以任意嵌套,实用灵活方便,当系统处于省电的备用状态时,用中断请求将它唤醒仅需6us;系统工作稳定,如果晶体振荡器在用作CPU时钟MCLK时发生故障,DCO会自动启动,以保证系统工作正常;如果程序跑飞,可用看门狗将其复位。开发语言可以是汇编语言和C语言,编程非常方便。
2. 智能仪表的 A/D 转换模块
利用传感器把各种物理量测量出来,转换为电信号,经过模数转换(ADC)变成数字量,这样模拟量才能被单片机处理和控制。ADC模块的常用性能指标如下。
2 . 1 分辨率
分辨率表示输出数字量变化一个相邻数码所需输入模拟电压的变化量,它定义为转换器的满刻度电压与2n的比值,其中n为ADC的位数,因而分辨率与ADC的位数有关,例如一个8位ADC模块的分辨率为满刻度电压的1/256。如果满刻度输入电压为5V,该ADC模块可分辨5/256即约20mV的电压变化。而对于一个12位的ADC模块,其分辨率则为满刻度的1/2n即满刻度的0.0245%。一个5V满刻度的12位ADC模块能够分辨输入电压变化的最小值约为1.2mV,所以ADC模块位数越多,数据采集精度就越高。
2. 2 量化误差量化误差和分辨率是统一的,量化误差是由于有限数字对模拟数值进行离散取值( 量化) 而引起的误差因此,量化误差理论上为一个单位分辨率,即± 1/2LSB。提高分辨率可以减少量化误差。
2 . 3 转换精度
ADC模块的转换精度反映了一个实际ADC模块在量化上与一个理想ADC模块进行模/数转换的差值,可表示成绝对误差或相对误差,与一般测量仪表的定义相似。
2 . 4 转换时间
指ADC模块完成一次模拟数字转换所需要的时间,转换时间越短越能适应输入信号的变化。转换时间与ADC模块的结构、位数有关。MSP430F149片内ADC12模数转换模块能够实现12位精度的模数转换,具有高速和通用的特点,它由5大功能模块组成,而且都可通过用户软件独立配置。ADC12主要特点归纳如下:
12位转换精度,1位非线性微分误差,1位非线性积分误差;有多种时钟源提供给ADC12模块,而且模块本身内置时钟发生器;内置温度传感器;Timer_A/Timer_B硬件触发器;配置有8路外部通道与4路内部通道;内置参考电源,并且参考电压有6种组合;模数转换有4种模式;16字转换缓存;
ADC12可关断内核支持超低功耗应用;采样速度快,最高可达200ksps;自动扫描;DMA功能。保护系统传感器层主要测量电机的电压、电流、胶带的速度等。其中电压、电流传感器传送回来的信号是0 ～ 5V,由于MSP430F149片内ADC12模数转换模块采用的是2.5V的基准电压,所以在进入AD采样通道前都要做一次变换,所有的电压信号都要将最大幅值限制在2.5V,再把信号接入到单片机的AD采样通道。变换之后的信号再用LM324运放作一次驱动,这个环节除了能完成电平转换功能之外,还由于其输入阻抗高,输出阻抗低的特点,既可以起到缓冲、减少干扰,又可以实现CPU与外部信号的隔离,提高带负载能力的作用。
2 . 1 分辨率
分辨率表示输出数字量变化一个相邻数码所需输入模拟电压的变化量,它定义为转换器的满刻度电压与2n的比值,其中n为ADC的位数,因而分辨率与ADC的位数有关,例如一个8位ADC模块的分辨率为满刻度电压的1/256。如果满刻度输入电压为5V,该ADC模块可分辨5/256即约20mV的电压变化。而对于一个12位的ADC模块,其分辨率则为满刻度的1/2n即满刻度的0.0245%。一个5V满刻度的12位ADC模块能够分辨输入电压变化的最小值约为1.2mV,所以ADC模块位数越多,数据采集精度就越高。
2. 2 量化误差量化误差和分辨率是统一的,量化误差是由于有限数字对模拟数值进行离散取值( 量化) 而引起的误差因此,量化误差理论上为一个单位分辨率,即± 1/2LSB。提高分辨率可以减少量化误差。
2 . 3 转换精度
ADC模块的转换精度反映了一个实际ADC模块在量化上与一个理想ADC模块进行模/数转换的差值,可表示成绝对误差或相对误差,与一般测量仪表的定义相似。
2 . 4 转换时间
指ADC模块完成一次模拟数字转换所需要的时间,转换时间越短越能适应输入信号的变化。转换时间与ADC模块的结构、位数有关。MSP430F149片内ADC12模数转换模块能够实现12位精度的模数转换,具有高速和通用的特点,它由5大功能模块组成,而且都可通过用户软件独立配置。ADC12主要特点归纳如下:
12位转换精度,1位非线性微分误差,1位非线性积分误差;有多种时钟源提供给ADC12模块,而且模块本身内置时钟发生器;内置温度传感器;Timer_A/Timer_B硬件触发器;配置有8路外部通道与4路内部通道;内置参考电源,并且参考电压有6种组合;模数转换有4种模式;16字转换缓存;
ADC12可关断内核支持超低功耗应用;采样速度快,最高可达200ksps;自动扫描;DMA功能。保护系统传感器层主要测量电机的电压、电流、胶带的速度等。其中电压、电流传感器传送回来的信号是0 ～ 5V,由于MSP430F149片内ADC12模数转换模块采用的是2.5V的基准电压,所以在进入AD采样通道前都要做一次变换,所有的电压信号都要将最大幅值限制在2.5V,再把信号接入到单片机的AD采样通道。变换之后的信号再用LM324运放作一次驱动,这个环节除了能完成电平转换功能之外,还由于其输入阻抗高,输出阻抗低的特点,既可以起到缓冲、减少干扰,又可以实现CPU与外部信号的隔离,提高带负载能力的作用。
3. 智能仪表的人机接口模块
智能仪表的人机接口电路包括键盘和显示两个部分,为了节省I/O口线,设计的仪表采用矩阵式键盘,设计了两根行线和四根列线,构成8个按键,可以对仪器运行参数进行设置和修改。显示子系统主要由多组LED组成,进行显示各种运行参数和状态量。显示部分采用带选通功能的串转并芯片4094作为显示驱动器件,这样10位数码管显示只占用单片机3根I/O线,大大提高了资源利用率。通过小键盘的设定可以轮流或固定显示采集到的电压、电流、速度等,具有设置电压上下限、电流上下限、速度上下限、低速度报警持续时间、低电流持续时间报警输出、高电流持续时间报警输出、报警记录查询等45项功能。4 智能仪表的数字量输入输出模块I/O子系统:主要由各种容量的输出、输入继电器组成。负责执行CPU所发出的控制指令,并驱动对应的执行机构进行动作。也通过输入继电器,接受其它设备发出的控制信号。根据电机故障类型(过载、过流、欠流、堵转、三相不平衡、断相、过压、欠压、短路),发出声光报警信号并实现电机的连锁保护控制,提醒操作人员处理;为仪表设计了6路DI和7路DO,如此丰富的开关量输入输出接口不仅能满足在胶带机组保护系统中的应用,在其它场合的应用中也可以满足其要求,扩展功能十分强大。所有的输入信号都要通过光耦隔离,起到保护单片机和抗干扰的作用,所有的输出信号都由三极管驱动继电器的线圈,控制继电器的常开、常闭。
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