（信号与信息处理专业论文）基于arm的热风炉自动控制系统的接口设计与实现.pdf

华北电力大学硕十学位论文 摘要 矿井加暖系统在矿产、冶金、化工等工业中具有广泛的应用。课题组根据热效 率、寿命、自动化程度等方面存在的问题，经过调查、分析和研究开发了一套新型 矿用环保热风炉系统，该系统主要由数据采集系统、火焰监测系统和主机控制系统 三部分组成。 数据采集系统，要对复杂的现场环境进行监测控制，是整个新型热风炉自动控 制系统的关键。本文设计的数据采集系统由m s p 4 3 0 单片机、模拟量采集( a d ) 、 模拟量输出( d a ) 、开关量采集、开关量输出、存储、通信接口及其他辅助电路组 成，结构简单、机构可靠性高，使用寿命长，能够对系统的各种现场数据进行实时 监测和控制，对于矿井的安全可靠生产具有重要的意义。 关键字：热风炉，数据采集，输出控制，m s p 4 3 0 a b s t r a c t m i n ec a l e f a c t i o ns y s t e mi s b r o a d l ya p p l i e di ni n d u s t r y ， s u c ha sm i n e ， m e t a l l u r g y ， c h e m i s t r yi n d u s t r ya n d s oo n a c c o r d i n gt op r o b l e m se x i s t e di nt h e r m a l e f f i c i e n c y ，l i f e - s p a n ，d e g r e eo fa u t o m a t i o n ，w ed e s i g n e dan e wt y p eo fh o ta i rf u r n a c e s y s t e mw h i c hu s e di nm i n ea n dp r o t e c te n v i r o n m e n tv i ar e s e a r c ha n da n a l y s i s t h e s y s t e mi sm a i n l yc o n s t i t u t e db yd a t ac o l l e c t i o ns y s t e m ，f l a m e m o n i t o r i n gs y s t e ma n d h o s tc o m p u t e rc o n t r o l l i n gs y s t e m t h ed a t ac o l l e c t i o ns y s t e mi st h ek e yo fe n t i r en e wt y p eh o ta i rf u r n a c ea u t o m a t i o n c o n t r o l l i n gs y s t e m ， w h i c hm o n i t o ra n dc o n t r o lc o m p l i c a t e dl o c a l ec i r c u m s t a n c e d a t a c o l l e c t i o ns y s t e md e s i g n e di nt h i sp a p e ri sc o m p o s e dt os i n g l e c h i p m s p 4 3 0 ， s i m u l a t i n g q u a n t i t yc o l l e c t i o n ( a d ) ， s i m u l a t i n gq u a n t i t yo u t p u t t i n g ( d a ) ， n u m e r a lq u a n t i t y c o l l e c t i o n ，n u m e r a lq u a n t i t yo u t p u t t i n g ，s t o r a g e ，c o m m u n i c a t i n gi n t e r f a c ea n do t h e r a s s i s t a n tc i r c u i t ， w h i c hh a v es i m p l ec o n f i g u r a t i o n ，h i g ho r g a n i z a t i o nd e p e n d a b i l i t y a n dl o n gu s a g el i f e ，a n dc a nr e a l t i m e l ym o n i t o ra n dc o n t r o ld i f f e r e n tk i n d so fl o c a l e d a t a i th a sm a g n i t u d ei m p o r t a n c et ot h em a n u f a c t u r eo fm i n eo nt h es a f es i d e b a iy a n g ( s i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g ) d i r e c t e db yp r o f l i a n gm i n g k e yw o r d s ：h o ta i rf u r n a c e ，d a t ac o l l e c t i o n ， o u t p u tc o n t r o l ， m s p 4 3 0 华北电力大学硕十学位论文 摘要 矿井加暖系统在矿产、冶金、化工等工业中具有广泛的应用。课题组根据热效 率、寿命、自动化程度等方面存在的问题，经过调查、分析和研究开发了一套新型 矿用环保热风炉系统，该系统主要由数据采集系统、火焰监测系统和主机控制系统 三部分组成。 数据采集系统，要对复杂的现场环境进行监测控制，是整个新型热风炉自动控 制系统的关键。本文设计的数据采集系统由m s p 4 3 0 单片机、模拟量采集( a d ) 、 模拟量输出( d a ) 、开关量采集、开关量输出、存储、通信接口及其他辅助电路组 成，结构简单、机构可靠性高，使用寿命长，能够对系统的各种现场数据进行实时 监测和控制，对于矿井的安全可靠生产具有重要的意义。 关键字：热风炉，数据采集，输出控制，m s p 4 3 0 a b s t r a c t m i n ec a l e f a c t i o ns y s t e mi s b r o a d l ya p p l i e di ni n d u s t r y ， s u c ha sm i n e ， m e t a l l u r g y ， c h e m i s t r yi n d u s t r ya n d s oo n a c c o r d i n gt op r o b l e m se x i s t e di nt h e r m a l e f f i c i e n c y ，l i f e - s p a n ，d e g r e eo fa u t o m a t i o n ，w ed e s i g n e dan e wt y p eo fh o ta i rf u r n a c e s y s t e mw h i c hu s e di nm i n ea n dp r o t e c te n v i r o n m e n tv i ar e s e a r c ha n da n a l y s i s t h e s y s t e mi sm a i n l yc o n s t i t u t e db yd a t ac o l l e c t i o ns y s t e m ，f l a m e m o n i t o r i n gs y s t e ma n d h o s tc o m p u t e rc o n t r o l l i n gs y s t e m t h ed a t ac o l l e c t i o ns y s t e mi st h ek e yo fe n t i r en e wt y p eh o ta i rf u r n a c ea u t o m a t i o n c o n t r o l l i n gs y s t e m ， w h i c hm o n i t o ra n dc o n t r o lc o m p l i c a t e dl o c a l ec i r c u m s t a n c e d a t a c o l l e c t i o ns y s t e md e s i g n e di nt h i sp a p e ri sc o m p o s e dt os i n g l e c h i p m s p 4 3 0 ， s i m u l a t i n g q u a n t i t yc o l l e c t i o n ( a d ) ， s i m u l a t i n gq u a n t i t yo u t p u t t i n g ( d a ) ， n u m e r a lq u a n t i t y c o l l e c t i o n ，n u m e r a lq u a n t i t yo u t p u t t i n g ，s t o r a g e ，c o m m u n i c a t i n gi n t e r f a c ea n do t h e r a s s i s t a n tc i r c u i t ， w h i c hh a v es i m p l ec o n f i g u r a t i o n ，h i g ho r g a n i z a t i o nd e p e n d a b i l i t y a n dl o n gu s a g el i f e ，a n dc a nr e a l t i m e l ym o n i t o ra n dc o n t r o ld i f f e r e n tk i n d so fl o c a l e d a t a i th a sm a g n i t u d ei m p o r t a n c et ot h em a n u f a c t u r eo fm i n eo nt h es a f es i d e b a iy a n g ( s i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g ) d i r e c t e db yp r o f l i a n gm i n g k e yw o r d s ：h o ta i rf u r n a c e ，d a t ac o l l e c t i o n ， o u t p u tc o n t r o l ， m s p 4 3 0 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于a r m 的热风炉自动控制系统的 接口设计与实现，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研 究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：白盘 e t 期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：玉刍主互导师签名： e l期：圣! ! 鳖：兰： 华北电力大学硕+ 学位论文 1 1 课题背景 第一章引言 矿井加暖系统在矿产、冶金、化工等工业中得到了广泛的应用，其主要用于井 下防冻和通风。矿井井筒防冻是保证矿井冬季安全生产的必要措施和重要保证。矿 井的通风问题是煤矿安全的核心问题之一，矿井通风是煤矿开采中的一个重要组成 部分，是矿井安全生产的基本保障。 进入2 0 世纪9 0 年代以后，有些煤矿开始采用热风炉系统加热空气，即用热风 炉直接加热空气至8 0 0 左右，送至井筒，无需二次换热。热风炉加暖方式较传统 的锅炉空气加热室加暖方式，有设备少、易于安装和维护、安全节能、低成本等优 点。但仍然存在热效率低、寿命短、自动化程度低等问题。 为解决上述问题，研究一种新型矿用环保热风炉系统，具有热效率高，结构简 单、机构可靠性高，使用寿命长、经济节能环保的矿井加暖设备，能实现对系统的 各种现场数据的监测和控制，对于矿井的安全生产具有重要的意义。 新型的矿用环保热风炉系统的优势在于其自动化程度，实现热风炉燃烧、焖炉、 排气等的智能控制，替代人工操作，不仅使效率大为提高，同时也提高了系统的安 全性和可靠性，自动化程度的高低很大程度上决定了该系统的应用前景。那么， 如何实现对现场的各种电压、电流、温度、压力、流量等参数进行检测，并对阀门、 继电器、按钮等开关量的检测以及控制，是该新型热风炉系统的关键所在。本课题 所要讨论的就是该热风炉自动控制系统的模拟量输入输出和开关量输入输出系统， 统称为数据采集系统乜1 。 1 2 国内外研究现状 近年来国内外有关矿井加暖系统的发展很快，其主要表现在3 个方面：一是对 高效节能、环保安全等矿井加暖系统相关技术的研究；二是对大型、高温矿井加暖 系统产品的研究；三是对其自动化程度的研究。 有关上述第三个方面的关键技术与装备的研究有以下特点： 设备大型化，主要技术参数与装备向着大型化发展，以满足高产高效集约化 生产的需要。 应用动态分析和机电一体化、计算机监控、高精度的数据采集等新技术，如 采用模糊控制技术，实现了热风炉燃烧的智能控制，不仅替代了人工操作，而且取 得了较好的控制效果。 采用新型、可靠性高的关键元部件技术。如先进的大功率送风机与耐热高强 华北电力大学硕士学位论文 度管道、电磁阀等。 采用何种数据采集系统，对复杂的现场环境进行监测控制，是整个新型热风炉 自动控制系统的关键。目前工业控制现场广泛使用的数据采集系统1 有如下几种： 1 基于通用微型计算机( 比如p c 机、工控机) 的数据采集系统 这种系统基于通用微机或工业控制机，通过各种采集卡和总线来采集现场数据， 通过接口电路送入微机内进行处理，然后再显示处理结果，输出控制信号。 具有如下特点： ( 1 ) 系统较强的软、硬件支持。计算机系统所有的软、硬件资源都可以用来支 持系统进行工作。 ( 2 ) 具有二次开发能力，软硬件扩展能力好。同时生产厂家比较多，可获得较 好的技术支持。 ( 3 ) 系统的成本较高。 2 基于单片机的数据采集系统 它是由单片机及其一些外围芯片构成的数据采集系统，是近年来微机技术快速 发展的结果，它具有如下特点： ( 1 ) 系统的软硬件设计与配置规模都是以满足数据采集系统功能要求为原则， 因此系统的软硬件应用配置比接近于1 ，具有最佳的性价比。 ( 2 ) 系统集成度高，提供有标准接口，可作为数据采集单元灵活应用到各种控 制系统中。 ( 3 ) 系统的可靠性好、使用方便，无需用户过多的配置，操作简单。 3 基于d s p 处理器的数据采集系统 d s p 数字信号微处理器从理论上而言就是一种单片机的形式，信号处理芯片有 两种类型，一种是专用d s p 芯片，一种是通用基于d s p 数字信号微处理器的数据采 集系统，其特点如下：精度高、可靠性好、容易集成等，但同时其成本也比较高。 4 基于混合型计算机采集系统 它是由通用计算机( p c 机) 与单片机通过标准总线如r s 4 8 5 、i s a 、p c i 等相连 而成。单片机及其外围电路构成的部分是专门为数据采集等功能的要求而配置的， 主机则承担数据采集系统的人机对话、数据的计算、记录、打印、图形显示等任务。 混合型计算机数据采集系统具有如下特点： ( 1 ) 通常具有二次开发能力。 ( 2 ) 系统配置灵活。易构成各种大中型测控系统。 ( 3 ) 主机可远离现场而构成各种局域网络系统。 ( 4 ) 充分利用主机资源，但不会占有主机的全部c p u 时间。 随着计算机技术、微电子技术、通信技术的发展，对数据采集技术的发展产生 了深刻的影响。数据采集系统的发展趋势主要表现在以下几个方面： 2 华北电力火学硕士学位论文 ( 1 ) 新型快速、高分辨率的数据转换部件不断涌现，大大提高了数据采集系统 的性能。 ( 2 ) 高性能单片机的问世和各种数字信号处理器的涌现，进一步推动了数据采 集系统的广泛应用。 ( 3 ) 智能化传感器、高精度高速a d 和d a 转换器、现场总线的发展，必将对今 后数据采集系统的发展产生深远的影响。 ( 4 ) 与微型机配套的数据采集部件的大量问世，大大方便了数据采集系统在各 个领域的应用并有利于促进数据采集系统技术的进一步发展。 ( 5 ) 分布式数据采集是数据采集系统发展的一个重要趋势。 1 3 本课题的特点与要求 热风炉控制系统工作在环境极为恶劣的现场，存在大量的噪声信号，温度等参 量的变化范围大，系统需采集的各种参数较多，并要求对历史数据做出分析，以提 供趋势曲线。本着使用更少的元器件、低成本、简易实用、降低系统功耗以及使系 统更加可靠为目标，本课题设计了基于单片机的数据采集系统，作为数据采集单元 应用到热风炉自动控制系统中，与热风炉控制系统的控制主机采用标准接口。该数 据采集系统的主要特点和功能如下： 主处理器采用m s p 4 3 0 单片机 完成对1 6 路模拟信号的采集，2 路模拟信号的输出，并且可扩展 完成对8 路开关量信号的采集和输出 可编程增益放大( 1 ，2 ，4 ，8 ，x1 6 ) ，板上采样保持 a d 转换的分辨率为1 2 位 采样速率不低于4 0 0 h z 具有掉电数据保存功能 提供标准通信接口r s 4 8 5 接口，与主机控制系统连接十分方便 1 4 本文的主要工作 本文详细阐述了一套应用于热风炉自动控制系统的数据采集系统的设计与实 现，主要包括硬件电路的设计、各模块与单片机的接口设计以及各模块的软件编程 和调试等。 3 华北电力大学硕十学位论文 2 1 概述 第二章数据采集系统的硬件设计 本章首先对整个热风炉自动控制系统从系统组成结构、功能特点、主控制单元 ( a r m 平台) 以及系统工作流程作了简单的综述，指出了数据采集子系统在整个系 统中所处的位置和重要作用。然后针对数据采集子系统的硬件设计做了详细的论 述，包括模拟量输入输出、开关量输入输出、存储、通信等。 2 。2 新型热风炉自动控制系统的结构 2 2 1 系统的组成结构 热风炉自动控制系统的硬件部分主要由模拟量输入和输出、开关量输入和输出、 火焰监测系统和主机控制系统四部分组成n 3 ，如图2 一l 所示。 图2 1 控制系统硬件框图 ( 1 ) 主机控制系统 采用a t 9 1 s a m 9 2 6 0 处理器，a r m 9 内核。完成各个子系统的协调工作和通信，实 现数据的显示、存储、打印、分析和故障报警等功能，是整个系统的核心。 ( 2 ) 模拟量输入和输出系统 传感器、变送器、热电偶等采集现场气体流量、压力和温度信号。主机系统根 据现场情况调节各种阀门，包括助燃冷风调节阀和煤气调节阀共两套，可以调节流 量信号，并提供阀门位置反馈信号。有害气体检测器探头利用扩散采样，可将现场 的有害气体浓度转变成4 - - - 2 0 m a 电流信号，通过传输线可将信号传输到微机控制系 4 华北电力大学硕+ 学位论文 统，完成远距离气体检测报警。 ( 3 ) 开关量输入和输出系统 主机系统根据现场情况，控制继电器、按钮、电机、限位开关等。控制两座热 风炉的冷风阀、热风阀、煤气阀、混风阀、烟道阀等阀门，实现燃烧、送风和焖炉 功能。通过控制变频器的频率调节风机的转速，以调节气体流量。 ( 4 ) 火焰监控系统 该系统的主要功能是通过输入设备( 光学子系统、c c d 摄像机、图像采集卡) 对热风炉内的火焰进行图像采集，然后由计算机控制存储到存储设备中，并且经过 计算机软件处理系统的分析、处理之后输出相应的指令到输出设备，用以控制相应 的阀门动作。 系统工作流程如图2 2 所示： 图2 - 2 系统工作流程 5 华北电力大学硕士学位论文 2 2 2 系统的功能晦卅 该系统的功能主要包括数据采集、状态显示、现场控制和故障报警，确保热风 炉安全、可靠、高效的运行。 ( 1 ) 数据采集 采集气体温度、压力、流量、火焰燃烧状况和有害气体浓度等信号和开关量的 状态，送往主机系统。并根据主机的指令输出相应的模拟量和开关量，控制调节阀、 变频器、阀门等，实现整个系统的高效、安全运行口刮。 ( 2 ) 状态显示 考虑到热风炉控制系统的现场环境特点，我们采用了液晶显示屏加防水键盘的 设计。信号参数包括各个监测点的温度、流量、压力、火焰燃烧情况、阀门状态、 报警画面和历史纪录等，上传到控制中心后，通过图形界面显示。控制中心对采样 来的各项数据参数进行归纳及分析，提出下一步操作步骤。操作人员根据界面数据 及提示进行控制操作，极大地避免了误操作及人为疏忽。 ( 3 ) 现场控制 控制系统的主要控制方式有“自动”和“手动”，可在两种控制方式之间进行切 换。在“自动 控制方式下，控制系统按照预先设定的生产方案，自动完成所有控 制及监视功能。在“手动 控制方式下，控制系统不参与控制和操作，操作人员在 现场操作箱上直接操作控制。 ( 4 ) 故障报警 当被测的有害气体浓度达到报警点时，报警触发，声音报警继电器动作，启动 所接的报警联动设备。工作人员收到报警后，立即采取维护措施。 ( 5 ) 历史趋势和报表功能 热风炉运行过程中的一些重要参数，如气体温度、压力、流量等，可对其进行 历史数据存储，形成历史趋势，随时进行查看。 2 2 3 主控单元核心处理器 系统采用基于a t 9 1 s a m 9 2 6 0 的工业级a r m 9 技术的c p u 核心模块c o m 9 2 6 0 。 a t 9 1 s a m 9 2 6 0 是a t m e l 公司的最新工业级a r m 9 芯片，是a t 9 1 r m 9 2 0 0 的升级产品， 在兼容a t 9 1 r m 9 2 0 0 原有功能的同时，各方面性能都有很大提高。该产品只有名片 大小，并带有多种存储器和丰富的外设资源n 0 l 。 c o m 9 2 6 0 的硬件结构示意图如下： 6 华北电力大学硕士学位论文 d g t x 、d g r x ”l7 工”“”。鬻 ls 6 。4 一m b 卜u a r t x 6 l s m b l ld a t a | 匝调 + l f l a s i i l l2 5 6 1 r i b | l n a n d l l f l a s h l u s bh o s tx 2 ；d e v i c ex l 罴卜 1 2 c j s s c 1 i 致8 ( a o a 2 i d d 1 5 d ，w r c s x 4 ，i n t x 3 ， s p i l 。 篷。l 一，一。，：磊 图2 - 3c o m 9 2 6 0 硬件结构图 处理器：a t m e l 公司a r m 9 系列a t 9 1 s a m 9 2 6 0 处理器，主频1 8 0 m h z ，处理能 力2 0 0 m i p s ，带有m m u 。 内存：6 4 m bs d r a m ，8 m bd a t af l a s h ，2 5 6 m bn a n df l a s h ，2 k bf r a m 。 以太网：1 个自适应i o i o o m 全双工以太网，已带隔离变压器和状态指示灯。 u s b ：2 个u s b 主口，速度最高可达1 2m b p s ；1 个u s b 从口，速度最高可达 1 2m b p s 。 异步串口：6 个波特率可达9 2 1 6 k b p s 的异步串口，其中4 个支持硬件数据 流方向控制。 同步串口：1 个4 线制同步串口。 d b g u ：3 线制r s 2 3 2 调试串口。 1 2 c 接口和s p i 接口。 实时时钟和看门狗。 开关量：最多可支持3 6 个通用输入输出( 与串口、s p i 、1 2 c 等信号复用) 。 总线：高速外部总线( a o - a 2 1 ，d o - d 1 5 ) ，最多支持4 个独立片选和3 个 可编程外部中断。 上电复位。 封装：7 0 * 5 0 m m 。 供电：+ 3 3 v ；锂电池( 仅用于实时时钟供电) 。 工作温度：一2 0 + 7 0 。 功耗：小于2 w 。 7 华北电力人学硕十学位论文 操作系统：l i n u x2 6 2 0 ，支持y a f f s 2 ，j f f s 2 ，f a t ，e x t 2 ，n f s 等文件系 统。 开发工具：l i n u x 及c y g w i n 环境下的交叉编译工具链。 c o m 9 2 6 0 具有五大优点：简单易用、资源丰富、体积紧凑、低功耗发热小、安 全可靠。 简单易用：由于c o m 9 2 6 0 模块已经包含了内存和各种外设资源，所以只需要 设计一个两层接口底板，将设计所需外设信号通过接口引出即可，而不需要研究外 设、内存和c p u 间的逻辑时序。 资源丰富：c o m 9 2 6 0 上配有多种大容量的存储器，包括s d r a m 内存，掉电不 丢的n a n df l a s h 、d a t af l a s h 和f r a m ，用于数据和程序的存储。 c o m 9 2 6 0 的外设资源丰富，包括以太网、u s b 、异步串口、同步串口、1 2 c 接口、 s p i 、实时时钟和看门狗等，还提供了1 6 位高速总线接口，可支持最多4 个独立片 选和3 个独立外部中断相应。每个片选都支持4 m 地址空间。 体积紧凑：c o m 9 2 6 0 的资源极其丰富，管脚多达1 0 0 个，但是尺寸却比一般 名片还小，体积结构非常紧凑。 低功耗，发热小：通常情况下c o m 9 2 6 0 的功耗只有1 5 w ，即使在最高主频， 且所有外设都处于工作状态时，总功耗也不超过2 w ，发热量小。 安全可靠：c o m 9 2 6 0 可以满足工业应用标准的，高可靠性和高集成度的工 业级c p u 核心模块。 2 3 数据采集子系统组成与原理 数据采集子系统是整个热风炉自动控制系统的关键所在，系统的“大脑 主控 单元根据采集到的各种参数数据，经过分析并做出判断，再通过数据采集子系统的 模拟量、开关量输出单元执行相应的动作。因此，数据采集子系统采集数据的精度、 输出控制的可靠性直接关系到整个自动控制系统的性能的好坏。 本课题所设计的数据采集子系统由m s p 4 3 0 单片机、模拟量采集( a d ) 、模拟 量输出( d a ) 、开关量采集、开关量输出、存储、通信接口及其他辅助电路组成， 如下图所示。 华北电力大学硕十学位论文 图2 - 4 数据采集系统组成 输出 模拟输入信号采集是最为重要的一个环节，包括模拟开关选择电路、可编程增 益放大电路、滤波电路、a d 转换电路。它完成对输入信号的放大、滤波、增益控制 和a d 变换等功能。a d 变换后的输出数据进入采集系统处理器m s p 4 3 0 进行处理并存 储，再由通信电路转发给上一级热风炉控制系统的a r m 处理器。 处理器选用t i 公司的m s p 4 3 0 单片机，是采集系统的核心部分。存储电路选用 铁电存储器f r a m ，读写可靠性高且速度快。 开关量输入信号的采集较为简单，数字信号经过光电隔离等处理后直接进入单 片机i o 口进行判断处理。模拟量输出电路由d a 转换器t l v 5 6 1 6 及相关电路组成， 根据主机系统的命令输出指定的4 - 2 0 m a 模拟信号。开关量输出信号也是在得到主 机系统的命令后，驱动继电器完成动作。 2 4 数据采集系统主处理器1 幻 单片机作为数据采集系统的核心部分，在本系统的设计中也占有举足轻重的地 位，本系统所涉及到的有关单片机的设计包括硬件电路设计和软件控制部分。本节 仅针对系统单片机的硬件相关部分做一介绍。 现在市场上单片机种类繁多，考虑到课题设计要求，以及开发效率，本系统采 用美国德州仪器公司推出的1 6 位超低功耗、高性能产品m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机。该单 片机拥有超低的功耗、强大的处理功能、稳定的运行能力和十分方便的开发调试环 境。m s p 4 3 0 f 1 4 9 拥有6 0 k 的f l a s h 和2 k 的r a m ，片内的j t a g 调试接口使开发人员 可直接将程序通过编译软件下载到片内程序存储器中运行和调试。它的特点如下： 低电源电压范围：1 8 3 6 v 超低功耗： 2 5 1 t a 4k h z ，2 2 v ； 9 华北电力大学硕十学位论文 2 8 0 i _ t a lm h z ， 2 2 v ； 五种节电模式： 等待方式 1 6 1 a a r a m 保持的节电方式0 1 肛a 1 6 位r i s c 结构，1 2 5 n s 指令周期。 基本时钟模块配置： 高速晶体( 最高8 m h z ) ；低速晶体( 3 2 7 6 8 h z ) ；d c o 。 具有3 个捕获比较寄存器的1 6 位定时器t i m e ra ，t i m e rb 。内部看门狗定时 器。 两通道串行通信接口可用于异步或同步( u a r t s p i ) 模式。 6 个8 位并行端口，且2 个8 位端口有中断能力。 灵活、强大的处理能力：源操作数有7 种寻址模式，目的操作数有4 种寻址模式， 仅仅2 7 条核心指令，执行速度极快。优先级、嵌套中断结构。 p 54 球甫0 l | ( p 53 p 52 p 5l p 5 o p 47 日c u p 48 p 45 p 44 p 43 p 42 ，t b 2 p 4 1 门_ b ， p 40 ，t b o p 3 7 p 3 6 p 3 5 ，u r x 0 0 图2 - 5m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机引脚图 m s p 4 3 0 系列单片机存储器采用的是统一结构，物理上完全分离的存储区域如 r o m f l a s h 、r a m 、外围模块、特殊功能寄存器s f r 等，被安排在同一地址空间，这 样就可以使用一组地址、数据总线、相同的指令对它们进行字节或字形式访问。该 结构为软件的开发和调试提供便利。 下图为m s p 4 3 0 f 1 4 9 的存储器结构。 l o 麓篡嚣虢慧裟淼鬟霹嚣筌 舯并 阶 华北电力人学硕士学位论文 巾i 娇向韶髭 纷r y 存编貉 躐转扮貔氍 教槲饪锋 q i 嚣弹纰躲ff l ，a s h 数锻仃蠹螽旗 1 6 锣秘t i 糍该| 艇 8 傻外围饿魄 幸警嫌功娩错存鞲 图2 6m s p 4 3 0 f 1 4 9 存储器结构图 中断向量空间：o f f e o 0 f f f f h 数据存储器从0 2 0 0 h 开始 程序存储器f l a s h 是o f f f f h 以下的一定数量的存储空间 1 6 位外围模块：0 1 f f h 0 1 0 0 h 8 位外围模块：0 0 f f h 0 0 1 0 h 特殊功能寄存器：0 0 0 f h 0 0 0 0 h m s p 4 3 0 单片机及其外围电路图如下所示： 图2 - 7 单片机及其外同电路图 华北电力大学硕士学位论文 x t 2 为高速主晶体，为系统提供主时钟，x t l 为低频率3 2 7 6 8 k 晶体，提供辅 助时钟。 m s p 4 3 0 提供方便的j t a g 编程接e l ，可直接与仿真器连接。由于m s p 4 3 0 的 低功耗、低工作电压导致其噪声容限低，对电源的纹波、瞬态相应性能、时钟源的 稳定性、电源监控可靠性等诸多方面也提出了更高的要求。复位电路采用专用微处 理器电源监控芯片m a x 7 0 5 ，提高系统的可靠性n 3 | 。 2 5 模拟信号采集n 埔1 在热风炉控制现场，由于各种机电设备的存在，干扰严重，数据采集单元不能 直接和强电信号连接，而是使用各种传感器，通过各种隔离器件，将需要的信号传 送到信号处理电路。在实际应用中，传感器的输出信号多为弱信号，信号与采集系 统的距离相对较长，为防止信号的严重衰减，采用电流信号传输，本系统所采用的 传感器输出信号均为4 - - 2 0 m a 的模拟电流信号。在信号接收端，通过i v 转换电路， 再把信号复原成电压信号，经过放大、滤波处理后，送到a d 转换器，结构框图如 下图所示。 4 2 0 m a 模 拟输入信号 圈圈一圜 2 5 1 i v 转换电路 图2 - 8 模拟输入模块结构框图 围曰 为减小电阻本身的噪声和受环境的影响，采用3 6 欧1 精密小电阻将4 - - - 2 0 m a 电流信号转换为o 1 4 4 - - 0 7 2 v 的电压信号。如图2 - 9 所示，根据理想运算放大器的 特点，经第一个运算放大器输出的电压为i r 3 ，再经反相器得到o 1 4 4 , - - - 0 7 2 v 的电 压值。电容c 1 用于滤除高频噪声。 1 2 华北电力大学硕士学位论文 2 5 2 模拟多路开关 图2 - 9 电流电压转换电路图 由于m s p 4 3 0a d c l 2 配置有8 路模拟信号输入，不能满足1 6 路及更多路信号 的采集，故需要外部模拟多路开关。本文选用单端1 6 选1 多路模拟开关a d 7 5 0 6 。 a d 7 5 0 6 是1 6 通道的单集成模拟多路复用器，2 8 针d i p 封装或2 8 端的s m p 封装。 通过使能4 个地址位的状态，将1 6 路输入信号转换成一路输出信号n 引。 在2 5 的温度下，各个参数的最大范围如下： v d d = + 1 7 v v s s = 一1 7 v 数字输入电压范围：0 v d d 过电压v o u t ：v s s v d d 转换电流：3 5 m a 转换时间：7 0 0 n s 功率消耗( 任何封装) ：在5 0 。c 时达到最高1 0 0 m w ，每下降1 功率下降1 0 m w 。 通过单片机的4 个i o 引脚来控制a 0 a 3 进行通道的选择。 华北电力大学硕士学位论文 表2 - 1 选通真值表 a d 7 5 0 6 a 3a 2a l凡e n o n 00o011 000 1l 2 001013 oo1114 01oo15 01011 6 o1l0l 7 o1l118 lo0o19 100 1 l 1 0 1olo111 101111 2 1lo011 3 11011 1 4 1l1o11 5 1l1111 6 xxxxon o n e a d 7 5 0 6 的应用电路如下图所示： 图2 - 1 0a d 7 5 0 6 应用电路 如图2 1 0 所示，s 1 s 1 6 为1 6 路模拟信号，分别连接到a d 7 5 0 6 的1 6 路输入 口；a 0 a 3 连接到单片机的p 2 0 p 2 3 口，作为通道选择控制信号；e n 为使能端， 高电平有效，通过上拉电阻接到电源；o u t 端为输出信号，作为后级放大电路的 输入信号。 1 4 华北电力大学硕+ 学位论文 2 5 3 负电压转换器i c l 7 6 6 0 n 1 9 1 由于a d 7 5 0 6 需要一个负电压才能工作，采用集成负电压变换器有利于提高效 率。i c l 7 6 6 0 是美国哈里斯公司生产的变极性d c d c 变换器。通过该d c d c 变 换器可以将正电压输入变为负电压输出，即v i 与v o 极性相反。这种变换器利用 振荡器和多路模拟开关实现电压极性的转换，因而静态电流小、转换效率高、外 围电路简单。另外，i c l 7 6 6 0 还具有如下特点： 工作电压范围宽( + 1 5 v + 1 0 5 v ) ； 可将c m o s 或t t l 的+ 5 v 电压转换成一5 v ； 空载时没有内部压降，转换效率达9 9 7 ，接负载后本身耗电小于 o 5 m a ，但可向负载提供1 0 - - - 2 0 m a 的电流，其转换效率为9 5 ( 典型 值) ； 外围电路简单，只需外接两个电容即可工作； 可采用串联方式实现倍压输出； 温度范围为6 5 + 1 5 0 ； 当电源电压小于5 5 v 时，能承受持续短路。 、刀c ， l 1 wv ot i2 匕c ， c 】斗。鬈 g n dl v - - 1 0 讲 ，、露c ， c a 口叮i 图2 - 1 1 电路连接图 可已。订 1 l 图2 1 1 中的电容均采用1 0 u f 的钽电容，以提高电源转换效率。负电压从v o u t 口输出。 2 5 4 可编程增益放大器a d 6 2 3 口旷2 门 在传感器的输出到放大器的输入端之间，有可能引入的干扰主要有：工频干扰、 静电干扰、电磁耦合干扰和共模干扰( 即两条或两条以上信号线的电压耦合) 。a d 6 2 3 是一款性能非常好的仪表放大器，可以满足传感器对放大器的抗干扰要求，a d 6 2 3 通过提供极好的随增益增大而增大的交流共模抑制比( a cc m r r ) 而保持最小的误 差，线路噪声及谐波将由于共模抑制比在高达2 0 0 h z 时仍保持恒定而受到抑制。 1 5 华北电力大学硕士学位论文 本课题所要采集的模拟信号大部分都是4 - 2 0 m a 的电流信号，转换为0 1 4 4 , - - - 0 7 2 v 的电压信号。a d 转换器的输入范围是o 2 5 v ，采用可编程增益放大器，可 使输入信号较小时，将信号放大到不小于一半量程，输入信号较大时不至于饱和。 同时为了能够采集微弱信号，a d 6 2 3 的1 1 0 0 0 的增益范围也能够满足要求乜别。 a d 6 2 3 引脚排列如图2 1 2 所示。它能在单电源( + 3 v + 1 2 v ) 下提供满电源 幅度的输出，允许使用单个增益设置电阻进行增益编程，以得到良好的用户灵活性。 在无外接电阻的条件下，a d 6 2 3 被设置为单位增益；外接电阻后a d 6 2 3 可编程设 置增益，其增益最高可达1 0 0 0 倍。 一融 - i n + i n 培 + + v 暑 o u t p u t r e f 图2 - 1 2a d 6 2 3 的引脚图 a d 6 2 3 的主要特点如下表： 表2 - 2a d 6 2 3 的主要特点 最大增益 供电电源增益选择增益范围带宽功耗 误差 o 3 5 8 0 0 k ( g = l 2 5 6 v电阻编程 l 1 0 k6 5 0 m v g = 1 0 0 0 小信号3 d b 输入失调输入失调输入偏置最小共模 温度范围 电压漂移电流抑制比 2 0 0 u v2 u v2 h a 9 0 d b ( g = 10 ) - 4 0 0 c - + 8 5 0 c a d 6 2 3 是在传统的三运放结构基础上改进的一种新型仪表放大器，简化的原理 图如图2 1 3 所示。与传统三运放结构仪表放大器( 如a d 6 2 0 ) 的不同之处是在两个输 入放大器之前分别加一个p n p 晶体管作为电压缓冲器，以便向两个输入放大器提 供共模信号，并且符合电源限输入运放电路结构的要求，输出放大器用来将差动 电压转换成单端电压，它还对前面两个输入放大器输出的共模信号起到抑制作用。 a d 6 2 3 的增益g 是用一个精密电阻( o 1 1 精度) r g 设置的，而不管脚l 和 脚8 之问的阻抗如何。如果g = 1 ，r g 不必连接。电阻选择计算公式为： 1 6 华北电力大学硕士学位论文 g = 1 0 0 k q ( g 1 ) 公式( 2 1 ) 这样，只需调节r g ，便可很方便的对增益进行调节，增益输出电压为： v o = ( 1 + 1 0 0 kq r g ) p o s s u p p l y 7 4 m e gs u p p l y 图2 - 1 3a d 6 2 3 简化原理图 o u t 6 r e f 5 公式( 2 2 ) 本系统设计时+ v s 和v s 接单电源( + v s = 5 v ，v s = 0 ) ，并在靠近电源引脚处 加1 0 u f 的钽电解电容去耦。r e f 为输出参考电平，即零输入时的输出电压，按照 a d 转换的输入信号要求0 - 一2 5 v ，直接将该引脚接地。增益调节电阻选用一个 0 - 2 0 0 k 的可调精密电阻，当调整为1 0 0 k 时增益为2 ，可将信号放到适合a d 转换 器要求的范围。a d 6 2 3 电路接口图如下所示。 2 5 5 滤波电路 图2 - 1 4a d 6 2 3 的电路图 系统接收到的模拟信号中总是混有噪声成分，有用信号频谱一般只占整个信号 频谱的一部分，滤波器可使有用频率信号通过而同时抑制无用频率信号。另外，为 1 7 华北电力人学硕士学位论文 了防止采样后的信号频率产生混叠，需要在a d 变换前加滤波电路以滤除不需要的 频率范围的信号，改善模拟信号的信噪比。 模拟滤波器电路可分为无源滤波电路和有源滤波电路。无源滤波电路一般由电 阻、电容、电感组成，其