基于DSP气体报警控制器的设计毕业设计.pdf

收稿日期: 2010-06-17 基金项目: 中国煤炭工业协会项目( m t k j 08 - 370) 作者简介: 马银花 ( 1970) , 女, 黑龙江密山人, 工程师, 硕士, 研 究方向为计算机测量与控制。 基于 d s p 气体报警控制器的设计 马银花,张文祥,汝彦冬 ( 黑龙江科技学院 计算机与信息工程学院 ,哈尔滨 150027) 摘要: 在工业生产过程中,为了有效监控各种有害气体的浓度, 设计了一种以 d s p 芯片为核心 的气体报警控制器。该控制系统由工控机 、d c s 、 气体报警控制电路 、 触摸屏显示、联动装置和探测 器组成 ,具有以太网、c a n 、485通信接口, 采用了本安电路的设计思想 ,实现了有害气体浓度超限 报警并给出控制信号的功能。运行结果表明, 该系统性能稳定 ,抗干扰能力强,可以推广使用。 关键词 : 气体报警控制器; d s p ; 本安电路 中图分类号 : t p 273 文献标志码: a 文章编号: 1000 - 0682( 2010) 06 - 0098 - 03 d e s i g no f g a s a l a r mc o n t r o l l e rb a s e do nd s p may i n h u a , z h a n gwe n x i a n g , r uy a n d o n g ( c o l l e g e o f c o m p u t e r i n f o r m a t i o ne n g i n e e r i n g , h e i l o n g j i a n gi n s t i t u t e o f s c i e n c e t e c h n o l o g y , h a r b i n150027, c h i n a ) a b s t r a c t : i nt h ei n d u s t r ia l p r o d u c t i o np r o c e s s ,ino r d e r toe f f e c t iv e lym o n i t o r t h ec o n c e n t r a t io no f h a r m f u l g a s e s , th is p a p e r d e s i g n e d t h e d s pc o r e g a s a l a r mc o n tr o l l e r . t h e c o n t r o l s y s t e mc o n s i s t s o f i p c , d c s , g a s a l a r ma n d c o n t r o l c ir c u it s , t o u c hs c r e e n d is p l a y , c o m p o s e do f l i n k e dd e v i c e s a n dd e t e c t o r s .i t u s e s e t h e r n e t , c a n , 485 a s c o m m u n i c a t i o nin te r f a c e . u s i n g t h e i n tr i n s i c a ll y s a fe c i r c u i t d e s i g n t o i m p l e - m e n t t h e h a r m fu l g a s c o n c e n t r a t i o nl i m i t , a la r ma n dc o n t r o l s ig n a l s a r eg i v e nf u n c ti o n s .t h e r u n n i n g r e - s u l t s h o w s t h a t t h es y s t e mi s p o w e r f u l a n ds t a b l ep e r f o r m a n c e .i t c a nb e w id e l y u s e d . k e yw o r d s : g a s a l a r mc o n t r o l l e r ;d s p ; i n t r i n s i c a l l y s a fec i r c u i t 0 引言 在煤炭行业的井下开采活动以及石化行业的生 产过程中,都会存在大量的甲烷、硫化氢、一氧化碳 等各种有害气体 ,这些有害气体如果处理不当 ,势必 会危及人们的生命和财产安全 1 。所以有效监测 这些有害气体的浓度 ,把隐患消灭于萌芽状态 ,是关 系国民经济持续发展和社会稳定的大局 2 。 气体报警控制器是一种检测有害气体浓度 ,超 限报警并给出控制信号的装置 3 。在可能发生有 害气体泄漏 、 致人死亡 、 引起爆炸的场所, 气体报警 控制器是不可缺少的 4 。 1 系统总体设计 气体报警控制器从结构上分为工控机 、d c s 、 气 体报警控制电路 、 触摸屏显示、联动装置和探测器模 块等 6个部分,系统结构如图 1所示 。 探测器负责对生产现场的各种气体进行检测 , 并将采集到的气体浓度转换成电流的标准信号, 通 过 c a n 或 485总线传送到气体报警控制电路; d c s 与工控机的通信可以采用以太网、c a n 、485接口, 通信协议采用 m o d b u st c p 协议 。工控机根据检测 值分别与各自的报警上 / 下限进行比较 ,当某个探测 器检测到的浓度超过上限或低于下限时 , d c s 通过 控制模块输出报警信号 , 并开启联动装置。操作人 员可以通过触摸屏实时监视所有检测点的气体浓度 值、报警上限、实时曲线和历史数据等。当发生报警 时也可以通过工控机进行消音和报警响应。 图 1 系统结构框图 2 硬件设计 气体报警控制电路是整个系统的核心, 该系统 选 择t i公 司 推 出 的32 位 定 点d s p芯 片 t m s 320f 2812作为数字信号处理器 5 。它采用 8 98工业仪表与自动化装置 2010年第 6期 级指令流水线,最高速度每秒钟可执行 1. 5亿条指 令 ,保证了控制和信号处理的快速性和实时性 。它 采用高性能静态 c m o s 技术, 低功耗设计,核心电压 为 1. 8 v , i /o 电压为 3. 3 v , 主频高达 150 m h z ; 4 m b 的程序 / 数据存储空间; 具有 s p i 、s c i 和 e c a n 接口模块; 全双工通信 ,双缓冲发送, 三缓冲接收,允 许连续的数据流 ,支持 128个通道的发送及接收 ; 具 有快速中断响应及处理能力; 16通道高性能 12位 a d c 单元提供了 2个采样保持电路 , 可以实现双通 道信号同步采样 。 2. 1 c a n 接口 t m s 320f 2812中集成了增强型控制区域网络 ( e c a n ) 总线通信接口, 该接口与现行的 c a n 2. 0b 标准接口完全兼容,带有 32个完全可配置邮箱和定 时邮递功能的增强型 c a n 总线模块 ,能够实现灵活 稳定的串行通信。 t m s 320f 2812的 c a n 控制器为 c p u 提供完整的 c a n协议, 减少了通信时 c p u 的 开销。 t m s 320f 2812芯片自带的 e c a n接口, 可使 d s p 方便地介入到 c a n 总线 , 不必再外加 c a n 控 制器来实现 c a n 总线的底层协议 6 。 c a n 接口电 路如图 2所示。 图 2 c a n接口电路 2. 2 以太网接口 以太网模块电路原理如图 3所示 , r t l 8019a s 采用跳线模式工作, 将引脚 j p 接高电平 ,这样就不 用在电路中设置 e e p r o m存储 8019的复位状态和 i d 信息 。当系统上电复位后, r t l 8019a s 将读入各 跳线引脚的状态并写入到配置寄存器中作为系统默 认的初始配置 。 图 3 以太网模块硬件连接图 r t l 8019a s 与网络介质之间的连接由 r j 45接 头 h r 901170a 完成 。 h r 901170a 集成了网络滤波 器的功能 ,主要用于以太网接口, 以提高网络通信的 抗干扰能力。以太网接口电路如图 4所示。 图 4 以太网接口电路 2. 3 485接口 485接口的设计选用了 m a x i m公司的 m a x 485 收发控制芯片 ,接口电路原理图如图 5所示。其中, 使用光耦将 d s p 控制系统部分与 485总线通信部 图 5 485接口电路 992010年第 6期 工业仪表与自动化装置 分隔离 ,消除现场干扰对控制器的影响,增强控制器 在通信中的抗干扰能力; 电路设计中 ,使用下接电阻 r 19,保证上电或复位时, 控制器处于接收状态; 异 步通信数据以字节的方式传送 ,在每一个字节传送 之前,先要通过一个低电平起始位实现握手 。为防 止干扰信号误触发发送器输出 ,使接收端进入发送 状态, 在 m a x 485的 d i 引脚接上拉电阻 r 10。 2. 4 电源部分 为了使所设计的电源具有本质安全性, 电源部分 主要由变压器 、 整流、 滤波、 稳压和三重限能保护( 过 压、 过流、 短路) 电路组成。电源电路如图 6所示 。 图 6 电源电路图 2. 5 安全栅 安全栅是安装在本安电路与非本安电路之间的 限压限流装置,防止非本安电路的危险能量窜入本 安电路 ,即通过限流和限压电路限制了送往现场本 安回路的能量。系统中所设计的安全栅电路结构如 图 7所示 ,由快速熔断器、限压元件、限流电阻等 3 部分组成。 图 7 安全栅电路结构 3 软件设计 数据库是整个应用系统的核心。由于气体报警 控制器具有 128个检测回路, 为了保证数据的安全 性、 完整性和故障恢复能力,在软件设计时, 将数据库 划分为静态数据库和动态数据库 2种,如图 8所示。 图 8 数据库划分 这里 ,静态数据库是用来存放长时间不需修改 的数据,如某个探测器检测的是什么气体,什么条件 报警等; 动态数据库是用来存放实时变化的数据 ,如 某种气体的含量值 。 主程序的流程如图 9所示 。 图 9 主程序流程图 4 结束语 该系统依靠 t m s 320f 2812强大的数字信号处 理能力,有效地保证了监控的实时性和准确性,运行 结果表明, 该系统性能稳定, 抗干扰能力强, 符合 g b 1680897的技术要求 。另外, 由于芯片具有丰 富的片内资源 ,大大简化了系统软、硬件设计, 增强 了系统可靠性 ,降低了成本, 因此该系统具有较好的 应用前景 。 参考文献: 1 张文祥, 马银花, 汝彦冬. 基于 n r f 2401的矿井无线通 信系统应用研究 j . 煤矿机电, 2007( 5) : 4-7. 2 汝彦冬, 杨昆松, 王国军. 基于 a r m的煤矿井下监控 分站的设计 j . 煤矿机械, 2009, 30( 4) : 187-189. 3 韩耀振, 周风余, 张德才. 基于 c a n/485总线的可燃气 体报警系统设计 j . 单片机与