（通信与信息系统专业论文）阴极保护的智能控制装置的研究.pdf

中文摘要 在工业现代化高速发展的今天，城市中人们对水、天然气的需求不断增加，导致 地下钢结构管道日益增多，但这些金属管道易遭受腐蚀介质的侵蚀，因此，对地下金 属构筑物的保护就越来越重要，而阴极保护技术是运用最广泛的方法之一。 阴极保护是以某种方式在被保护金属构筑物上施以足够的阴极电流，通过阴极极 化使金属电位负移，从而使腐蚀的金属阳极溶解速度大幅度减小，甚至完全停止，这 样保护金属构筑物免遭腐蚀破坏。 本课题是以地下管道阴极保护的现场为研究基础，采集被保护金属管道现场参比 电位值，并对采集的大量数据进行理论分析，求出变化规律，利用模糊控制算法来实 现智能控制，并根据参数的变化自动调节输出电流，使被保护金属现场电位值处于最 佳值，最终达阴极保护的目的。 本课题的主要创新点有以下四点：( 1 ) 以智能控制算法使被保护管道均达到最佳 保护电位；( 2 ) 两级计算机的控制、管理系统。下位计算机主要由单片计算机组成， 主要有两项任务。第一，测量被保护金属电极电位。第二，定时将输出电流和保护电 位两个参数，通过无线网上传至上位计算机；( 3 ) 以脉冲式保护电源取代以往的直流 式保护电源，脉冲电源是利用单片机来实现脉宽调制的功能并结合控制算法改变输出 脉冲宽度( 占空比) 来改变阴极保护电位，并且，每个检测点都提供一主一备脉冲式 保护电源，同时监控该电源的运行情况，异常报警并自动切换到备用电源以保证被保 护管道的常年正常使用；( 4 ) 无线传送被保护管道的主要运行参数到上位机。上位机 显示、存储主要运行参数。 关键词：阴极保护，智能控制，单片机控制，a d 采集，脉宽调制，无线通信 a b s t r a c t n o w a d a y s ，w i mh i g hs p e e dd e v e l o p m e n to fm o d e m 讫a t i o ni 1 1 d u s t r y ，t h er e q u i r e m e n t o fp e o p l ei 1 1c i t ) ，f o rw a t e ra n dn a t u r a lg a si i l c r e a s e sd a yb yd a y ，w 1 1 i c hc a u s e su n d e r g r o u n d s t e e lp i p i n gs 仇l c t u r ei 1 1 c r e a s ei l a yb yd a y ，b u t 1 i sm e t a l sp i p i i l gi se a s i l ys u f 绝r e dt h e e r o s i o no fc o r r o s i o nm e d i 眦t h e r e f o r e ， t 0c o n s t r u c tat l l i n go fp r o t e c t l o nt ot l l e 蚰d e r g r o u n dm e t a l sb e c o m e sm o r e 锄dm o r ei n l p o r t a m c a t l ：l o d ep r o t e c t i o nt e c m q u e i s o n eo ft h en l o s tw i d e l yu s e dm e m o d s c a t l l o d ep m t e c t i o ni si i lac e r t a mw a y ，t og i v ee n o u g hc a t l l o d ee l e c t r i cc u i t e ma t m e t a l ss t r u c t u r e sb e i n gp r o t e c t e d ，w i t l lc a t l l o d i cp o l a r i z a t i o nt om a k em e t a l se l e c t r i c p o t e n t i a lm o v e ，m u sm a l ( e st h em s es p e e do fm e t a l sa n o d ed e c r e a s e dg r e a t l y ，“e nc o m et o ah a h 1 1 1t h i sw a y ，t h em e t a l ss 仇l 孤l r ec 孤b ep r o t e c t e d 舶i me n c o u n 蛔血gd e c a yb r e a k t h er e s e a r c hf o u n d a t i o no ft h j st o p i ci sm es p o to fu n d e r g r o u n dp i p i i l gc a t h o d e p r o t e c t i o n c o l l e c tr a t i oe l e c t r i cp o t e n t i a lv a l u ef r o mt h es p o t so f m e t a l sp i p i i l gp r o t e c t i o n a n dc a n yo nt h e o r e t i ca i l a l y s i st o w a r d st h ec o l l e c t i o no fag r e a td e a ld a t a ，g e tc h a i l g i n g r e g u l a t i o nf r o mi t ，t h e nm a k eu s eo fm i s t yc o n 仃o lc a l c u l a t ew a y t of i n i s hi n t e l l i g e mc o n t r 0 1 ， w h i c hc a na c c o r d i n gt ot h ec h a n g eo fp a r a m e t e rr e g u l a t eo u t p u tc u l l r 咖a u t o m a t l c a u y ，t h e n m a k et h ee l e c t r i cp o t e n t i a lv a l u eo ft h em e t a l sp r o t e c t i o ns p o tb ep l a c e di 1 1t h eb e s tv a l u e s or e a c ht h ed u r - p o s eo fc a t h o d ep r o t e c t i o n t h em a mi l l i l o v a t i o np o i n t so ft k st o p i ca r et 1 1 ef o l l o w i l l g ：( 1 ) w i t h 血e l l i g e n tc o n t r o l c a l c u l a t ew a ym a k em eq u i l tp r o t e c t i o np i p i n ga l la t t a i l lt h eb e s tp r o t e c t i o ne l e c t r i c p o t e n t i a l ：( 2 ) t h eu s eo fc o i m o la n dm a n a g e m e n ts y s t e i n so ft w oc l a s sc o m p u t e r s t h e r e a r et w om a i l l 血n c t i o i l so ft h eh y p o s t a s i sc o m p u t e rc o i l s t i t u t e db ym el i s ts l i c ec o m p u t e r s ， f i r s t ，m e a s u r e 也ee l e c t r o d ee l e c t r i cp o t e n t i a lo ft h eq u i l tp r o t e c t i o nm e t a l s ；s e c o n d ，仃a n s f e r t h ev a l u e so ft w op a i 锄e t e r s ：帅u te l e c t r i cc l 】r r e n ta n dp r o t e c t i o ne l e c t r i cp o t e n t i a l ，i n f i x e dt i i n et h r o u g ht 1 1 ew i r e l e s sn e tt om a 协c o m p m e r ；( 3 ) f u l s e 咖ep r o t e c t i o np o w e r s u p p l yr 印l a c ef o r m e rd i r e c tc u r r e n tt y p ep r o t e c t i o np o w e rs u p p l y p u l s ep o w e rs u p p l yi sa t y p ep o w e ro fm a k i n gu s eo fl i s ts l i c em a c m n et o 如l f l ut l l ev e i l lb r e a d mm o d u l a t i o na n d c o m b i 血gc o n 廿o lc a l c u l a t ew a yt oc h a n g ee x p o n a t i o np u l s ew i d t h ( s h a r ee m p t ) rr a t i o ) ， t h u sc h a i l g ec a m o d ep r o t e c t i o ne l e c t r i cp o t e n t i a l b e s i d e s ，e a c he x a m i n a t i o ns p o ti s p r o v i d e dam a mp u l s et y p ep r o t e c t i o np o w e rs u p p l y a n do n ew i ma s s u r a n c e t h e p e r f o n n a n c eo fm ep o w e r si sa l s ow a t c h e d ，i fs o m ea b n o n n a l i t ) ，h a p p e n s ，s u p e r v i s i o n d e v i c e s h o u l da l a ma n da u t o m a t i c a i l yc u to v e rb a c ku pt ot 1 1 ep o w e rs u p p l yw i t h a s s u r a n c es oa st om a k eq u i l tp r o t e c t i o np i p i n gi i ln o m a lu s a g eo r e ny e ( 4 ) w i r e l e s sn e t 仃a n s l l l i tt h em a i l lc i r c u l a t ep a r a m e t e r so fp m t e c t i o np i p i n gt ot h em a i nc o m p u t e rw h i c h m a n i f e s t ，s a v em a i nc i r c u l a t ep a r a m e t e r s k e y w o r d ：c a t h o d ep r o t e c t i o l l ，i i l t e l l i g e i l c ec o n t r o l ，m c uc o n t m l ，a dc o l l e c t ， p u i s e w i d t hm o d u i a t i o n w i r e l e s sc o m m u l l i c a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果，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，也不包含为获得苤盗盘堂或其他教 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 的任何贡献均己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：才蜀九坠 签字日期： 、一8 年f 只乙弘r 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丕鲞盘堂有关保留、使用学位论文的 规定。特授权苤壅盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅 和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：彳易侣 导师签名： 签字日期：口骼 厂月矿日签字日期：嬲年月夕汐同 第一章前言 1 1 问题的提出 第一章前言 自然界中，大多数金属是以化合状态存在的。通过炼制，被赋予能量，才从离子 状态转变成原子状态。然而，回归自然状态是金属固有本性。我们把金属与周围的电 解质发生反应、从原子变成离子的过程称为腐蚀吲。 在工业现代化高速发展的今天，城市中人们对水、天然气的大量需求，导致地下 钢结构日益增多，这些金属构筑物易遭受腐蚀介质的侵蚀，因此，其保护日益重要。 金属腐蚀广泛存在于我们的生活中，国外统计表明，每年由于腐蚀而报废的金属 材料，约相当于金属产量的2 0 一4 0 9 6 ，全世界每年因腐蚀而损耗的金属达1 亿吨以上， 金属腐蚀直接和间接地造成巨大的经济损失，据有关国家统计每年由于腐蚀而造成的 经济损失，美国为国民经济总产值的4 2 ：英国为国民经济总产值的3 5 ：日木为 国民经济总值1 8 肺1 。因此，研究金属构筑物的防腐技术具有十分重要的意义。 1 2 阴极保护简介 关于金属构筑物的防腐有多种方法，其中阴极保护是应用最广泛的方法之一。 每种金属浸在一定的介质中都有一定的电位，称之为该金属的腐蚀电位( 自然电位) 。 腐蚀电位可表示金属失去电子的相对难易。腐蚀电位越负越不容易失去电子，我们称 失去电子的部位为阳极区，得到电子的部位为阴极区。阳极区由于失去电子( 如，铁 原子失去电子而变成铁离子溶入土壤) 受到腐蚀，而阴极区得到电子受到保护。 以某种方式在被保护金属构筑物上施以足够的阴极电流，通过阴极极化使金属电 位负移，从而使腐蚀的金属阳极溶解速度大幅度减小，甚至完全停止，这种保护金属 构筑物免遭腐蚀破坏的方法称为阴极保护口。3 3 。 根据提供阴极保护电流的方式不同，阴极保护通常可分为两种方法： ( a ) 采用 具有较负电位的金属阳极与被保护体实施电偶连接，即牺牲阳极法阴极保护；( b ) 使 用外加电源对被保护体施加阴极电流，此为外加电流法阴极保护。 在土壤等电解质环境中，牺牲阳极法阴极保护因其电极电位比被保护体的更负， 当与被保护体电连接后将优先腐蚀溶解，释放出的电子在被保护体表面发生阴极还原 反应，抑制了被保护体的阳极溶解过程，从而对被保护体提供了有效的阴极保护。而 外加电流法阴极保护则是利用外部电源对被保护体施加阴极电流，为其表面上进行的 还原反应提供电子，从而抑制被保护体自身的腐蚀过程。两种方法的保护原理相同， 只是提供阴极电流的方式不同，因此衍生出的设备装置和技术要求都有很大不同。 第一章前言 电化学腐蚀是由于金属与电解质溶液接触时，金属表面各个部分存在一定的电位 差所引起的。例如，地下管线表面由于涂层缺陷引起不同区域的电位差可达5 0 1 0 0 m v ，这样的电位差足以引起腐蚀。为了消除金属表面不同部位在电解质溶液的电 位差，可通过外加电源对金属构筑物施加阴极电流，使其发生阴极极化。极化结果使 金属的电位向负方向移动，直到原有的电位差消失，腐蚀自然停止畸。以地下管线为 例，从腐蚀电位开始向负方向极化2 0 0 m v ，就能达到保护度9 0 以上。 1 3 研究路线和方法 本课题以阴极保护的现场为研究基础，在土壤各种温度、湿度条件下，测被保护 金属现场电位值，借助数学工具将测得的大量数据进行理论分析，求出变化规律，利 用智能控制算法来实现。然后，将该算法通过软件编程的方式应用到阴极保护的系统 设备中，以此来检验该算法的正确性，使被保护金属现场电位值处于最佳值。从而使 阴极保护系统在低能耗，稳定的运行，这也是目前国内、国际上，业内人士普遍关注 的问题。到目前为止，国际和国内均尚未发现有关阴极保护设备采用智能控制算法来 实现的报导。 本课题的研究主要突破在于，改进了f b r i c h a ua n dj d e c o n i n c k 提出的大型 阴极保护埋地管网的数值模型o k a p p 【2 3 ，0 k a p p 模型采用边界元和有限元法求解，并 假定电流密度为常量。本研究也采用有限元计算机技术，预测复杂结构上保护电流密 度分布。而本装置的特点是：电流密度为变量，并考虑了很多影响电流分布的因素， 如复杂的几何尺寸、屏蔽效应和非线性极化特性等。提出了城市地下钢铁构筑物的有 限元数学模型，显示了电流分布和再分布的过程，并对城市地下钢铁构筑物的有限元 模型进行了分析。建立了城市地下钢铁构筑物阴极保护金属电位及电流密度分布的数 学模型。确定了阴极保护阳极的安装指南。并根据参数的变化自动调节输出电流，最 终达到距离阴极保护装置最远距离的部分保护电位为一0 8 5 v 。使城市地下钢铁构筑物 所有的局部区域都达到临界电流密度，并可节省大量的阳极的投资。 4 创新点及取得的主要成果 本课题的主要技术特点、创新点和关键技术是从四个方面设计新一代阴极保护设 备，使该设备达到国际领先水平。即，智能控制算法在阴极保护中的应用；两级计算 机的控制、管理系统；供电电源的双脉冲电源系统；控制参数的无线传输系统。 1 智能控制算法在阴极保护中的应用 人们希望被保护的金属的电位总处于最佳保护状态，被偏离的电位得到快速地纠 2 第一章前言 正。 本装置结合阴极保护的现场，采集现场数据，建立了相关的智能预测控制算法模 型，使被保护的金属的电位始终处于最佳保护电位。 2 两级计算机的控制、管理系统 下位计算机主要由单片计算机组成，主要有两项任务，第一，测量被保护金属电 极电位。若测得金属电位高于最小保护电位，则计算机根据它们的差值应用智能控制 算法，经微机控制的保护脉冲电源，自动调整保护脉冲电源的参数，使其输出电流加 大，金属极化电位进一步降低，直到进入最佳保护电位范围为止。反之，则进行相反 的控制。第二，定时将输出电流和保护电位两个参数，通过无线网上传至上位计算机。 如果出现异常，将自动切换备用脉冲电源，并将信息上传至上位机进行声、光报警。 上位机将数据包打开，进行数据处理、显示、存储和打印。 上位计算机接收各路被保护金属电位和保护电流值，均采用分色动态，棒状图形 式显示。动态显示工作状态、停止状态、故障状态。也可以鼠标控制分页放大，显示 一小时、二十四小时、一个月、一年的曲线图。并可以定时、随时打印出所需要的数 据。为此，建立一个数据库管理系统。同时上位计算机可通过无线网控制下位计算机 的工作。 3 脉冲电流阴极保护电源 脉冲电流阴极保护电源是一种新型的外加电流阴极保护技术，目前，国外也只有 少量应用该技术的报导。但是所报导的现场应用结果表明，脉冲电流阴极保护具有传 统直流阴极保护无法比拟的优越性。本设备专用的脉冲电流源。脉冲频率可变，脉冲 宽度可调，输出波形可变。以达到降低电流密度，电位分布均匀，提高管线远端的保 护效果，同时也降低近端的析氢效应。降低电能消耗，降低维护费用。因此，在地下 管网系统中，脉冲电流阴极保护比传统的直流阴极保护更有效、更经济。 4 采用无线传送将每台阴极保护电源的参数传至管理部门。 该项技术是利用现代微机及通讯手段，实现多个现场或野外外加电流阴极保护系 统的远程集中监管与控制。有利于即时了解各系统的运行情况，及时发现故障并迅即 排除，确保系统的安全运行。本装置采用无线传送将每台阴极保护电源的参数传至管 理部门。 本装置的工作核心部分是三个单片机，我们选择的是a v r 系列的a t 肛g a l 6 单片机。 a v r 单片机吸取了p i c 及8 0 5 1 单片机的优点，同时还做了一些重大改进，a t m e g a l 6 是基 于增强的a v rr i s c 结构的低功耗8 位c m o s 微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟 周期指令执行时间，a t m e g a l 6 的数据吞吐率高达lm i p s 姗z ，从而可以缓减系统在 功耗和处理速度之间的矛盾。 第二章阴极保护的智能控制装置的总体设计方案 第二章阴极保护的智能控制装置的总体设计方案 2 1 阴极保护的智能控制系统装置 本装置以阴极保护的现场( 被保护的管道) 为研究基础，在土壤各种温度、湿度 条件下，测量被保护金属现场电位值( 借助小阻值大功率电阻和p w m 电源) ，与硫酸铜 参比电极进行比较，借助数学工具将测得的大量数据进行理论分析，求出变化规律( 主 要在a v r 单片机中进行) ，利用智能控制算法来实现。然后，将该算法通过软件编程的 方式应用到阴极保护的系统设备中( 上位p c 机) ，以此来检验该算法的正确性，同时 无线传送被保护管道的主要运行参数到上位机，上位机显示、存储主要运行参数，以 保证被保护管道的常年正常使用，进而使被保护管道的金属现场电位值处于最佳值。 从而使阴极保护系统在低能耗，稳定的运行。该装置的组成如图2 1 所示。主要由p c 机、无线收发模块、数据采集与控制器、p 1 i m ( p u l s ew i d t hm o d u i a t i o n ) 电源等部分组成。 图2 1阴极保护的智能控制系统装置组成图 2 控制部分系统结构图 用a v r 单片机a t m e g a l 6 作为主c p u ，a t m e g a l 6 单片机内部集成8 通道1 0 位a d 和看门狗，并提供多种串口接口，如：1 2 c 接口、u a r t 接口、s p i 接口；并且a t m e g a l 6 4 第二章阴极保护的智能控制装置的总体设计方案 单片机的处理速度在相同频率下是a t 8 9 s 5 1 的几倍，使成本、电路复杂度降低，处理 速度提高。 硬件电路由1 个a t 皿g a l 6 和1 个a t 肛g a 8 5 1 5 单片机组成，第一个单片机从现场( 硫 酸铜参比电极) 利用a d 采集现场的数据，再将采集的数据利用控制算法处理后，一方 面将采集的数据通过无线发送到上位机存储，另一方面，发送脉冲去控制p w m 电源的 占空比，以确保管道参比电位达到最佳保护电位。同时，采集电流值。另一单片机接 收第一块单片机通过s p i 口传输来的数据，并显示这些数据。系统结构如图2 2 所示。 图2 2 控制部分系统结构图 第三章控制系统硬件电路设计 第三章控制系统硬件电路设计 3 1 参考电位a d 采集保护电路 a v r 单片机的a t m e g a l 6 有一个1 0 位的逐次逼近型a d c 。a d c 与一个8 通道的模拟多路 复用器连接，能对来自端口a 的8 路单端输入电压进行采样。a d c 由a v c c 引脚单独 提供电源。a v c c 与v c c 之间的偏差不能超过0 3 v 。标称值为2 5 6 v 的基准电压， 以及a v c c ，都位于器件之内。基准电压可以通过在a r e f 引脚上加一个电容进行解耦， 以更好地抑制噪声别。 设计中采用单次转换方式，电位采集部分电路如图3 1 所示，由于被采集的参比 电位较小，经l c 组成的低通滤波后，需要加以运放o p 0 7 放大后送入m e g a l 6 的p a o 口，进行a d 采集。 3 2 电流a d 采集保护电路 图3 1 保护电位电路 保护电流电路也是通过采集电压，然后在程序中用公式将采集到的电压还原成电 流值，方法是：在p w m 电源回路中串一个大功率小阻值电阻将被测电流转换成电压值 的方法，如图3 2 。因为电源比较大，故电阻上的电压降也较大，只用了l m 3 2 4 作 一个射随器而无放大，用于提高输入电阻。 二圃回丽= _ 图3 2 保护电流电路 6 第三章控制系统硬件电路设计 3 3 温度采集电路 本设计使用的温度传感器是d a l l a s 公司生产的1 一w i r e 系列的高精度数字传感 器d s l 8 8 2 0 。l w i r e 单总线是d a l l a s 的一项专有技术。它采用一根信号线既传输时 钟又传输数据，而且数据传输是双向的。它具有节省i 0 口线资源，结构简单，成本 低廉，便于总线扩展和维护等诸多优点。 只要求一个端口即可实现通信；无须经过其它变换电路，直接输出被测温度值； 测温范围为一5 5 一+ 1 2 5 ；测量分辨率用户可以从9 位到1 2 位选择，最高分辨率 o 0 6 2 5 ；内含唯一的6 4 位经过激光修正的只读存储器r o m ；用户可分别设定各路 温度的上、下限告警设置；内含寄生电源堙们。温度采集硬件电路见图3 3 。 ) 面硒碱p 笾： 图3 3 温度采集硬件电路 图中串联1 0 0 欧姆电阻的用途是为了防止有缺陷的用户程序损坏d s l 8 8 2 0 的可能 性。例如，如果用户没有正确地用o c ( 集电极开路) 或o d ( 漏极开路) 结构去驱动 d s l 8 8 2 0 ，而是错误地选择了推挽式结构，则d s l 8 8 2 0 会被损坏。4 7 k 电阻用于给 d s l 8 8 2 0 作上拉电阻。 3 4 显示电路设计 本设计采用l e d 显示，由于本设计需要显示电流、参比电位和温度，显示的数据 较多，采用动态显示的方法实现的效果不理想，故选用串入并出芯片7 4 h c 5 9 5 联级静 态显示。 7 4 h c 5 9 5 是美国国家半导体公司生产的通用移位寄存器芯片。并行输出端具有输 出锁存功能，与单片机连接简单方便，只须三个i o 口即可，而且通过芯片的q 7 引 脚和s 职引脚，可以级联，与l e d 配合显示稳定可靠，并且价格低廉。 每一位l e d 显示器段选线和7 4 h c 5 9 5 的并行输出端相连，每一位可以独立显示。 在同一时间里，每一位显示的字符可以各不相同( 每一位由一个7 4 h c 5 9 5 的并行输出 口控制段选码) 。图3 4 为采用7 4 h c 5 9 5 实现单个显示的电路图。实际装置中有1 2 7 第三章控制系统硬件电路设计 个l e d 进行显示。 图3 4 采用7 4 h c 5 9 5 实现单个显示电路图 5 主备脉冲电源切换电路 主备脉冲电源切换电路的作用是当主脉冲电源出现故障时，能够自动的将电源切 换到备用脉冲电源供电，以给管道提供不间断的保护。主备电源切换电路主要由光电 隔离芯片t l p 5 2 l 一4 和d c1 2 v 继电器组成。电路见图3 5 。 图3 5 主备脉冲电源切换电路 6 主脉冲电源故障报警电路 该部分电路的作用是当检测到主脉冲电源出现故障时，由扬声器发出报警声，同 第三章控制系统硬件电路设计 时指示灯闪烁报警，电路图如3 6 所示。 鞋8 。 图3 6 声光报警电路 3 7m e g a l 6 与m e g a 8 5 1 5 之间的s p i 通信 串行外设接口s p i ( s e r i a lp e r i p h e r a li n t e r f a c e ) 是由m o t o r o l a 公司推出 的工业标准的同步串行接口，是一种全双工、四线通信的接口。它可以用于单片机之 间的互联，也可以外接支持该通信方式的外设。a t m e g a l 6 的s p i 接口支持7 种可 编程的比特率，可以设置传输结束中断标志、写碰撞标志检测，支持主机倍速模式和 闲置模式唤醒。 两片用s p i 互连的单片机有主从之分，为串行传输提供时钟信号s c k 的一方是主 机，接受时钟的另一方为从机。双机通信的方法是将主机和从机的四根信号线s s 、 s c k 、m o s i 、m i s o 直接对应相连。 a t m e g a l 6 的s p i 寄存器有三个：s p d r ( 数据寄存器) s p c r ( 控制寄存器) 和s p s r ( 状态寄存器) 。s p d r 是一个8 位可读写的移位寄存器，主要用于数据缓冲；s p c r 可 根据用户的定义控制中断使能、数据传送方向( 从l s b 开始还是从m s b 开始) 主从 机选择以及时钟的极性、频率和相位的选择。s p s r 可以标志中断、冲突和主机倍 速模式。各寄存器每一位的具体含义和具体编程方法请查阅相关手册。 主从两片单片机设置和连接以后，就可以使用s p i 端口进行“全双工 的数据传 送了，即主机向从机输入信息的同时会接收到从机输出的信息。工作原理图见图3 7 所示。 9 第三章控制系统硬件电路设计 m s bm a s t e rl s b 。f 、，、。，、： m s bs l a v el s b l且括魏协塞左理 m i s u m i s u ： 一_ - 8 位移位寄存器i 。“”“1 ”一 、 。 jk m o s im o s il jl ji s h i f t s p i 时钟发生器 - l s c ks e k e n a 8 l e s s s s - 图3 7s p i 主从机工作原理图 3 8m e g a 8 5 1 5 与无线模块的r s 2 3 2 通信 通用同步异步串行通信u s a 盯是单片机中最常用的通信方式，在本次设计中，两 无线收发电路采用r s 2 3 2 电平通信，所以必须通过r s 2 3 2 电平转换芯片( 如m a x 2 3 2 ) 将t t l 电平转换成r s 一2 3 2 电平，才能与无线收发电路进行通信，这也是u s a r r 的重要应 用。r s 一2 3 2 串行通信框图见图3 8 。 图3 8r s 一2 3 2 串行通信框图 t t l 转r s 一2 3 2 电平电路部分如图3 9 。 图3 9t t l 转r s 一2 3 2 电平电路 1 0 第三章控制系统硬件电路设计 3 9 看门狗电路 看门狗( w a t c hd o gt i m e r ) ，是一个定时器电路，一般有一个输入，叫喂狗，一 个输出到m c u 的r s t 端，m c u 正常工作的时候，每隔一段时间输出一个信号到喂狗端， 给w d t 清零，如果超过规定的时间不喂狗( 一般在程序跑飞时) ，w d t 定时器溢出， 就会给出一个复位信号到m c u ，使m c u 复位，防止m c u 死机。看门狗的作用就是防止程 序发生死循环，或者说程序跑飞。 工作原理：在系统运行以后也就启动了看门狗的计数器，看门狗就开始自动计 数，如果到了一定的时间还不去清看门狗，那么看门狗计数器就会溢出从而引起看门 狗中断，造成系统复位。所以在使用有看门狗的芯片时要注意清看门狗。但是清看门 狗也不能太过频繁，否则会造成资源浪费。程序正常运行时，软件每隔一定的时间( 小 于看门狗的溢出周期) 给定时器置数，即可预防溢出中断而引起的误复位。 看门狗分硬件看门狗和软件看门狗，硬件看门狗是利用了一个定时器，来监控主 程序的运行，也就是说在主程序的运行过程中，我们要在定时时间到之前对定时器进 行复位如果出现死循环，或者说p c 指针不能回来。那么定时时间到后就会使单片机复 位。软件看门狗技术的原理和这差不多，只不过是用软件的方法实现，一般用的比较 多的是利用单片机的定时器来实现。 a v r 单片机内部带有看门狗，a v r 的看门狗是软狗，也是硬狗。如果熔丝位不设定， 就是软狗，因为程序可以关闭，也可以打开如果熔丝位设定了，就是硬狗，因为程序 只可以清除，而无法打开或关闭瞳3 。2 4 1 。a v r 单片机看门狗内部框图见图3 1 0 所示。 图3 1 0a v r 单片机看门狗内部框图 看门狗定时器由独立的1 删z 片内振荡器驱动。这是v c c = 5 v 时的典型值。通 第三章控制系统硬件电路设计 过设置看门狗定时器的预分频器可以调节看门狗复位的时间间隔，看门狗复位指令 w d r 可用来复位看门狗定时器。此外，禁止看门狗定时器或发生复位时定时器也被复 位。如果没有及时复位定时器，一旦时间超过复位周期，a t m e g a l 6 就复位，并执行 复位向量指向的程序。为了防止无意之间禁止看门狗定时器，在需要禁用看门狗时， 必须跟一个特定的修改序列。看门狗的相关设置可在看门狗控制寄存器w d t c r 中进行。 看门狗控制寄存器如图3 1 1 所示。 b i t76 5 4 321o 工工亟丑叵匝丑亘巫回w 0 t c r 读写 r rr刚wwm m i u w 初始值o oooo o0o 1 0 硫酸铜参比电极 图3 1 1 看门狗控制寄存器 为了对各种金属的电极电位进行比较，必须有一个公共的参比电极。饱和硫酸铜 参比电极电极，其电极电位具有良好的重复性和稳定性，构造简单，在阴极保护领域中 得到广泛采用。参比电极是阴极保护系统中重要的组成部分之一。它既可用来测量被 保护构筑物的电位，又可作为恒电位仪自动控制的信号源。在对埋地管道、地下电 缆等金属构筑物的阴极保护中，c u c u s o 。参比电极得到广泛的应用不同参比电极之间 的电位比较如表3 1 。 表3 一l 土壤中或浸水钢铁结构最小阴极保护电位( v ) 被保护结构 相对于不同参比电极的电位( v ) 饱和硫酸铜参比 饱和甘汞参 电极 氯化银极锌参比电极 比电极 钢铁( 土壤或水中)一o 8 5 一o 7 50 2 5一o 7 7 8 钢铁( 硫酸盐还原菌) 一o 9 50 8 5o 1 50 8 7 8 3 1 1p w m ( 脉冲宽度可调) 电源电路 1 技术指标 工作电压2 4 v ，电流5 a ： 输出外围设备的频率l o h z 的方波； 频率，占空比可调； 可实现全双工串口通信功能； 1 2 第三章控制系统硬件电路设计 驱动电路自带电流过载自保护功能。 2 p 删电路设计 采用a v r 单片机的a t m e g a l 6 单片机来实现电路的控制，利用智能功率芯片 b t s 6 1 4 3 d 进行功率放大。b t s 6 1 4 3 d 是两个频道h i g hs i d e 电源开关，它是英飞凌公 司设计的n 沟道f e t 功率管，内部集成充电泵，电流驱动，并具有负载电流检测的故 障反馈功能( 包括过载、过温和短路检测等) ，是一款集成s i p m o s 片上技术的高边 智能功率开关芯片。其工作的温度范围可从一4 0 。c 至+ 1 5 0 。c 。采用1 2 v 或2 4 v 负 载控制，适用于各种阻性负载、感性负载或容性负载，尤其适用于具有高浪涌电流的 负载，如灯等；可以作为继电器、保险丝及分立电路等控制方法的替代方法。此外， b t s 6 1 4 3 d 还具有多项保护功能：短路保护、过载保护、过压保护、过温关断、掉地 和掉电保护、静电放电保护和电源反接保护等。如图3 一1 2 所示 图3 1 2p 删电源系统框图 根据设计要求，首先构思智能控制脉冲电源的基本框架，把电路分为五大模块。 单片机控制部分，驱动部分，外围设备部分。 3 驱动部分的设计 仅用一块智能功率芯片b t s 6 14 3 d 即可直接输出额定电压2 0 v ，电流 6 a 的大功率输出。 上拉电阻选用的是2 0q ，驱动电路的电压采用的是2 4 v 。最大功率理论值为1 4 4 w 。 管脚配置及功能描述，其管脚及连接图见图3 1 3 。 管脚1 和管脚5 是输出引脚，这两个管脚需外部短接； 管脚2 是输入管脚，为芯片的控制信号线； 管脚3 是电源电压输入管脚，给整个芯片供电； 管脚4 是故障诊断引脚，在芯片正常工作状态下管脚4 的输出电流与负载电流成 正比。 第三章控制系统硬件电路设计 丁。 鏊搬墨1 m ，o 咐lj f ? 嫩。 l 一立烈2 薹 o u 匏2 i j l s t 夕i l l 调试发现普通电阻不能满足设计要求。 经过调试发现外围输出功率不够，分析原因是驱动电路的功率小，导致它的不能 正常工作。 调试分析：单元电路的调试中发现驱动电路部分需要调整，电阻容易损坏，输出 功率还需要提高。但基本证实设计基本思路是正确的。 1 4 第四章无线传输系统设计 第四章无线传输系统设计 采用无线传输将每台阴极保护电源的参数传至管理部门，该项技术是利用现代微 机及通讯手段，实现多个现场或野外外加电流阴极保护系统的远程集中监管与控制。 有利于即时了解各系统的运行情况，及时发现故障并迅速排除，确保系统的安全运行。 1p c 机与单片机的串口通信 外设和计算机间使用一根数据信号线，数据在一根数据信号线上按位进行传输， 每一位数据都占据一个固定的时间长度。串行口的本质就是实现c p u 与外围数据设备 的数据格式转换( 或者称为串并转换器) ，即当数据从外围设备输入计算机时，数据 格式由位( b i t ) 转化为字节数据b 1 j 。本设计利用m s c o 埘控件实现串口通信程序设计， 此控件提供很多方便操作的属性和方法，利用它们可以很方便地实现目的。 2 数据处理与显示系统 上位计算机通过串口通信接收由下位机发送来的温度、保护金属电位和保护电流 值，在屏幕界面上并采用分色动态，棒状图形式显示。动态显示工作状态，正常或故 障。也可以鼠标控制分页放大，显示一小时、二十四小时、一个月的曲线图。并可以 定时、随时打印出所需要的数据。为此，建立一个数据库管理系统。上位机将数据包 打开，进行数据处理、显示、存储和打印。 3 无收发模块主要芯片介绍 本系统采用c c l 0 2 0 是种理想的超高频单片收发器芯片。主要用于i s m ( 工业、 科研及医疗) 频带和在4 2 6 4 2 9 4 3 3 8 6 8 9 1 5 删z 频带的s r d ( s h o r tr a n g ed e v i c e 一 近距离设备) 中，也可经编程后用于频率4 0 2 姗z 一4 7 0 删z 和8 0 4 删z 一9 4 0 删z 的多信道 设备4 。 第四章无线传输系统设计 4 3 1c c l 0 2 0 主要引脚功能 c c l 0 2 0 主要引脚功能见图4 一l 所示。 1 1 善鞯i 宦侣 2 4 优 2 3 v d d 2 2 v d 【) 2 1r f o u t 2 0a v d d 1 9r fi n 1 8 v d d 仃r - 日i 5 、 g n d e x d e dd o 砒a c h e dd a d 1 d i o ：发射模式时数据输入；接收模式时数据输出 2 d c l k ：接收发送同步数据定时，在同步模式下为异步模式的数据输出 3 r f - o u t ，r f _ i n ：射频输出与输入 图4 1c c l 0 2 0 引脚图 4 3 2 内部结构与工作原理 c c l 0 2 0 内部结构见图4 2 。 c c l 0 2 0 主要的工作参数可通过串行总线接口编程，例如输出功率、频率及a f c 。 在接收模式下，c c l 0 2 0 可看成是一个传统的超外差接收器。r f 输入信号经低噪声 放大器( l n a 和l n a 2 ) 放大后，翻转经过积分器( i 和q ) 产生中频i f 信号。在中频处理 阶段，i q 信号经混合滤波、放大后经a d c 转化成数字信号。然后进行自动获取控制、 信道滤波、解调和二进制同步化处理，在d i o 引脚输出数字解调数据，d c l k 引脚获 取同步数字时钟数据。r s s i 为数字形式，并可通过串行接口读出。r s s i 还可作为可 编程的载波检测指示器。 在发送模式下，合成的r f 信号直接馈送到功率放大器p a 。射频输出是f s k 信号， 此信号是由馈送到d 1 0 引脚的数字比特流通过f s k 调制产生的。可使用一个高频滤波 器来得一2 到高斯频移键控g f s k 。芯片内部的收发开关电路使天线容易接入和匹配。 c c l 0 2 0 与微控制器的连接电路微控制器的一个双向引脚与c c l 0 2 0 的d i o 连接，用 于数据的发射与接收( 输入与输出) 。d c l k 提供数据定时，必须连接到微控制器的一个 输入端。当锁相环锁定时，l o c k 引脚为逻辑低电平。它还可以用作载波检测及监视其 它内部测试信号。c c l 0 2 0 能被设置成三种不同的数据传输形式：同步n r z 模式、同步 1 6 价z 口2 5 d r e l m， o o 叫n工勺ocl-28乏吕2 9口d z 口3 09，d口u1刁s e i u 第四章无线传输系统设计 曼彻斯特码模式和异步传输u a r t 模式。这三种模式各有特点，同步曼彻斯特码抗干 图4 2c c l 0 2 0 内部结构框图 扰能力最好，但是波特率要低一倍，异步传输u a r t 实现起来最简单，但是抗干扰能力 最差，而同步n r z 抗干扰能力比u a r t 要好，但稍差于同步曼彻斯特码，实现难度也介 于两者之间。考虑到微处理器基本都支持u a r t 串行通讯，所以选择了这种模式，经测 试效果完全能达到要求。 4 3