（检测技术与自动化装置专业论文）基于以太网的粒子炉远程测控系统的设计.pdf

基于以太网的粒子炉远程测控系统的设计 摘要 二十一世纪是信息经济的时代，网络成为各项信息交流的热门手段。工业 以太网以其独特的优点成为工业控制领域公认的2 1 世纪控制网络的最佳解决方 案。目前，基于以太网的工业控制系统正逐渐替代现有的现场总线式控制系统， 应用在各个控制领域。 针对目前大多数流态粒子炉的温度、压力控制系统仍存在体积庞大，造价 高，加热效率不理想，控制精度往往不能满足要求等缺点，作者在论文工作中 尝试基于以太网控制系统的概念，实现一个流态粒子炉温度、压力远程分布式 测控系统的设计。该系统由上位机和多个具有以太网接口的现场测控单元组成。 现场测控单元的设计包含输入输出通道、以太网接口，并嵌入了实时操作系统 i - t c o s i i 和t c p i p 协议。测控单元首先采集粒子炉温度和压力数据，通过以 太网传送到作为上位机的工业控制计算机，而上位机依据上传的数据实现参数 自整定f u z z y - p i d 控制算法，然后将所获得的控制数据通过以太网下传给现场 测控单元执行，从而实现了粒子炉温度和压力的远程测控。 论文详细阐述了系统的基本原理、结构和测控单元电路的硬件设计，并给 出了整个系统的软件实现和集成方法。 关键词：流动粒子炉；工业以太网；分布式测控系统；p c o s i i , f u z z y p d ；u i p t h e d e s i g no fa ne t h e r n e t b a s e dr e m o t em e a s u r e m e n t a n dc o n t r o ls y s t e mo ff l u i d i z e dp a r t i c l ef u r n a c e a b s t r a c t 21t hc e n t u r yi st h ee r ao fi n f o r m a t i o na n d n e t w o r ki sb e c o m i n gt h e h o tp o i n ti n t h ea r e ao fc o m m u n i c a t i o nt h a te x c h a n g e si n f o r m a t i o n i nt h ef i e l do fi n d u s t r y c o n t r o ln e t w o r k st h ee t h e m e ti s t h o u g h tt ob e c o m et h eb e s ts o l u t i o nd u et oi t s s p e c i a lm e r i t s n o w a d a y se t h e m e tb a s e di n d u s t r i a lc o n t r o ls y s t e mi sg r a d u a l l y s p r e a d i n gi n t ot h ea r e ao ff i e l d b u sc o n t r o ls y s t e ma n da p p l i e di nd i f f e r e n tf i e l do f i n d u s t r yc o n t r 0 1 t h ec o n t r o l l e r so ft h o s ea l r e a d yi n s t a l l e df l u i d i z e dp a r t i c l ef u r n a c ee x h i b i tt h e d i s a d v a n t a g e si nv o l u m e ，c o s t ，e f f i c i e n c ya n da c c u r a c y , a n dt h u sg u i d i n gt ot h e m o t i v a t i o no ft h i st h e s i st od e s i g na ne t h e r n e t b a s e dd i s t r i b u t e dm e a s u r e m e n ta n d c o n t r o ls y s t e m t h ep r o p o s e ds y s t e mi s c o m p o s e do fas u p e r v i s o r yc o m p u t e r ，a h u m b e ro ff r o n t e n d m e a s u r e m e n t c o n t r o lu n i t s a n dt h ee t h e r n e t 1 i n k a g e c o n n e c t i n ge a c ho ft h e s es y s t e mc o m p o n e n t s t h em i c r o c o n t r o l l e r b a s e df r o n t e n d u n i t sa r ed e s i g n e dt oe m b o d yi o ，e t h e r n e ti n t e r f a c e ，e m b e d d e d i _ t c o s i ia n d t c p i pt op e r f o r md a t aa c q u i s i t i o na n dc o n t r o la c t i o no u t p u t i ns u c has y s t e r n e a c hf r o n t 。e n du n i tg a t h e r st e m p e r a t u r e sa n dp r e s s u r eo fa ni n d i v i d u a lf u r n a c e ，a n d t r a n s f e rt h ed a t av i ae t h e r n e tt ot h es u p e r v i s o r yc o m p u t e r t h ec o m p u t e rp e r f o r m s c o n t r o la l g o r i t h m ss u c ha st h es e l f - t u n i n gp a r a m e t e rf u z z y p i df o re a c hf u r n a c e a n dt r a n s f e rb a c kt ot h ef r o n te n da l s ov i ae t h e r n e tt h e r e s u l t i n gc o n t r o la c t i o nt h a t i su s e dt or e g u l a t ec o r r e s p o n d i n ge x e c u t i v es u c ha sat h y r i s t o rc o n t r o l l e rh e a t e r t h ep a p e rg i v e sad e t a i l e dd e s c r i p t i o no ft h et h e s i sw o r ki n c l u d i n gt h eb a s i c t h e o r y , d e s i g np r i n c i p l e s ，s y s t e mc o n f i g u r a t i o n ，e l e c t r o n i ch a r d w a r e ，a sw e l la st h e s o f t w a r ei m p l e m e n t a t i o na n dt h es y s t e mi n t e g r a t i o n k e y w o r d s ：f l u i d i z e dp a r t i c l ef u r n a c e ；i n d u s t r i a le t h e m e t ；d i s t r i b u t e dm e a s u r e m e n t a n dc o n t r o ls y s t e m ；p c o s i i ；f u z z y - p i d ；u i p 1 1 插图清单 图1 1 基于以太网的分布式控制系统4 图2 1 测控单元硬件结构7 图2 2a d g c 8 3 4 的内部功能结构7 图2 3 外部3 2 k b 数据存储器的接口电路8 图2 5 开关量输出电路1 0 图2 6t i l 3 0 0 的应用原理1 1 图2 7r t l 8 0 1 9 内部结构1 2 图2 8r t l 8 0 1 9 与d m a 相关的寄存器1 3 图2 9a d g c 8 3 4 与r t l 8 0 1 9 a s 的连接1 4 图2 1 0 网络隔离电路1 6 图3 1 前台与后台模式1 7 图3 2g c o s i i 硬件和软件体系结构2 0 图3 3 堆栈结构图2 3 图3 4u i p 协议栈运行流程2 8 图3 5u i p 与系统底层、应用程序的关系2 8 图3 6 接收数据帧的程序流程3 3 图3 7 发送数据流程图3 4 图4 1 系统体系结构图3 6 图4 2 带过零触发的双向晶闸管温度控制电路一4 0 图4 3 主程序流程图4 1 图4 4 测控系统主界面一4 8 图4 5 流式套接字应用程序结构5 0 图4 6 参数自整定f u z z y - p i d 控制器结构5 0 图4 7p i d 控制器的流程图5 1 图4 8 隶属度函数5 2 图5 1 连通测试截图5 3 v i i 表格清单 表2 1 中断输出线选择表1 5 表2 2r t l 8 0 1 9 a s 地址线15 表4 1d a c c o n 位的部分功能4 7 表4 2a k p 的模糊控制规则表5 1 v i i i 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：1 ：作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，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 佥g 曼王些盔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已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：扣匆1 矶 签字日期：砷= f 月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金8 曼工些塞：兰有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金月巴：! ：些太堂可 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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适川本授权书) 学位论文作者签名：1 硼刎 签字日期：掰年f 月歹7 日 ! 学位论文作者毕业斤玄向： ，l ：作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期：动归好f 月叫日 电话： 邮编： 致谢 首先我要感谢我的导师张崇巍教授，本论文是在张老师的悉心指导下完成 的，无论是在论文的选题，课题的研究，还是在论文的撰写、修改和定稿都凝 聚着张老师的汗水。张老师不仅学识渊博，治学严谨，而且待人诚恳，平易近 人，对学生的谆谆教诲深深地记在我的心中。在两年多的时间里张老师不仅对 我的学习给予了精心的指导，对我的生活更给予了无微不至的关心。再次衷心 感谢导师的培养、支持和教诲，并祝张老师和家人永远幸福安康。 同时，感谢给予我无私的关怀和帮助的亲人，是他们的关心和支持给了我 无穷的勇气和动力。在此祝福他们：身体健康，一生幸福! 此外，还要感谢研究生期间给予我关心和帮助过的同学和朋友。其中，我 要特别感谢我的师兄鲍伟和孙磊博士以及师姐何璐同学对于我研究生期间工作 的指导、帮助和热心的支持。他她们带领我进入研究领域，严格要求、悉心指 导，使我初步具有了研究能力。同时他她们不仅是我研究工作上的导师，在生 活中，更是朋友。 最后，对阅读评审此论文的专家学者表示感谢! i i i 作者：杨佳佳 2 0 0 8 年1 月 第一章绪论 1 1 计算机控制系统的发展 计算机19 4 6 年问世以来得到了飞速的发展。而计算机控制技术作为计算机 应用的一个极为重要的领域，一方面大大推动了控制理论和自动化技术向深度 和广度发展，另一方面也推动了用于控制的计算机技术本身的迅速发展。 计算机应用于工业过程控制经历了从集中控制系统到分散控制系统的发展 过程，集中控制时期的计算机直接数字控带w ( d d c d i r e c td i g i t a lc o n t r 0 1 ) 展现了 计算机控制取代模拟控制的可能性和潜力，但是这种系统导致的“危险集中” 往往不能满足控制系统特别是过程控制系统的可靠性要求【l 】。 从克服集中控制系统的弱点出发，人们依据将危险分散的思想开发出集散 控制系统( d c s d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 。d c s 系统的主要特点是在主机和 i o 设备之间加入缓冲设备，分担部分控制和计算任务，将整个系统的决策、 协调和执行功能分开。增加的一级智能设备称为现场测控计算机，负责局部协 调功能。d c s 的直译为分布式控制系统，然而事实上d c s 只做到了半分布。 因为在这类系统中，现场测控计算机仍然是一个小型的d d c 系统，底层的仪 表和装置仍然是非智能化的，其智能和风险的分散化是不够彻底的。 现代工业的发展，要求工业控制系统要向控制面向多元化，系统面向多级 化，即负载分散，功能分散，危险分散，地域分散的方向发展。这一方向的提 出和实现有赖于现代电子技术特别是微电子技术的发展。微处理器和微控制器 伴随着性能的提高而其价格迅速降低，从而可以廉价地在工业控制领域得到广 泛应用。各种仪表、仪器、装置和设备由于微处理器的嵌入而智能化的趋势逐 步在控制系统中向下渗透。一个根本性的变革是在系统中逐步将过程量( 测量 值和控制量等) 的传输由通过大量导线进行的模拟方式逐步演进到以少量通信 电缆进行的数字方式。这一发展趋势导致了现场总线控制系统( f c s f i e l d b u s c o n t r o ls y s t e m ) 的出现。 现场总线是用于现场仪表与控制系统和控制室之间的一种全分散、全数字 化的、智能、双向、多变量、多点、多站的通信系统c 2 ，按i s o 的o s i 标准提 供了网络服务，可靠性高，稳定性好，抗干扰能力强，通信速率快，造价底， 维护成本低。 凡在网络中具有独立能力的能在网络中执行信息交换功能的智能设备均称 之为节点( n o d e ) 。f c s 的信号传输实现了全数字化，现场的大量信号直接接到 节点控制单元，执行测控任务的节点将采集到的数据和所执行的操作等信息转 换为数字信号向网上发送，执行管理的节点以数字形式向网上发送命令。由于 通信电缆( 如双绞线) 是所有的节点之间的唯一连接，工程设计人员和现场施 工人员发现可节省大量的电缆( 5 0 8 0 ) ，同时避免了模拟信号传输过程中的 干扰，降低了对环境如接地和电磁干扰的要求，并保证了数据的一致性。 f c s 是一种完全分散式的体系结构，其智能体系已分散并嵌入在网络拓扑 上体现为节点的现场设备之中，现场设备具有了一定程度的自治功能。即使在 系统的局部出现闯题的时候，系统中的其它部分仍然可以按既定的控制规律继 续运行。当一台安排作为系统管理的p c 机发生故障时，另一台作为“热备份 或执行其它次要功能的p c 机可立即发现这一情况并自动地履行系统管理功能。 从以上特点可见现场总线系统可以大大提高整个系统的可靠性。 f c s 与d c s 的另一个本质区别在于开放性和互操作性；f c s 的协议( 包括 信号协议和电气接口等) 是开放的，各供货厂商遵从统一的开放协议进行产品 开发，用户可以根据自己的需要把来自不同供应商的产品构成最符合自己需要 的一套系统而不会象选择了d c s 系统一样被锁定在某个厂家身上，或为使不同 的协议兼容而在硬件和软件上复杂化。 综上所述，由于其在体系结构、价格、安全性、开放性等方面的优势，f c s 将从2 l 世纪起取代d c s 成为过程控制的主流计算机系统。 国际组织现场总线基金会( f f f i e l d b u sf o u n d a t i o n ) 的定义：现场总线是一种 全数字的双向多站点通信系统，适用于仪器、仪表和其它工厂自动化设备。它 将代替老式的电缆系统( c a b l i n gs y s t e m ) 3 1 。现场总线的名称源于这种系统的网 络拓扑一般采用总线式结构，如著名的c a n 和l o n w o r k s 等都是如此。但是根 据f f 的定义，对网络拓扑并无此限制，实际上现场总线的概念已泛指应用于 过程控制现场可执行实时控制任务的的计算机网络，本文研究的采用复杂网络 拓扑的工业以太网在广义上也可被纳入现场总线的范畴。 1 。2 现场总线与工业以太网 现场总线的出现一时使之成为工业控制领域中的热点。由于现场总线尚未 形成一致遵循的标准，各厂商为了使自己的技术和产品能够占领整个世界市场 而展开了激烈竞争，从而导致现场总线的标准各种各样，各厂商的仪表设备难 以在不同的现场总线控制系统中兼容，产生了与现场总线诞生时宣称的开放性 背道而驰的结果。从目前情况看来，市场和技术发展需要统一标准的现场总线， 但是由于利益驱动和性能多样化的要求，现场总线标准的统一有待时日甚至遥 遥无期，这使得现场总线控制系统发展缓慢。 此外，现场总线控制系统的传输速率也不尽人意，以基金会现场总线( f f ) 正在制定的国际标准为例，其低速总线h 1 的传输速度为3 1 2 5 k b p s ，高速总线 h 2 的传输速度为1 m b p s 或2 5 m b p s ，这在有些场合下仍无法满足实时控制的要 求。由于上述原因，使现场总线控制系统在工业控制中的推广应用受到了一定 的限制。 2 正是在这种形势下，原非以应用于工业环境为目的的以太网引起了人们的 注意。 以太网经过多年发展，逐步在商业网络中占据了统治地位。将以太网技术 应用于工业控制系统，可以使用统一的标准，并且避免现场总线技术游离于计 算机网络技术的发展主流之外，使现场总线技术和计算机网络技术的主流技术 很好地融合起来。与现场总线相比，工业以太网具有以下优点【4 儿5 j ： 1 ) 成熟的技术和丰富软硬件资源。 由于以太网已应用多年，人们对以太网的设计、应用等方面有很多的经验， 对其技术也十分熟悉。大量的软件资源和设计经验可以显著降低系统的开发和 培训费用，从而可以显著降低系统的整体成本，并大大加快系统的开发和推广 速度； 2 ) 低廉的成本。 由于以太网的应用量大面广，导致硬件价格十分低廉，并且随着技术的发 展，其性价比还会进一步提高。 3 ) 优越的通信速率。 目前通信速率为1 0 m b p s 的以太网已是普及水平，1 0 0 m b p s 的快速以太网 已开始广泛应用，1 g b p s 以太网技术也逐渐成熟，1 0 g b p s 以太网也正在研究， 其速率比目前的现场总线快得多，可以满足对带宽的更高要求。 4 ) 便利的i n t e r n e t 连接。 以太网可以使测控网和信息网统一起来。现场信号可以在企业的i n t e r n e t 上及时发布并共享，还可以在i n t e r n e t 的任何位置对现场智能设备进行在线控 制、功能组态和远程监控等，达到真正的开放性和互操作性。 但是，原本为商业网络设计的以太网应用到工业控制系统时需要解决下面 几个问题【6 j ： 1 ) 实时性的问题 以太网在通信过程中采用c s m a c d 机制，导致数据传输延迟的不确定性， 因此以太网要应用于工业控制必须解决实时性问题。而工业控制对通信的实时 性要求很高，其实时响应不允许有任何不确定性。 2 ) 工业环境中的可靠性问题 以太网是以办公自动化为目标设计的，并没有考虑工业现场环境的适应性 需要，如超高或超低的工作温度、大马达或大导体产生的影响信道传输特性的 强电磁噪声等。工业以太网如要在车间底层应用，必须解决可靠性的问题。 3 ) 安全性问题 将工业现场控制设备通过以太网连接起来时，由于可以和民用以太网进行 对等的连接，并且使用了t c p i p 协议，因此可能会受到包括病毒、黑客的非 法入侵与非法操作等网络安全威胁。 技术的进步可以为上述问题找到方法和途径。实时性问题可以通过提高以 太网速度，限制负荷，信息优先级和流量平衡等方法来解决。可靠性问题通过 工业级设计解决也并非难点。安全性一般可采用网络隔离的方法，将控制区域 内部控制网络与外部信息网络系统分开。此外还可通过用户密码、数据加密、 防火墙等多种安全机制加强网络的安全管理。 基于以太网的工业控制网络具有数据传输率高、可靠性好、易维护、可远 程传输、互操作性好等优点。随着互联网技术的普及与推广，以太网通信速率 的提高、交换技术的发展，使得它受到了全球的拥护和软硬件支持，并得到了 迅速发展和普及。因此，基于以太网的工业控制网络是工业控制系统的发展趋 势。 1 3 基于以太网的测控系统与论文工作 对一个测控系统来说，主要完成以下几部分功能： 夺数据采集。负责将检测的信号采集到计算机中用于有关计算； 数据处理。将获得的数据经过必要的运算和处理，输出想要得到的检测 结果，并且进行记录和数据库管理； 执行控制。根据检测的结果，控制系统作出相应的调整。 控制的安全可靠，数据采集及处理的及时准确，与控制系统的构成密切相 关。在网络化的控制系统中，控制功能在分散化的进程中得到下移。系统中由 下层的智能仪表完成大部分的控制任务，上层由计算机构成操作站，便于信息 的集中管理和控制，这样一个典型系统如图1 1 所示。 图1 1 基于以太网的分布式控制系统 这个设计是采用廉价的前端节点与上位机共同组成分布式测控系统，以分 散的测量和控制来适应分散的过程对象，以集中的监视、操作和管理达到掌握 全局的目的。由于控制的分散化，因此各控制点的控制速度和可靠性都大为提 4 高，上位机的控制任务大大减轻；由于信息的集中化，对系统的整体能够很好 地掌握。 本论文尝试通过对工业以太网的学习和研究，设计一个基于智能节点的小 型以太网控制系统，应用于粒子炉【7 】 8 】这样一个工业控制对象。 可控气氛炉是使用人工制备的气氛，通入炉内可进行气体渗碳、碳氮共渗、 光亮淬火、正火、退火等热处理，以达到改变金相组织、提高工件机械性能的 目的。采用流态化固体粒子作为加热介质的炉子称为流动粒子炉。当炉膛内达 到一定风压和气压时，固体粒子具有流体性质称粒子流态化，流化过程前称固 定床，流化后称流化床。流动粒子炉可用于淬火，正火，退火，回火等中性加 热，并已扩大应用于渗碳，渗氮，碳氮共渗以及渗硼，氧氮化，蒸气处理等， 其主要优点是：启动升温速度快，耗能少：温度均匀，炉温在8 0 0 1 3 0 0 摄氏 度时，炉内温差不超过3 7 摄氏度；热惰性小，热效率高；可以实现无氧化加 热和化学热处理。 为了使炉温恒定和实现规定的升温速度，除必须根据工艺要求、预热器和 炉用机械型式、燃料和燃烧装置类别、工业炉排烟方式等确定优良的炉型结构 外，还需要对燃料和助燃空气的流量和压力，或对电功率等可控变量通过各种 控制单元进行相互调节，以实现炉温、炉气氛或炉压的自动控制。 目前多数流态粒子炉的温度、压力控制系统仍由热电偶、动圈式温度显示 调节器、流量计及笔式记录仪组成，这不仅系统庞大，造价高，而且加热效率 不理想，尤其是采用位控式仪表组成的测控系统，温控精度往往不能满足要求。 为了降低成本，减小能耗，进一步提高加热效率，保证产品加工质量，作 者在论文工作中尝试基于以太网控制系统的概念，实现一个流态粒子炉温度、 压力测控系统的设计，使温度，压力实现全自动化测控，确保在整个工作过程 中，主要参数稳定在给定的工艺要求范围内，使粒子炉工作在最佳状态下，达 到最理想的测控效果。 本设计的控制对象粒子炉的控制指标如下： 夺电阻炉部分 炉温：温度范围在8 0 0 9 8 0 。要求控制精度较高。 粒子炉部分 炉温：控制范围在0 2 0 0 ，控制点在粒子炉内，要求控制精度较高。 炉内压力：风室压力为4 0 0 1 0 0 0 m m h g 。 每台粒子炉要实现两个温度和一个压力的控制。本课题就是设计一个基于 以太网的流态粒子炉温度、压力远程分布式测控系统。该设计采用如图1 1 的 系统结构，以一台工控机作为上级机，通过以太网连接多个智能节点，可同时 控制多个粒子炉。 论文工作的主要内容有： 1 ) 分析课题研究背景和意义，针对课题设计要求，提出设计基于以太网的 粒子炉温度和压力分布式测控系统的方案。 2 ) 实现基于单片机的智能测控节点的设计，包括网络接口控制器 ( r t l 8 0 1 9 a s ) 接1 2 1 电路的设计，嵌入式实时操作系统肛c o s i i 和u l p 协议 栈的移植等内容。 3 ) 基于l a c o s i i 的远程测控系统的主程序的设计以及各任务功能的分析 和实现。 4 ) 上位机监控软件的设计，主要包括了上位机界面，网络通信程序以及控 制算法的设计。 5 ) 系统抗干扰措施的研究。 6 第二章具有以太网接口的智能测控单元 本系统中的一个关键设计是具有以太网接i = 1 的现场测控单元，其硬件结构 如图2 1 所示，设计目标如下： 测控单元基于微控制器a d i t c 8 3 4 的嵌入式设计； 令足够通道数的模拟和数字i o 通道，用于实现粒子炉的二个温度和一个压力 的数据采集和控制； 夺基于r t l 8 0 1 9 a s 的以太网接口； 令集成了i t c o s i i 和u l p 的嵌入式软件系统； 夺可靠性和安全性设计。 p 。c l o s - l l o 。i p 。i 一r t l 8 0 1 9p , l * v f v t , d - a , , t f - - ii 夏i 刚a 。l 一 光耦ll 继电器ii 线性光耦| i 线性光耦 图2 1 测控单元硬件结构 2 1 嵌入式微控制器a d i t c 8 3 4 6 2 k bf l a s h e 程序存储器 斫西潆e 霭丽 数据存储器 晤面西面面 甫1 6 位ii 主2 4 位i 1 2 位 a d ca d cd a c 8 0 5 2 m c u 内核 3 x 1 6 位定时器 波特率定时器 电源监视器 看门狗定时器 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 锁相环p l l 一 温度传感器 电流源 参考电压源 4 x 并行1u a r t ，s p i ， 端口i 1 2 c ，串行i o 图2 2a d i t c 8 3 4 的内部功能结构 7 a d g c 8 3 4 b 2 1 是美国a d 公司推出的高性能、高集成度的单片系统，它的芯 片内部功能框图如图2 2 所示。 2 1 1a d g c 8 3 4 的技术特性 1 ) a d g c 8 3 4 将8 0 5 2 内核、8 0 5 2 的标准外围配置以及存储器、a d c 、d a c 等外围集成于一个5 2 引脚芯片之中。该芯片利用3 2 7 6 8 h z 晶振来驱动片内锁 相环( p l l ) 以产生1 2 5 8 m h z 时钟，c p u 可根据对速度和功耗的权衡采用这一时 钟频率或某一分频作为系统时钟。 2 ) 片内集成的6 2 k b 闪速电擦除程序存储器以及2 3 0 4 字节r a m 在大多 数应用场合可避免存储器的扩充设计。另外它还可以外接6 4 k b 的外部程序存 储器( e p r o m ) 和1 6 m b 的外部数据存储器。在本节点设计因考虑i - t c o s i i 和 u l p 的需要，外接了一个3 2 k b 的数据存储器6 2 2 5 6 ，如图2 3 。 a d l 屺8 3 46 2 2 5 6 p 0d m v 【) 7 b 面碉： a l e一7 4 h c 5 7 3r 叫 淞黼 p 2 a 8 i a l 5 r d| q e 腑觚 图2 3 外部3 2 k b 数据存储器的接口电路 3 ) a d g c 8 3 4 具有两个独立的a d c ，其中主a d c 为2 4 位，辅助a d c 为 1 6 位，有5 个模拟输入引脚a i n l a i n 5 ，通过对与其有关的专用寄存器的编 程可灵活地实现多路不同位数的差分或单端输入。模拟输入主通道的简化电路 如图2 4 所示。利用模拟多路转换器，可选择不同的差分通道( a i n l a i n 2 、 a i n 3 a i n 4 或a 1 n 2 a i n 3 ) 接输入电压信号u i n 。 瓢 0 h im b i 而 一 p l 黼l1 ”。一1仅 i g a 一 7 1 0 岫a l y 图2 4 模拟输入主通道的简化电路 数字量 输出 主a d c 采用2 4 位式a d 转换器，内含调制器和数字滤波器，可 确保达到无遗漏码的2 4 位精度，非常适合于宽动态范围的低频信号测量。主 a d c 的输入电压绝对值范围被限定在( u a g n d + l o o m v ) ( u a v d d 一10 0 m v ) 之 间。模拟输入辅助通道只有3 个模拟输入端( a 1 n 3 a i n 5 ) 并且是对地的单端输 入，通道中没有b u f 和p g a 电路，它的输入电压范围是0 v - 参考电压。参考 电压可以是内部参考电压，也可以是外部参考电压。辅助a d c 还可以接入片 内集成的一个温度传感器，从而测量现场的温度。 4 ) 两个1 0 0 n a 电流源向外部传感器流出电流，供用户来检测外部传感器是 否发生开路或短路故障。若检测到的u i n 为满度值，说明传感器开路；若u i n = 0 v ，说明传感器短路p j 。 5 ) c h o p 作为信号预处理用的交替转换器，它能抑制直流偏置、漂移及电 磁干扰，使a d c 达到高精度指标。 6 ) u r e f 为差分基准电压源，给主a d c 提供基准电压，既可使用内部2 5 v 基准电压源，也允许接外部基准电压源，再通过主a d c 控制寄存器( a d c o c o n ) 中的x r e f 0 位来选择不同的u r e f 值。 7 ) a d g c 8 3 4 的1 路1 2 位8 位的d a c 输出和2 路16 位精度的p w m 脉冲 输出可方便地形成测控节点的模拟量输出通道。 8 ) 片上外围还包括一个与s p i 和1 2 c 兼容的串行端1 ：3 ，多路数字输入输出 端口，电源监视器和看门狗等。 9 ) a d i t c 8 3 4 的串行通信功能支持程序下载【l0 1 ，当引脚p s e n 经过1 k q 电 阻接地时，允许下载调试，可以直接下载调试程序，非常方便于程序的开发和 设计。总之，a d i _ t c 8 3 4 本身就是一个内嵌m c u 的高性能数据采集系统，利用 它可以大幅度减少应用系统的开发时间和成本，适合于本测控单元的设计。 2 1 2p c b 设计注意事项 1 ) a d g c 8 3 4 的电源供电电路中对模拟电源端( a v d d ) 和数字电源端 ( d v d d ) 的供电电压需隔离开来，可以采用双电源供电方式，即对a v d d 和 d v d d 采用不同的供电电压，也可以采用单电源的供电方式，即只用一个电源 供电，但是在a v d d 和d v d d 之间增加由l 、r 构成的噪声滤波器，以消除模 拟电源引入的噪声，确保运算放大器、电压基准源等模拟电路能稳定地工作。 l 须采用被称作“磁珠”的穿心电感，其电感量为几微亨至几十微亨。r 采用1 6 q 的低阻值电阻n 叭1 2 1 。 2 ) 为了使a d f t c 8 3 4 达到高分辨力的指标，必须精心地布置地线。p c b 板 上的模拟地和数字地须单点连接，不允许多点连接，以免将数字电路中的脉冲 电流流入模拟电路中造成干扰。 9 2 2 全隔离的 o 通道设计 测控单元的i o 通道实现与工作对象之间测控数据的交换，无非是模拟量 和数字量的输入和输出。但是i o 通道是测控单元与一般较为恶劣的环境直接 联系的部分，为防止外部环境中随时可能产生的强烈冲击对测控单元本身的损 害并保障其可靠运行，一个行之有效的措施是在通道中实现隔离传输。本测控 单元在数字和模拟i o 通道中均采用了相应的隔离措施。 2 2 1 光耦数字量输入通道的设计 本设计中实现了二路开关量的输入( p 1 4 、p 1 5 ) 和两路开关量的输出( p 3 3 、 p 3 5 ) 。数字量输入要防止干扰从外部进入系统。这里采用光电耦合器把干扰源 和易于受干扰的单片机系统隔离开来，使测控装置与现场保持信号联系，但不 直接发生电的联系。 这里选用高速光耦t l p 5 2 1 2 【1 3 】，它有二路隔离通道，可以满足二路数字 量输入的需要。有一点需要注意的是光耦的输入输出的电源、接地都必须要分 开。a d p c 8 3 4 通过对p 1 口的读操作，即可获得数字量输入。 2 2 2 继电器数字量输出通道的设计 在单片机系统中，数字量都是通过单片机的i o 口或扩展u o 口输出的。 这些i o 口的驱动能力有限。如果要驱动大功率部件，就需要将i o 口输出的 信号进行功率放大，以满足输出驱动的要求。开关量输出的隔离也可采用光电 耦合器，但本设计采用继电器隔离方案。对输出口的写操作导致有关引脚的状 态变化并经三级管放大电路驱动继电器，向外界提供以通断表示状态的干触点 开关量信号，其中一路开关量输出电路如图2 5 所示。 k l o 匹丛口邕 唑l o 蔓巡坠； 图2 。5 开关量输出电路 2 2 3 采用线性光耦的模拟量通道设计 现场测控单元实现了三个模拟量单端输入通道( p 1 3 、p 1 6 、p 1 7 ) 和一个模 1 0 拟量输出通道( p 1 2 ) ，分别用于两个温度和一个压力模拟量的输入，以及压力控 制量的输出。 输入模拟量信号为标准0 - 5 v 的信号，因此在模拟量输入通道中无需考虑 信号的放大与滤波。模拟量输入和模拟量输出通道上都采用了精密线性光耦 t i l 3 0 0 1 4 1 进行模拟量的线性隔离，以期达到既保证隔离作用，又保证模拟信号 的传输精度。t i l 3 0 0 的应用原理如2 6 所示。 t i l 3 0 0 由一个红外发光二极管( l e d ) 和两个分别称为反馈管和输出管的光 敏二极管按一定的空间配置组成，它们产生的光敏电流与l e d 发出的光通量成 线性比例，有： i p l = k 1 i f ，i p 2 = k 2 - i f( 2 1 ) 而反馈管产生的i p l 可用来对l e d 的驱动电流进行反馈调节，这种技术可 用来补偿l e d 时间和温度特性的非线性，下面是一个简单的分析。 输入v i 经运放驱动l e d ，反馈产生反馈电流经过r 1 ，由于运放输入端的 “虚断 和彼此之间的“虚短 ，可得： i p l = v i r 1 ( 2 2 ) 结合( 2 1 ) 式可得： i p 2 = k 2 v i ( r 1 k 1 ) = k 3 v i r 1 ( 2 3 ) 其中：k 3 = k 2 k 1 ，由此得到： v o = i p 2 r 2 = k 3 v ir 2 r 1 = k v i ( 2 4 ) 其中：k = k 3 r 2 r 1 。 图2 6t i l 3 0 0 的应用原理 根据厂家提供的资料，k 1 和k 2 均为1 左右，k 3 一般为o 7 5 - 1 2 5 之间。 当i f 工作于1 10 m a 之间，工作温度在0 - 7 0 。c 之间时，k 3 的偏差小于o 5 。 因此对于1 ：10 量程范围内一般精度的测量，线性光耦隔离是可以满足要求的。 2 3 基于r t l 8 0 1 9 a s 的以太网接口的设计 2 3 1 以太网控制器r t l 8 0 1 9 a s 测控节点的网络传输模块基于成熟的全双工以太网控制器芯片 r t l 8 0 1 9 a s 来设计n5 | ，该芯片具有1 6 位的数据线接口和2 4 位的地址线接口， 广泛地用于1 0 m 的i s a 接口网络适配器中。r t l 8 0 1 9 在其典型应用中，可以在 发送的物理帧上自动添加帧头、帧起始定界符和校验和；同时r t l 8 0 1 9 还具有 曼切斯特编码、冲突检测和重发的功能，它可以与很少的外围电路一起完成数 据的发送和接收功能。其主要性能如下： 令适用于e t h e r n e t i i ，i e e e 8 0 2 3 ，1 0 b a s e 5 ，1 0 b a s e t ； 冷支持8 位、1 6 位数据总线； 令全双工，收发可同时达到1 0 m b p s 的速率，具有睡眠模式以降低功耗； 冷内置1 6 k 的s r a m ，用于收发缓冲，降低对主处理器的速度要求； 令可连接同轴电缆和双绞线，并可自动检测所连接的介质； 夺1 0 0 脚的t q f p 封装，缩小p c b 尺寸。 r t l 8 0 1 9 由接收逻辑控制器、接收c r c 校验、接收计数器、f i f o 逻辑队 列、发送逻辑控制器、发送c r c 校验、内部总线、u o 缓冲区等组成。每个模 块都能由相应的寄存器加以控制。其组成原理框图如图2 7 所示： 地址识别逻辑 ” 么1 口y ：i接收逻辑一接收字节计数器 + 霉卜 t x c l k c r c h 。 t x d 发送逻辑 h 控制位l 一 c r c 弋， 图2 7r t l 8 0 1 9 内部结构 根据r t l 8 0 1 9 的基本组成原理 16 1 ，按数据链路的不同，可以将r t l 8 0 1 9 内部划分为远程d m a ( r e m o t ed m a ) 通道和本地d m a ( 1 0 c a ld m a ) 通道两个部 分。远程d m a 操作是指在主处理器的参与下完成数据从处理器到以太网控制 器的传输；本地d m a 操作是指在相关寄存器的控制下以太网控制器与网线的 数据交换。与d m a 相关的寄存器如图2 8 所示。 1 2 r s a r o t ps rh r s a r l 3 c r dt b c r i u 本地远程b r c i m 1 p s t 心qd m ad m a p s t o p 叫c r a d 0 ，1 c u r r d o u n d a y 1 c l d a 0 ，1 图2 8r t l 8 0 1 9 与d m a 相关的寄存器 当主处理器要向网上发送数据时，先将一帧数据通过远程d m a 通道送到 r t l 8 0 19 a s 中的发送缓存区，然后发出传送命令。r t l 8 0 1 9 a s 在完成了上一 帧的发送后，再完成此帧的发送。r t l 8 0 1 9 a s 接收到的数据通过m a c 比较、 c r c 校验后，由f i f o 存到接收缓冲区，收满一帧后，以中断或寄存器标志的 方式通知主处理器。 接收逻辑在接收时钟的控制下，将串行数据拼成字节送到f i f o 和c r c ； 发送逻辑将f i f o 送来的字节在发送时钟的控制下逐步按位移出，并送到c r c ； c r c 逻辑在接收时对输入的数据进行c r c 校验，将结果与帧尾的c r c 比较， 如不同，该帧数据将被拒收，在发送时c r c 对帧数据产生c r c ，并附加在数 据尾传送；地址识别逻辑对接收帧的目的地址与预先设置的本地物理地址进行 比较，如不同且不满足广播地址的设置要求，该帧数据将被拒收；f i f o 逻辑对 收发的数据作1 6 个字节的缓冲，以减少对本地d m a 请求的频率。 寄存器的设置和使用是r t l 8 0 1 9 a s 应用的关键。r t l 8 0 1 9 a s 的寄存器根 据它们的地址和功能大致可分为两