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东北大学硕士学位论文摘要 焦炉区域交换机时间控制系统 摘要 本文以宝钢的焦炉区域交换机系统为研究对象，详细分析了原来系统结构存 在的缺陷、原来系统的工艺以及出现各种煤气管道问题的原因，在此基础上进行 了新系统的结构设计、系统工艺设计、网络终端式时间显示和控制装置设计、p l c 程序设计、c i t e c t 主控软件设计以及高精度时钟的设计。 p l c 直接控制焦炉交换机，实现起来简单可靠，有效保证了单个焦炉组的正 常工作；网络终端式时间显示和控制装置给用户提供友好的焦炉组交换信息的界 面以及实现了对焦炉管道煤气压力和煤气流量的监测；主控计算机对p l c 和显示 装置进行时钟校准和功能控制，有效保证了整个系统工作的同步；高精度时钟对 主控计算机进行时间校准，使整个系统的逻辑时间与北京时间保持一致。 该系统采用了各种软硬件工具进行系统开发。主控计算机的主程序采用了 c i t e c t 组态软件设计而成；与时间显示装置通信的计算机接口软件采用了v i s u a l b a s i c 6 0 ，后台数据库是s q ls e r v e r 2 0 0 0 ：硬件部分使用了单片机和各种数字器件 以及单片机汇编语言。 自系统投入运行以来，不但满足了用户的需求，减轻了劳动强度，提高了工 作效率，有效避免了多个交换机交换过程相互重叠造成的煤气管道压力剧烈波动 的问题，杜绝了煤气管网水封冲顶或焦炉加热自动停止等恶性故障的发生。 关键字时间同步区域控制焦炉区域交换机网络式终端数据库设计 可编程控制器组态软件 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t i m ec o n t r o ls y s t e mo f e x c h a n g em a c h i n ef o r c o k e f u r n a c ea r e a a b s t ra c t b a s e do nt h ee x c h a n g em a c h i n es y s t e mo fc o k e - f u r n a c ea r e aa n dd e t a i l e da n a l y s i s o ft h es t r u c t u r e ，d e f e c t , a l lk i n d so fp r o b l e mo fc o a lg a sp i p e sa n da r t s ，t b j sp a p e r d e s c r i b e st h ed e s i g no ft h en e ws t r u c t u r e ，n e wa r t s ，n e t w o r kt e r m i n a lt i m ed i s p l a y d e v i c e ，h i g hp r e c i s i o nc l o c kd e v i c e ，p l cp r o g r a m ，c i t e c tp r o g r a m p l cc o n t r o l se x c h a n g em a c h i n e so fc o k e - f u r n a c ea r e ad i r e c t l yt ow o r kw e l la n di t i se a s yt od e s i g n 1 1 1 en e t w o r kt e r m i n a lt i m ed i s p l a yd e v i c e sg i v et h eu s e r sac l e a r i n t e r f a c et ok n o wt h ee x c h a n g ei n f o r m a t i o no ft h ec o k e - f i m a c ea n dt h ed e v i c ec a na l s o c o l l e c tt h es i g n a l so fg a sp i p e sp r e s s u r ea n df l u x t h em a i nc o n t r o lc o m p u t e ra d j u s t s t h et i m eo ft h ep l ca n dn e t w o r kt e r m i n a lt i m ed i s p l a yd e v i c e ss ot h a tt h es y s t e mc a n s y n c h r o n i z e dw o r k h i 曲p r e c i s i o nc l o c kd e v i c ea d j u s t st h et i m eo fc o m p u t e rs ot h a t t h et i m eo f b e i j i n ga n dt h et i m eo f s y s t e mc a l lk e e ps y n c h r o n o u s m a n ys o f t w a r ea n dh a n d w a r et o o l sa r eu s e di no r d e rt od e s i g na n dr e a l i z et h e s y s t e m c i t e c ts o f t w a r ef o ri n d u s t r yc o n t r o li su s e df o rc o m p u t e rp r o g r a m v i s u a l b a s i c 6 0a n ds q ls e r v e r 2 0 0 0a r eu s e di no r d e rt od e s i g nt h ec o m p u t e ri n t e r f a c e s o f t w a r ew i t hn e t w o r kt e r m i n a lt i m ed i s p l a yd e v i c ea n di no r d e rt od e s i g nt h e h a r d w a r e ，w eu s e dm c u ，m a n yd i g i t a ld e v i c e sa n da s s e m b l yl a n g u a g e s i n c et h es y s t e mi su s e db yb a o s t e e l ，i th a ss a t i s f i e d 也en e e d so fu s e r s ，a n d i i g h t e n e dw o r k i n gl o a da n de n h a n c e dw o r k i n ge f f i c i e n c y ，f u r t h e r m o r e ，a v o i d e dt h e p r o b l e mo f p r e s s u r ei m b a l a n c eo f c o a lg a sp i p e s k e yw o r d s ：t i m es y n c h r o n i z a t i o n , a r e ac o n t r o l ，e x c h a n g em a c h i n e so fc o k e - f u r n a c e a r e a ，n e t w o r kt e r m i n a l ，d a t a b a s ed e s i g n ，p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i c c o n t r o l l e r ) ，i n d u s t r i a lc o n t r o ls o f t w a r e i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 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 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 育季 日 期：) 彳略工、- 7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校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。本人授权东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文 笫一章引言 第一章引言 1 1 问题的提出 宝钢是一个大型的钢铁联合企业，也是国内先进的钢铁生产企业，在科学技 术上的引进、消化、吸收、改造等方面处于国内同行业之首。所以“焦炉区域交 换机时间控制系统”的研究，也采用先进的控制技术来解决生产过程中焦炉煤气 区域压力剧烈波动的问题。 有钢铁生产企业，就有焦炉群。在对焦炉群的煤气供应方面，有以炉组为供 气单位的分立式，有以区域为供气单元的集中式两大类。其中，最为常见的是以 炉组为供气单元的分立式。所谓分立式，就是用多根煤气管道把焦炉加热需用的 煤气送到该炉组的各座焦炉中，焦炉群中有几个炉组，就有几根煤气供应管道。 这样的供气条件下，交换过程数目少，并且只有本炉组中的煤气交换过程有相会 关联，应用传统的交换机控制工艺和设备是比较成熟和有效的。但是宝钢的焦炉 则不同，它是由一根煤气总管道把煤气输送到焦炉区域，在由支管分送六个炉区， 采用的是“区域”为供应单元的集中供气方式，其物理拓扑结构如图1 1 所示。 在这种供气方式下，不仅区域内的所有焦炉之间的交换过程都有相互关联， 区域之间的焦炉交换过程都有关联，传统的、理论上的交换机时间控制工艺和设 备就满足不了焦炉实际生产的需要，这是因为；首先，我们假设每座焦炉交换是 需要的煤气给管道造成的压力是p 帕。那么会出现如下的问题； ( 1 ) 从炉区的角度来看：如果不同炉区同时有m 座焦炉进行交换，每座需 要煤气p 帕，那么总管道中所承受的煤气压力就是m p 帕。传统的工艺中不考虑 炉区之间的交换时间关系，因而m 的值就是不确定的，m 的变化不定就造成了总 管道的煤气压力剧烈波动。压力的剧烈波动就容易损坏煤气管道；同时如果1 1 1 的 值太大，造成总煤气供应不足，就会焦炉加热自动停止的恶性故障。 ( 2 ) 从炉组的角度来看，炉组内部如果存在某个时候几座焦炉同时交换，某 个时候又都不交换，也会导致支管的压力剧烈波动。后果同样是严重的。实际生 产中这个问题在二期焦炉投产初期就己显现，在三期焦炉投产以后，表现更为明 一】一 东北大学硕士学位论文 第一章引言 i 区 焦 图1 1 宝钢焦炉煤气供应物理拓扑结构 f i g l 。1p h y s i c a ls t r u c t u r eo f b a o s t e e lc o k e - f u r n a c es u p p l y 显，极端时造成煤气管网水封冲顶和焦炉加热自动停止的恶性故障，在最近的两 年中，就发生过三起相似的事故。这一问题已成为影响焦炉生产和能源管网中煤 气介质稳定的重大的、急待解决的问题。所以，研制“焦炉区域时间交换机控制 系统，对宝钢的焦炉生产过程以及宝钢焦炉交换机时间控制工艺和设备进行重大 的改进和提高，使各个煤气管道压力保持稳定。 1 2 项目目标和技术指标 ( 1 ) 系统目标 设计开发以焦炉区域为主体的新的“交换机时间控制工艺”。在该工艺控制 策略下，同时开发“焦炉区域交换机时间控制系统”，新建的“系统”以某一基 准时钟为准，定期对6 台p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 内的控制时间进 行标定，采用软件技术实现对1 2 个交换机的交换时间的准确、可靠的控制，避免 多台交换机的交换过程相互重叠，从而解决因交换过程接近和重叠造成的宝钢区 域煤气压力剧烈波动的问题。 主要控制要求如下： 2 一 东北犬学硕士学位论文第一章引言 ( a ) 台变换机自动的交换周期3 0 分钟。 ( b ) 研发新的工艺时间控制策略，按照新工艺的启动时刻表运行，每个交换 过程之间的时间间隔严格控制在一定的量化数据范围内。 c c ) 新工艺的启动要在现有工艺条件下，按相应的且如顺序控制过程，无扰 动的投入。 ( d ) 系统保证每台交换机的交换信号，周期性循环发出，延续不断。 c e ) 每个本地p l c 处都有支管的时钟显示，便于生产巡检操作。 ( f ) 系统不设置操作盘，所有集中操作、监控都在主控p c 环境下完成。 ( 2 ) 技术指标 要达到对焦炉区域内1 2 台交换机的交换时间完全控制的目的，系统必须达到 如下技术指标： ( a ) 生产工艺要求，目前1 2 台交换全部以3 0 分钟为一个交换周期，每一台 交换机交换周期的精度误差指标要在1 以下。 ( b ) 1 2 台交换机在3 0 分钟的交换周期内，个交换机之间的交换间隔时间是 本项目成功与否的关键指标。项目实施前，个交换机之间的交换问隔时问是紊、 不定的，所以会出现2 个或者2 个蛆上的交换桃同时进行交换的情况。项目实施 后，使得个交换间隔时间应固定、有序，并保持在5 以下的误差精度。 1 3 本文的主要工作 分析项目的主要目标和现有工艺，在此基础上完成新的工艺的和系统控制策 略研究。 ( 1 ) 网络终端式l e d 显示装置的研制开发：主要用来显示当前整个焦炉区 域的统时间和每个区域的a 、b 炉交换开始时问，以及对煤气压力和流量进行 监测，并且可以通过t c p i p 网络对其各个参数进行设置。 ( 2 ) p l c 的程序改造：直接控制各个交换机进行工作。 ( 3 ) 主控计算机c i t e c t 监控程序的开发：对整个系统进行管理和控制，通过 t c p i p 网络，发送信号控制p l c 对交换机进行控制，发送信号对l e d 显示装置 进行控制和参数设置。 进行控制和参数设置。 东北大学硕士学位论文第二章系统工艺设计 第二章系统工艺设计 2 1 目前交换机时间控制工艺 在水平式炉的交换机时间控制工艺上，不论国内外，都采用同一种经典的控 制方式。以有四座焦炉的宝钢一期炉组为铡，保证在同一炉组内，a 、a 或b 、b 炉号焦炉的交换过程相差l o 分钟；同一炉组相邻a 、b 炉号之间相差5 分钟；所 有的交换过程周期为3 0 分钟。 这个经典的控制工艺在单炉组、焦炉座数少的情况下非常适用，有近百年的 成功应用经验。但是，在多座焦炉并存的情况下，就有其局限性。尤其在宝钢焦 炉这种集中供应煤气方式，1 2 座大产能焦炉并存的情况下，这种以“炉组”为单元 的交换机时间控制工艺完全不适应工艺上相互关联，控制上相互独立的生产实际， 必须开发新的以“区域”为单元的交换机时间控制工艺。 实际工艺是在理论工艺的基础之上进行定的改进后，目前正在使用的控制 工艺。他只对理论工艺的最后一点进行了修改，把三个炉组的0 点人为的加上误 差值，使0 点时刻在北京时间中实际是不同的，相互错开的。实际的0 值按照一、 二、三期炉组的排序，分别是0 、1 、2 分钟左右。从而在设定上避免交换机交换 时间的重叠。经过这样的处理后，从一定意义上讲理论工艺符合了宝钢焦炉的多 焦炉并存的实际状况，成为实际生产工艺。旧工艺在耦合关系紧密的同一炉组中 的控制，与理论工艺并没有差别。旧的焦炉交换机启动时刻如表2 1 所示； 表2 1 旧工艺下的交换时刻表1 t a b | e 2 1e x c h a n g et i m et a b l eu n d e ro l dt e c h n o l o g y 炉号 1 a1 b2 a2 b3 a3 b4 a4 b5 a5 b6 a6 b 时刻( 分) o51 01 5161 11 6271 21 7 在这样的控制工艺下，各个交换过程的时间间隔最小为1 分钟。 若以时间顺序来排列各个交换机，在旧工艺控制下动作顺序如表2 2 4 一 东北大学硕士学位论文第二章系统工艺设计 表2 2 旧丁艺下交换时刻表2 t a b l e 2 2a n o t h e rv i e wo f e x c h a n g et i m et a b l eu n d e ro l dt e c h n o l o g y 妒号 1 a 3 a 5 a 1 b3 b5 b2 a4 a6 a2 b4 b6 b 时刻( 分) 0125 6 71 01 1 1 21 51 61 7 2 2 新工艺的设计 综合理论工艺和实际生产工艺的特点，符合宝钢焦炉生产的交换机时间控制 工艺。新工艺控制参数的选择是根据以下条件计算的。 ( 1 ) 交换机的交换间隔为3 0 分钟。 ( 2 ) 一炉组中，相邻交换机a 、b 号之间，交换启动时刻相差5 分钟。 ( 3 ) 一炉组中，a 与a 或b 与b 之间，交换启动时刻相差1 0 分钟。 ( 4 ) 满足上述要求的交换机以4 台为一组，有相同的3 组，共有1 2 台交换 机。在3 0 分钟内有1 2 个交换过程。 ( 5 ) 2 个交换过程之间的时间间隔越大越好。 依据上述条件，可以有多种方案，目前我们选择的一个可行结果如表2 3 所 示。在这样的控制工艺下，各个交换过程的时间间隔最小为1 5 分钟，最大为1 8 分钟。 表2 3 新工艺下的时刻表1 t a b l e 2 3e x c h a n g et i m et a b l eo f n e wt e c h n o l o g y 炉号 1 al b2 a2 b3 a3 b4 a4 b5 a5 b6 b6 b 时刻( 分) 051 01 5i 56 51 1 51 6 53 28 21 3 21 82 从表2 3 可以看出，新工艺在耦合关系紧密的同一炉组中的控制，与理论工 艺并没有差别，但是在此基础上，借鉴实际生产中的做法，考虑了炉组与炉组之 间的交换过程的关系。把交换过程之间的时间间隔控制在1 5 分钟、1 7 分钟或 1 8 分钟。比实际生产中的1 分钟左右的时间间隔增加了5 0 一8 0 。 若以时间顺序来排列各个交换机，在新工艺控制下交换机的交换动作启动顺 序如表2 4 所示： 5 东北大学硕士学位论文第二章系统工艺设计 表2 4 新工艺下交换时刻表2 t a b l e 2 + 4a n o t h e rv i e wo f e x c h a n g et a b l eu n d e rf l e wt e c h n o l o g y 炉号 1 a3 a5 a1 b3 b5 b2 a4 a6 a2 b 4 b 6 b 时刻( 分) o1 5 3 25 6 ，5 8 | 2l o1 1 51 3 ，2l s1 651 8 2 l a 与3 a 、1 b 与3 b 、2 a 与4 a 、2 b 与4 b 之间的时间间隔为9 0 秒，3 a 与5 a 、 3 b 与5 b 、4 a 与6 a 、4 b 与6 b 之间的时间间隔为1 0 2 秒，5 a 与1 b 、5 b 与2 a 、 6 a 与2 b 时间间隔为1 0 8 秒。 2 3 项目最终确定的生产工艺 根据以上的分析，结合实际的生产情况以及便于程序控制等多方面的综合考 虑，最终将原定的系统0 点由1 a 炉转换到3 a 炉上，并且将1 a 、2 a 、5 a 之间 的时间差值固定为1 5 分钟。工艺控制策略的项目实施工艺如表2 5 所示 表2 5 最终确定的交换时刻表 t a b t e 2 5l h el a s te x c h a g et i m et a b l e 炉号 1 ai b 2 a2 b3 a3 b4 a4 b5 a5 b6 a6 b 时刻( 分) 5 8 53 ，58 51 3 ，5o 51 01 51 56 51 1 51 6 5 该工艺在实际生产中的应用非常理想。另外，还可以实行变交换周期的时间 控制，如目前交换周期为3 0 分钟，通过对时间控制模块的修改，可以方便的实行 2 0 分钟的周期控俸4 等。 6 东北大学硕士学位论文第三章系统结构设计 第三章系统结构设计 3 1 系统总体结构 根据调研结果以及现场的实际工况，确定系统构成如下： 在系统网络的介质选择上，采用电气和光纤的混合网络。一期、二期炉组之 间的线缆连接距离较短，在1 千米以下，可用电缆连接：二期和三期炉组之间的 线缆距离有3 千米左右，用光纤连接。 在系统与本地p l c 的连接方式上，采用以太网接入方式。同时具有实时时钟 显示系统，直观地显示系统的基准时问。 监控计篁机、 图3 1 焦炉区域交换机时间控制系统结构 f i g3 1t i m ec o n t r o ls y s t e ms t r u c t u r eo f e x c h a n g em a c h i n e f o rc o k e f u r n a c ee a r e a 焦炉区域交换机时间控制系统为线性结构，由1 台监控p c 机、l 台s t a n db y 计算机、高精度时钟、u p s ( u n i n t e r r u p t e dp o w e rs u p p l y ) 、6 套以太网接口装置、 以太网网络等组成。 为达到系统的控制要求和技术指标，系统研制完成后，应具有如下功能： ( 1 ) 具有高精度定时功能。 ( 2 ) 具有时钟容错功能。 一7 一 东北大学硕士学位论文 第三章系统结构设计 ( 3 ) 具有自动标定控制时钟功能。 ( 4 ) 具有现场f o 数据采集功能。 ( 5 ) 实时时间显示、校正功能。 ( 6 ) 具有交换时间的设置、显示、控制功能。 ( 7 ) 系统具有通讯功能，可实现p l c 与上位监控p c 之间的通讯。 ( 8 ) 系统具有分散控制功能。 ( 9 ) 系统具有监测设备运行状态、故障诊断等功能。 3 2 系统物理结构和拓扑结构 系统主干网络是由光缆和p r o f i b u s 电缆组成的。光缆和p r o f i b u s 电缆敷设 路由如下图所示： 图3 2 光缆敷设路由图 f i g3 , 2r o u t e ro f o p t i c a lf i b e rc a b l e 其中，1 # 、2 # 交换机室是一期炉组，3 # 、4 # 交换机室是二期炉组，5 # 、6 # 交 换机室是三期炉组。工控机放置在2 期电气室内。各交换机室内均有交换机顺序 控制用p l c ，1 # 一4 # 交换机顺序控制p l c 为$ 7 4 0 0 ，5 # 、6 # 交换机顺序控制用p l c 一8 东北大学硕士学位论史第三章系统结构设计 为t o s h i b a 的t 2 。 由于地理位置的限制，系统网络由8 个h u b 用光纤连接成主干网络，再用双 绞线与各控制器相连，形成光纤、双绞线的混合网络，其拓扑结构如图3 3 所示： 图3 3 网络拓扑图 f i 妒3t h en e t w o r kt o p o l o g yf o rs y s t e m 3 3 时间同步 整个系统包含6 个p l c 、6 个l e d 显示装置、一台主控计算机和一个高精度 时钟。整个系统需要时间同步。时间同步的技术有很多，实现过程也各不一样。 但是最终的目的除了要实现系统时钟同步以外，还需要保证系统的可靠性，避免 因单点故障导致整个系统崩溃。这里我们采用了这么一种方案。用主控计算机的 时钟来校准6 各p l c 和6 个l e d 显示装置，再用高精度的时钟来校准计算机的 时间，高精度时钟和北京时问之间的校准由人工实现。这种方法实现起来比较简 单。但是如果无条件的用计算机时间去校准其他设备的时间就容易导致单点故障 的传播。因此在计算机校准6 个p l c 和6 个l e d 显示装置的过程中，如果计算 机时间和被校准设备的时间相差在2 1 0 秒，那么就给予校准，小于2 秒的时候没 有必要校准，而大于1 0 秒的时候就会给出警告，由用户来处理，因为自动校准的 时候每天校准数次，如果计算机和p l c 或者l e d 显示装置正常运行，那么误差 应该不会大于1 0 秒，如果大于1 0 秒，那么肯定是系统中某个设备出现了故障， 此时给出警告，由人工来确定哪个设备出现故障，确定好以后，由人工方式来强 制改变故障设备的时间。系统时间同步校准的框图如图2 1 所示： 一9 东北大学硕士学位论文 第三章系统结构设计 高精度时钟 矗雪蔷 东北大学硕士学位论文第四章网络终端式时问控制和显示装置 第四章网络终端式时间控制和显示装置 4 1 外观设计 为了在各个交换机室显示逻辑交换时间而研发了l e d 显示装置，其显示的外 观如图4 1 所示： 图4 1l e d 显示装置的外观设计 f i 9 4 1a p p e a r a n c ed e s i g no f l e dd i s p l a yd e v i c e 4 2l e d 显示装置接口 整个l e d 装置的接口分为两个部分：采集接口和主机网络接口。 ( 1 ) 采集接口：采集从外部进入的流量和压力信号，其性质是4 - - 2 0 m a 的 电流信号。 ( 2 ) 网络接口：r j 4 5 ，l e d 装置通过这个接口和主控计算机相连和通讯。 4 3 硬件设计 根据显示装置的要求，硬件部分可以分为以下几个主要模块；数据采集模块、 l e d 显示模块、按键模块、单片机主控模块、通信模块、电源模块。其系统的框 图如图4 t 2 所示： 东北大学硕士学位论文 第四章网络终端式时间控制和显示装置 围4 ，2 l e d 装置硬件框图 f i 9 4 2h a r d w a r ef r a m ec h a r to f l e dd i s p l a yd e v i c e 4 3 1 电源模块 电源模块给整个系统供电，根据现场的要求，输入的模拟信号需要隔离，所 以两路输入信号的采集部分电路需要单独供电，l e d 显示部分由于采用了比较大 的l e d 显示块，供电电压比较高( 9 v ) ，所以也需要单独用一路供电，此外通信模 块中的以太网通信采用了m o x a 公司的以太网串口控铝4 器，需要比较大的供电电 流，也单独用一路供电，因此变压器共做了4 组次级线圈。电源模块的电路图 如图4 3 所示： 图4 3 电源模块原理图 f i 一。3s c h e m a t i cd i a g r a mo f p o w e rs u p p l ym o d u l e 1 2 一 东北大学硕士学位论文 第四章网络终端式时间控制和显示装置 图4 3 中，经变压器的次级线圈引出的交流电压经过整流、稳压之后进入7 8 系列进行进一步的稳压，然后输入。其中v c c l 、g n d l 和v c c 2 、g n d 2 分别是 给模拟采集部分供电的，都是5 v 的电压；v c c 5 、v c c 4 、v c c 3 共地( g n d ) ， v c c 5 是9 v 电压，给大块的l e d 供电；v c c 4 是5 v 电压，专门给以太网控制模 块供电；剩余的v c c 3 是5 v 电压给单片机和一些其他的数字器件供电。 4 3 2 数据采集模块 数据采集模块主要是负责两路模拟量的采集，一路是煤气压力，一路是煤气 的流量。其原理如图4 4 所示： 图4 4 数据采集模块原理图 f i 9 4 4s c h e m m i ed i a g r a mo f d a l ae o l l e 硝o nm o d u l e 如图4 4 所示，压力和流量信号是4 - - 2 0 m a 的电流信号，通过2 5 0 欧姆的精 密电阻以后变成l - - 5 v 的电压信号，然后进入t l c l 5 4 9 进行a d 转换，转换完 成的信号通过t l p 5 2 1 4 进行光电隔离以后进入主控单片机。图中，两个t l c l 5 4 9 分别用的是电源v c c l - g n d l 、v c c 2 回固2 。而在t l p 5 2 1 4 的左边用到的5 v 电源都是v c c 3 - g n d 。 t l c l 5 4 9 是美国德州仪器公司生产的1 0 位模数转换器。它采用c m o s 工艺， 具有内在的采样和保持，采用差分基准电压高阻输入，抗干扰，可按比例量程校 一】3 一 东北大学硕士学位论文 第四章网络终端式时间控制和显示装置 准转换范围，总不可调整误差达至i j 士i l s bm a x ( 4 8 m v ) 等特点。 t c l l 5 4 9 的管脚图如图4 5 所示： 砌盯+ 坩晴t d g i n 就f - 网 45 d l _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 图4 5t l c l 5 4 9 管脚图 f i 9 4 5p i nd i a g r a mo f t l c l 5 4 9 脚1 ：参考电压的正极 脚2 ：模拟信号输入端 脚3 ：参考电压的负极 脚4 ：地 脚5 ：芯片的片选端 脚6 ：数据输出端 脚7 ：时钟c l o c k 输入端 脚8 ：电源 t l c l 5 4 3 的工作原理是：在芯片选择( c s ) 无效情况下，i oc l o c k 最初 被禁止且d a t ao u t 处于高阻状态。当串行接口把c s 拉至有效时，转换时序 开始允许i oc l o c k 工作并使d a t ao u t 脱离高阻状态。串行接口然后把i i o c l o c k 序列提供给i oc l o c k 并从d a t ao u t 接收前次转换结果。i o c l o c k 从主机串行接口接收长度在1 0 和1 6 个时钟之间的输入序列。开始1 0 个1 o 时钟提供采样模拟输入的控制时序。时序如图4 6 所示： 5 轴0 l 辩 a 1 1 0 c l ：k 翱l 矗嘲 b 1 峙ik 埘i a 心9 图4 6t l c l 5 4 9 时序图 f i 9 4 6s e q u e n c ec h a r to f t l c l 5 4 9 在c s 的下降沿，前次转换的m s b 出现在d a t ao u t 端。1 0 位数据通过 一1 4 一 强t叩叫k 枷岫肥 东北大学颁士学位论文第四章网络终端式时间控制和显示装置 d a t ao u t 被发送到主机串行接口( 每个脉冲出来位) 。为了开始转换，最少需 要1 0 个时钟脉冲。如果i oc l o c k 传送大于l o 个时钟长度，那么在的1 0 个时 钟的下降沿，内部逻辑把d a t ao u t 拉至低电平以确保其余位的值为零。在正 常进行的转换周期内，规定时间内c s 端低电平至高电平的跳变可终止该周期， 器件返回初始状态。 单片机上电以后，p 1 7 是高电平，所以光偶的输入端( 1 - - 2 ) 没有电流流过， 因此光偶的输出端1 5 和1 6 不导通，1 6 端经过上拉到高电平，因此t l c l 5 4 9 的5 端就是高电平，此时t l c l 5 4 3 无效。当需要进行a d 变换的时候，首先将p 1 7 拉至低电平。此时c s 为低电平，t c l l 5 4 9 选通，此时d o 端输出上次a d 转换 的d 9 位，此后从p 1 6 输出高低脉冲，每次脉冲的下调沿的时候，一位数据出现 在d o 上，d o 通过光电隔离输出到p 1 5 上，单片机可以进行采集。在该系统中， 每5 0 m s 采集一次，采集后的数据通过软件滤波以后，进入存储区，主控计算机 需要的时候可以发送命令将数据取走。 4 3 3 显示模块 4 3 3 1 总体设计 显示模块主要是单片机控制数字芯片、驱动芯片和l e d 来进行相应的时间显 示。一般来说，七段l e d 的显示分为静态显示和动态扫描两种方式。如图4 7 所 刁r ： _ 、， 朴 图4 7 七段l e d 数码管示意图 f i 酣7a b r i d g e dg e n e r a lv i e wo f s e v e ns e g m e n td i s p l a yi n d i c a t o r 1 5 一 东北大学硕士学位论文 第四章网络终端式时间控制和显示装置 静态显示的电路相对简单，程序编写也相对容易，缺点是需要的i o 口太多， 一般静态显示一个七段l e d 的时候，a 、b 、c 、d 、e 、f 、g 、h 直接连接在i o 口 上砸，而c o r n 端则接地或者v c c ( 到底接地还是v c c 决定于l e d 是共阳极还 是共阴极) ，因此显示一个l e d 需要占用8 个u o 口，所以静态方式显示n 个 l e d 就需要n 8 个i o 口；动态扫描贝, l j n t j 好相反，电路和程序相对复杂，但是 i o 口需要相对较少，在显示的时候将n 个l e d 的a 、b 、c 、d 、e 、f 、g 、h 连接 在一起，公用一个i o 口，同时将每个l e d 的c o l l l 端分别接一个i o 口。因此动 态扫描n 个l e d 需要的i o 口资源是：8 + n 。因此将大大的减少i o 口的数量。 这里我们采用动态扫描的方式，但是该装置中需要显示的l e d 为2 6 个，如果按 照一般的动态扫描的方式进行处理，那么需要8 + 2 6 = 3 4 个i o 口。这个数量也比 较大，同时还产生一个问题：我们知道动态扫描中为了不使l e d 产生闪烁的效果， 对扫描的频率有定的要求，一般需要1 6 h z 以上，也就是每过6 2 5 毫秒就需要 对每个l e d 扫描一次，这里如果采用一般的扫描方式，每次扫描一个l e d ，每 个扫描时候显示时间为2 个毫秒，那么占用时间为2 6 2 = 5 2 个毫秒，对c p u 的 最少占用率就是5 2 6 2 5 = 8 3 2 ，这个c p u 的占用率实在太高，会影响系统其他 部分代码的执行。因此这里这种方式还需要改进，这里我们将2 6 个l e d 排成阵 列，分成4 行8 列，这样最多可以显示3 2 个l e d ，这里只需要显示2 6 个，因此 4 行8 列的结构已经够用。在动态扫描的时候，每次点亮一列，每列显示时间为2 个毫秒，因此占用时间为8 x 2 = 1 6 毫秒。那么对c p u 的最少占用率是1 6 6 2 5 = 2 5 6 ，也就是说c p u 只需要花费大约1 4 的时间在显示部分。因此有3 4 的时间 用在其他的部分。综上所述，采用了阵列的显示方式，其优点有： ( 1 ) 显示部分对c p u 的o 口的占用明显减少； ( 2 ) 显示部分程序运行时对c p u 的占用时闻明显减少。 虽然，采用阵列的显示方式，优点明显，但是相应的也带来了一些缺点。其 阵列显示方式存在的缺点有： ( 1 ) 硬件电路变得复杂了一些； ( 2 ) 软件程序也会更复杂一些。 虽然存在软硬件更复杂的缺点，但是这并不是显示部分的主要问题，主要问 题就是显示部分对c p u 的时间和i o 口的占用，因此，这种方案的确是切实可行 一1 6 东北大学硕士学位论文 第四章网络终端式时间控帝j 和显示装置 的。 显示部分的电路原理图如图4 8 所示 哪 图4 ，8 数码管扫描模块原理图 f i 9 4 8s c h e m a t i cd i a g r a mo f d i s p l a yi n d i c a t o rs c a n n i n gm o d u l e 上图中，将2 6 个l e d 排成了4 行8 列。数据通过锁存器7 4 h c 3 7 7 后再经过 l e d 驱动器u l n 2 8 0 3 后到达数码管进行显示。其中，段码或者列码通过d a t a ( 8 个i o 口) 端进入，c l k ( 5 个i o 曰) 决定将d a t a 锁存入那个7 4 h c 3 7 7 。 图中标志a 的部分是列码控制部分，控制哪列将进行显示；标志b 的部分是段码 的控制端，段码控制l e d 显示出来的数字。 具体来说控制步骤是这样的，以n ( 0 n 9 ) 列的显示为例： ( 1 ) 灭第n ，1 列 ( a ) 把熄灭第n 1 列的列码送到d a t a 端； 1 7 东北大学硕士学位论文第四章网络终端式时间控制和显示装置 ( b ) 通过c l k 端相应i o 口的上升沿将列码锁存入b 部分的7 4 h c 3 7 7 。 ( 2 ) 送入n 列( 4 行) 的段码 ( a ) 把第n 列第1 行的段码送到d a t a 端； ( b ) 通过c l k 端相应i o 口的上升沿将列码锁存入第1 行的7 4 h c 3 7 7 ： ( c ) 把第n 列第2 行的段码送到d a t a 端： ( d ) 通过c l k 端相应i o 口的上升沿将列码锁存入第2 行的7 4 h c 3 7 7 ； ( e ) 把第n 列第3 行的段码送到d a t a 端； ( f ) 通过c l k 端相应f o 口的上升沿将列码锁存入第3 行的7 4 h c 3 7 7 ； ( 2 ) 把第n 列第4 行的段码送到d a t a 端； ( h ) 通过c l k 端相应i o 口的上升沿将列码锁存入第4 行的7 4 h c 3 7 7 。 ( 3 ) 点亮第n 列 ( a ) 把点亮第n 列的列码送到d a t a 端； ( b ) 通过c l k 端相应口的上升沿将列码锁存入b 部分的7 4 h c 3 7 7 。 4 3 3 2 参数设计 我们知道，一般情况下，静态点亮一个发光二级管需要的电流约5 毫安。那 么一个7 段l e d 数码管在静态的条件下需要的电流就是7 x 5 = 3 5 毫安。动态扫 描的时候，一般2 0 5 0 毫秒扫描一次，每次点亮时间为1 2 毫秒，扫描的频率 高，持续时间就可以短一些。这里采用的是5 0 毫秒扫描一次，每次点亮一列，持 续时间是2 毫秒。如果用静态时候的电流去驱动则数码管将会黯淡无光，因此需 要提高动态扫描时候的驱动电流，一般来说，扫描的个数越多，相应的驱动电流 也需要更大一些，这里共有8 列，因此为了保证显示的效果，每段l e d 点亮的时 候的驱动电流至少也要保证2 0 毫安以上，那么一个7 段的数码管全部点亮的时候 最大需要7 2 0 = 1 4 0 毫安( 到底点亮几段决定于需要显示的数值) 。共有4 行， 四行中的数码管中，第二行的数码管的尺寸最大，内部用并接3 个发光二极管。 因此驱动的时候采用了9 v 的电源专门对这一行进行驱动。所以，点亮一列的时 候，5 v 电源最大需要提供1 4 0 x 3 = 4 2 0 毫安( 每个数码管最大1 4 0 毫安，共3 行) 的电流。9 v 电源需要提供最大1 4 0 3 = 4 2 0 毫安( 每个数码管最大4 2 0 毫安， 共l 行) 的电流。有了上面的分析做为基础，那么下面就来就可以确定数码管驱 动部分的各个参数，驱动部分主要采用了专用的驱动芯片u l n 2 8 0 3 和驱动用的 1 8 东北大学硕士学位论文第四章网络终端式时间控制和显示装置 三极管9 0 1 2 。 驱动部分电路原理图如图4 9 所示 图4 9三极管驱动数码管部分图原理图 f i 9 4 9s e h e m “cd i a g r a mo f 埘o d ed r i v i n gd i s p l a yi n d i c t o r 图4 , 9 是一个p n p 三极管驱动数码管的电路。i n 端输入的是高低电平。用7 个发光二级管来代表7 段数码管。下顽来分析各个器件和参数，首先9 0 1 2 的基本 参数是耐压值5 0 伏，最大持续电流5 0 0 毫安，工作于发大态时放大倍数最少1 5 0 。 显示部分需要的最大瞬时电流是4 2 0 毫安，电源电压分别是5 伏和9 伏，因此很 明显9 0 1 2 能满足电流电压方面的要求。其次分析r l 的取值。从上面的分析已经 知道，数码管点亮的时候，c 极最大需要4 2 0 毫安的电流。9 0 1 2 的基本放大倍数 是1 5 0 。因此b 极至少需要4 2 0 1 5 0 = 2 8 毫安。而数码管点亮时，i n 是低电平o 3 伏左右，e 比b 极高出0 7 伏，因此，r 1 _ ( 5 一o 7 0 3 ) 2 8 = 1 4 3 k 。这里我们选择 r = 1 k 能满足条件。同时当r = l k 时，b 极电流为4 毫安，而c 极最大需要4 2 0 毫安。因此实际工作时，9 0 1 2 放大倍速为0 4 = 1 0 5 。而9 0 1 2 正常放大倍数是 1 5 0 。很明显，实际工作中，9 0 1 2 进入饱和状态。此时v e c = o 3 左右。因此v c = 4 7 v 左右。发光二极管的管压降大约2 v 左右。因此流过每个二级管的电流i = ( 4 7 2 ) ；r 2 ，而i 要保证2 0 毫安以上。因此取r 2 = 1 2 0 能够满足要求。 一1 9 东北大学硕士学位论丈 第四章网络终端式时间控制和显示装置 4 3 4 按键模块 按键模块的原理如图4 1 0 所示 f j 4f 3 b r 3 b 髓f 图4 1 0按键模块原理图 f b 强。1 0s c h e m a t i cd i a g r a mo f k e ym o d u l e 按键模块的原理图相对比较简单。但是通过k 1 k 4 四个按键可以对每个l e d 显示块进行设置。设置功能比较多，程序相对复杂一些。程序设计可以参照4 4 3 节。 4 3 5 实时时钟模块 实时