发电厂给煤机计量及控制系统的研究--优秀毕业论文.pdf

太原理工大学 硕士学位论文 发电厂给煤机计量及控制系统的研究 姓名：樊丽丽 申请学位级别：硕士 专业：电力系统及其自动化 指导教师：韩富春 20040501 发电厂给煤机计量及控制系统的研究 摘要 本文在全面考查国内外给煤机计量及控制系统的基础 上，结合现场锅炉燃烧控制系统运行维护的特点，提出将传 统的电气控制和计量系统独立配置的控制方式改为电气控 制和称重计量统一的控制模式。s w g k x t 型给煤机计量及 控制系统就是基于以上设计思想实现了对煤耗的高精度计 量以及对系统的实时控制功能，同时具有网络功能可与d c s 联网运行。文中首先阐述了系统的运行原理，结合在微控制 器中的具体实现制定了计量单元的算法。总体讨论系统的软 硬件设计，其中重点研究系统硬件方案以及主要功能模块。 软件设计部分介绍了系统开发环境、源文件目录结构、主程 序以及周期中断程序流程。 新型给煤机计量及控制系统的发展趋势是计量精度高、 控制灵活可靠、人机界面友好、具有网络功能。为此计量单 元采用新型内置数字滤波器的带信号调理电路的2 4 位a d 太原理工大学硕士研究生学位论文 转换器件，显著提高了装置采样的精度和抗干扰能力；电源 管理芯片m c 3 3 8 8 9 独立向m c u 和其他外围芯片提供电源，内 置可编程看门狗监视m c u 工作状态，保证核心m c u 可靠工作： 人机对话单元采用高亮度v f d 显示模块以及转轴编码器，滚 屏显示各种实时煤量信息，系统参数设置以及历史报告全汉 化显示，操作灵活、方便快捷。 本系统已经通过现场系统测试，各项数据结果均达到了 装置性能指标要求，满足了系统设计要求。调试工作已经基 本结束，结果表明该系统具有较高的计量精度和可靠性。 关键词：给煤机，微控制器，计量单元，v f d 显示模块，m o d b u s 网络协议 r e s e a r c ho fc o a lf e e d e rm e t e r a g e a n dc o n t r o ls y s t e m a b s t r a c t o nt h eb a s i so ft h o r o u g h l y s e e i n g a b o u tc o a lf e e d e r m e t e r a g ea n d c o n t r o ls y s t e mi nt h ew o r l d ，a n di n c o r p o r a t ew i t h t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e o p e r a t i o n a n dm a i n t e n a n c eo ft h e o i l s i t eb o i l e rb u r n i n gc o n t r o ls y s t e m ，t h i sp a p e rp r e s e n t san e w s c h e m ei n t e g r a t i n g w e i g h i n gm e t e r a g e w i t he l e c t r i cc o n t r o l s w g m x tc o a lf e e d e rm e t e r a g ea n dc o n t r o ls y s t e mi sb a s e d o nt h ea b o v ed e s i g ni d e a t h ee q u i p m e n th a sh i 【g hp r e c i s i o n m e t e r a g ea n d r e a lt i m ec o n t r o lo ft h es y s t e m a tt h es a r i l et i m e ， i tc a na l s oc o m m u n i c a t ew i t hd c s n e t w o r k f i r s t ，t h ep a p e re x p a t i a t e so nt h ep r i n c i p l eo f t h es y s t e m a n dt h e a l g o r i t h m o ft h em e t e r a g eu n i t s y s t e mh a r d w a r e s t r u c t u r ea n di m p o r t a n tm o d u l ef u n c t i o na r eb e e nd i s c u s s e di n w h o l e t h e r ea r ed e t a i l e dd i s s e r t a t i o n o nt h e s y s t e m 1 1 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ，s o u r c e f i l e sd i r e c t o r y , m a i np r o g r a m a n d p e r i o di n t e r r u p tp r o g r a m t h et r e n do fn e wc o a lf e e d e rm e t e r a g ea n dc o n t r o ls y s t e m i s h i i g hp r e c i s i o n ， e x c e l l e n t r e l i a b i l i t y ,u s e r - f r i e n d l y m a i l m a c h i n ei n t e r f a c ea n dn e t w o r kf u n c t i o n w e c h o o s e a d 7 719c h i pa sd a t as a m p l i n gs y s t e m i ti se m b e d d e dw i t h d i g i t a l f i l t e ra n ds i g n a l r e g u l a b l ec i r c u i t s y s t e mb a s i cc h i p m c 3 3 8 8 9s u p p l i e s i n d e p e n d e n tp o w e rf o rm c u a n do t h e r p e r i p h e r a le q u i p m e n t t h ee m b e d d e dp r o g r a m m a b l ew a t c h d o g m o n i t o r st h ew o r k i n gs t a t eo fm c u w h i c h g u a r a n t e e t h a tm c u c a nw o r kr e l i a b l y t h eh i g h - b r i g h t n e s sv f d a n de n c o d e ra r e t h em o s t c o m p o n e n tp a r t so f t h em a n m a c h i n eu n i t t h es y s t e m p a r a m e t e r ss e t t i n ga n dh i s t o r y c a nb e d i s p l a y e d i nc h i n e s e t h i ss y s t e mh a sb e e n p u ti n t ot e s t ，t h e r e s u l th a sp r o v e d i t sh i g hs t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t y k e yw o r d s ：c o a lf e e d e r , m i c r oc o n t r o lu n i t ，m e t e r a g e u n i t ，v f d ，m o d b u sp r o t o c o l - i v - 第一章绪论 1 1 本课题研究的目的和意义 随着电网的不断扩大和单机容量的不断增加，电厂机组的安全经 济运行变得更加重要。给煤机是电厂锅炉系统中的一个极为重要的组 成部分，在火力发电厂的磨煤制粉系统中，它与磨煤机设备配合，实 现把煤连续、均匀地供给磨煤机，然后供给锅炉燃烧系统，控制锅炉 压力，保证锅炉生产能力及其安全，是锅炉燃烧系统的重要辅助设备。 目前3 0 0 滞及以上的大机组的锅炉正在大量采用直吹式制粉系 统，即一台磨煤机配备一台给煤机，磨煤机磨出的煤粉直接吹入锅炉 燃烧器内燃烧，磨煤机与燃烧器中间没有煤粉仓。这样，锅炉的给煤 量就完全由给煤机决定，因此，给煤机的控制性能就显得尤为重要。 现在，国外大量采用电子称重式锅炉给煤机微机控制系统，国内许多 新建与引进整套设备的电厂也开始应用该控制方案。电子称重式给 煤机包括给煤机控制器、皮带输送及张紧驱动机构、电子称重设备及 标定机构、各种传感器设备及清扫机构等。其中给煤机微机控制器可 以实现在运行过程中对燃煤进行精确计量，并根据中央控制室要求以 及人工设定值和燃烧控制系统的反馈信息控制给煤率，自动调整皮带 的行进速度以调节给煤量，使送入锅炉的燃煤与所需燃料相匹配，从 而达到理想的经济效益及管理效果，因此它不仅是性能良好的调节装 置，也是可靠的煤耗计量装置。 现今，许多大型电厂都采用引进国外整套给煤设备，如美国s t o c k 公司生产的成套给煤系统，这类系统计量精度高、控制功能强大，但 一3 一 一盔原理工大学硕士研究生学位论文 投资较大，人机界面复杂操作较繁琐。而中小型电厂采用电子称进行 炉前计量，精度不高。给煤机控制系统与称量系统分离导致实时性差， 难以满足精确控制减少煤耗的需要。其次，随着分散控制系统d c s 在电 站锅炉系统中的广泛应用，上级调度需要控制给煤系统的运行方式， 同时本地控制装置需要通过网络接口上传给煤系统相关数据，如瞬时 给煤率、累计煤量、运行状态、故障报告等。因此，开发一种实用新 型的给煤机计量及控制系统已经成为国内许多电厂的迫切要求。 为了彻底填补国内给煤机计量及控制系统方面的空白，由上海电 力学院电气研究所与上海微程电气设备工程有限公司合作研制出新型 s w g k x t 给煤机计量及控制系统。本系统将传统的电气控制和计量 系统独立配置的控制方式改为电气控制和称重计量统一的控制模式， 以便于实现高精度的控制功能，同时具有网络功链可与d c s 联网运行。 装置采用了工业用微控制器，使整个装置性能稳定、可靠性好、抗干 扰能力强、能够适合工业现场使用，对于节约能源和提高经济效益及 保证安全方面有重大意义。 1 2 给煤机计量控制系统的原理 1 计量单元 称重式给煤机是一种封闭的给煤机械，在给煤机座内装有几米长 的皮带输送机，在输送机上安装有单托辊皮带秤。给煤机称重机构位 于给煤机进料口与驱动滚筒之间，由三个托辊组成“1 。如图卜1 所示， 托辊a 和托辊b 固定在机座上，构成称重跨距；托辊c 悬挂在称重传感器 上，组成一个典型的单托辊皮带秤。皮带秤的测速装置，一般安装在 皮带头部的驱动装置上。本系统采用光电编码器安装于皮带驱动装置 上，保证测速准确、可靠。称重传感器发出皮带上的负荷重量信号， 4 - 太原理工大学硕士研究生学位论文 光电编码器发出皮带速度信号，两者综合得到给煤率信号，再通过时 间累计从而得到累计煤量信号”1 。 _ 厂i 兰一带 acb 图卜1 皮带秤计量单元原理图 f i g 1 1s t r a pw e i g h tm e a s u r eu n i tp r i n c i p l ec h a r t 称重跨距托辊a 、b 间的长度为称重段，而l = ( 1 2 ) a c 十( 1 2 ) c b 称为有效称重段。c 为称重托辊，称重传感器与称重托辊c 连接，在c 托辊两端各有一传感器。 待测的给煤率也即皮带在单位时间内输送的原煤量公式如下： q = k * q * v ( 1 1 ) 式中卜给煤率k g m i n q 单位长度皮带上的原煤重量k g m v 皮带运行速度m s k 转换系数 给煤机设置有两种运行状态，即称重式运行状态和容积式运行状 态。前者是给煤机正常的运行状态，而后者是一种理想的运行方式， 即当运送的物料状态、种类不变。也就是说在密度不变的前提下，测 出单位时间内所运送物料的体积。即可得单位时间内所运送物料的质 量。但是，在实际工作中。是不能满足上述要求的，因此容积式运行 就不能准确地对原煤进行计量。当给煤机不能正常在称重式状态下运 行时，为了保证向磨煤机送煤并将给煤量控制在一定范围内，给煤机 自动由称重状态转入容积式状态。 一a 一 太原理工大学硕士研究生学位论文 煤的称量是由装在称量托辊两侧的两个传感器上测得的0 - 2 5 m v 电 压信号通过a d 转换之后形成的数字信号经过一定数据处理来实现。首 先将该信号与r o m 中的极限值等参数进行比较，若在允许范围内，则存 入r a m 中然后再进行两侧信号的相互比较。如果确认信号有效，则用作 下次测试信号的基准值。若确定信号无效，则给煤机称量切换成测定 容积的方式进行。在确认信号有效的情况下，测量的称量信号要扣除 皮带重量“。 2 控制单元 为了使给煤系统安全可靠运行，称重式给煤机一般都装有电机故 障、清扫刮板故障、堵煤及断煤信号装置，就地柜上故障指示并连锁 停止给煤机运行。对于给煤系统的运行方式( 自动手动，就地远方) 可以通过柜上切换开关灵活得进行转换，正常运行在自动就地方式， 在系统故障情况下可以手动操作给煤机的起停，出闸门的开关。 s w g k - x t 给煤机计量及控制系统结构如图i - 2 所示“1 。 ( 4 2 0 m a )、 十nx w l i m ， 、 ， 给煤机 7 起停控制指令 电气控制 起停控制 、 ， d c s 给煤量信号 给煤机闸门控制 给煤机 ， ( 4 - - 2 0 m a ) 及 称重和测速 系统 ，传感器信号本体 转速反馈 计量系统 、给煤机各种 “- - 2 0 m a ) 报警传感器 闸门位置信号 ，各种报警信号 图i - 2 系统框图 f i g 1 2s y s t e mf r r u l e 一6 一 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 3 装置的功能与特点 1 装置的控制功能 ( i ) 根据d c s 远方命令，装置出口可实现给煤机运行的启动和停止、出 煤闸门的开启和关闭控制。 ( 2 ) 对给煤电机及调速系统运行状态进行实时监控。当发生各种故障 时，可发出相应报警信号，并做相应的停机控制。实现保护功能。 ( 3 ) 对出口闸门的打开和关闭过程进行逻辑判断，以确定开或关的过程 是否正常，并进行闸门故障的报警输出和控制。 ( 4 ) 双路4 8 5 通信接口，采用m o d b u s 协议，可以和d c s 系统联网运行。 ( 5 ) 保存最近十次故障的详细记录，并可以上传给d c s 系统。 2 控制装置的计量功能 ( 1 ) 计算并显示给煤机上通过煤的瞬时量和累积量。 ( 2 ) 双路4 2 0 i i l a 输出，向d c s 系统提供瞬时煤量或运行速度信号。 ( 3 ) 双路脉冲输出，向d c s 系统提供累计煤量脉冲信号。 ( 4 ) 实现给煤量的重量设定，并有水份补偿设定功能。 ( 5 ) 保存三个月内全面完整的给煤量运行数据，并可以上传给d c s 系 统。 ( 6 ) 有自动零点校正、自动量程校正功能，有称重传感器故障报警功能。 ( 7 ) 除控制装置面板显示外，还可在远方用数码l e d 显示出瞬时量和累 计量。 3 控制装置的特点 ( 1 ) 控制系统核心部件采用工业用微控制器，非常可靠。 ( 2 ) 全面完整的运行数据记录和故障数据记录功能。 ( 3 ) v f d 真空荧光显示器。可高亮度显示瞬时煤量和累计煤量及各种报 一7 一 太原理工大学硕士研究生学位论文 警信息。 ( 4 ) 全汉字人机对话界面，无需说明书即可进行操作校准、设置。使用 非常方便。 ( 5 ) 按键采用旋转鼠标，操作灵活、方便。各种运行和故障报告均用汉 字显示。 ( 6 ) 全部校准、设置操作具有密码保护。运行数据记录和故障数据记录 掉电不丢失。 ( 6 ) 带硬件日历时钟。装置掉电后，时钟可继续运行。 ( 7 ) 双路4 8 5 通信接口，采用m o d b u s 协议，可以和d c s 系统联网运行。 一8 一 第二章给煤机计量及控制装置的软硬件设计 计量及控制装置软硬件的设计均采用了以工业用微控制器( m c u ) 为核心组成的智能控制系统，因此m c u 软硬件及其外围电路的设计 是本章的重点。如何设计出可靠性高，成本低和性能良好的系统是本 章所要解决的主要问题。 2 1 m c u 的选用原则 m c u 是将整个计算机系统集成到一块芯片中的微机。一般来说， 是以某一种微处理器为核心，芯片内部集成了r a m 、e e p r o m 、 f l a s h 、总线及总线逻辑、定时器计数器、w a t c h d o g 、i o 口、 串行口、p w m 脉宽调制输出、a d 、d a 等各种必要功能和外设。 这些丰富的外设资源，灵活的配置，特别适合嵌入式系统，可以嵌入 到任何微型或小型仪器或设备中，故又称嵌入式微控制器。 目前单片机己经进入广泛发展时代，种类很多，如何选择性价比 最优，开发容易，开发周期最短的产品，是工程师要考虑的主要问题 之一。选购单片机总体应从两个方面考虑，其一是目标系统需要哪些 资源；其二是根据成本的控制选择价格最低的产品，即所谓“性价比 最高”原则。 资源方面考虑的重要指标有：c p u 处理速度、位数、电压、功耗、 存储器容量、系统扩展与驱动能力、抗干扰能力、是否嵌入a d c 、 d a c 等其它的特殊要求。另外软件开发的简易性也是要考虑的重要因 素。 本装置使用的m c 9 s 1 2 d g l 2 8 微控制器是m o t o r o l a 公司2 0 0 1 9 一 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 年推出的1 6 位m c u 。内部含有一个1 6 位的c p u 、1 2 8 k 的f l a s h e e p r o m 、8 k 的r a m 、2 k 的e e p r o m ：两个串行通讯接口s c i 、 一个串行外围接口s p i ；一个8 通道i c o c 增强定时器、两个8 通道 l o 位的数模转换器、一个4 通道的脉宽调制器、两个c a n 接口控制 器；多个离散数字瑚通道“。丰富的硬件资源使系统具有良好的硬 件冗余性，高速微处理器使得软件编程能够采用高级语言，克服了汇 编语言编程复杂，软件维护困难，容易出错等缺点，提高了装置软件 的稳定性，尤其允许用户定制软件，即可以根据用户要求，对装置的 功能进行增加或修改。 ， 2 2 给煤机计量及控制装置的硬件组成 1 计量及控制装置的硬件功能构成如图2 一l 所示： 叫通信接口k r s 4 8 5 1 1 硬件时钟鹰 m c u 乡 一远施示仁 1 恻入i 墨 叫报警单元 裟剽 、一j 开入，开出 克停控劬 图2 - i 硬件功能图 f i g ，2 - lh a r d w a r ef u n c t i o nc h a r t 1 0 一 太原理工大学硕士研究生学位论文 从以上的硬件结构图可以看出，本保护装置采用了新型的设计理 念，综合考虑了装置的计量功能，控制功能、网络功能，是一套更方 便、灵活的硬件设计方案。 控制装置主板硬件设计如图2 - 2 所示。 图2 - 2控制装置主板硬件设计图 f i g 2 - 2m a i nb o a r dh a r d w a r ed e s i g nc h a r t 下面介绍各外围模块的名称及功能： ( 1 )a f d 模块。采用内置了数字滤波器的带信号调理电路的2 4 位 a d 转换芯片a d 7 7 1 9 ，传感器输出的毫伏级低电压信号无需 外部放大电路可直接输入。 ( 2 )开入开出模块。用于输入运行状态信号和输出控制命令。采 用m c 3 3 9 9 3 和m c 3 3 2 9 1 芯片，提供了2 2 个开入和8 个开出 通道。开入经光电隔离输入，开出通过s p i 接口直接驱动继 太原理工大学硕士研究生学位论文 i _ i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 置暑暑暑暑暑i 薯暑暑；暑暑宣宣萱暑；皇i i 电器。提高了装置可靠性和抗干扰能力，减少了p c b 板空间。 ( 3 ) 显示( v f d ) 模块。采用1 2 8 x 6 4 点阵大屏幕汉字高亮度真空荧 光显示屏，根据显示菜单即可得心应手地操作，信息显示详 尽，能调整显示亮度，所有调试均通过旋鼠配合菜单提示完 成，工作量小。 ( 4 ) 旋转鼠标( e n c o d e r ) 模块。采用旋转编码器捕捉键值，操作 灵活、方便快捷。 ( 5 ) 电源管理( s b c ) 模块。采用m c 3 3 8 8 9 系统基础芯片实现完善 的电源管理功能，使主m c u 和外围供电回路独立，内置看门 狗及复位电路，增强装置运行可靠性。 ( 6 )硬件时钟提供年、月、日、时、分、秒等时钟信号，装置掉 电后，有电池继续供电，确保时钟持续运行。 ( 7 )通讯( m o d b u s ) 模块。采用m o d b u s 协议通过两路r s 4 8 5 与d c s 主辅网通讯。 2 3 系统软件设计 1 软件结构 在装置硬件的物理基础上，控毒4 器的主要功自b 均由软件完成。软 件主要由主程序和中断服务程序两部分组成。 主程序中完成的工作主要有v f d 显示处理、旋转鼠标键值处理、 运行报告存储、故障报告存储、通讯远传处理、时钟对时及装置自检 功能等。周期中断服务程序中完成的工作有a d 采样、数据处理计算、 开关量输入输出处理、故障判别、告警判别、跳闸出口、软时钟自加 及各个计数器的处理、复位看门狗等。通讯中断部分完成接收远方数 据并存入循环队列缓冲区。 一1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 采用的编程语言及开发环境 以往的控制装置多采用汇编语言，这主要是考虑快速运算的要求。 由于汇编语言编程较烦琐，而c 语言作为一种通用的高级语言，大幅 度提高了嵌入式系统工程的工作效率。充分发挥出嵌入式处理器日益 提高的性能，缩短产品进入市场时间。另外，c 语言具有结构化设计 的特点，有丰富的库函数和较好的调试手段，语言简洁紧凑，便于移 植和修改，使产品的升级和继承更迅速。更重要的是采用c 语言编写 的程序易于在不同的开发者之间进行交流，从而促进了系统开发的产 业化“4 ”1 。因此，本装置采用c 语言和汇编语言混合编程，即在c 语 言中嵌入汇编指令，编制了实现以上相应功能的程序。 h i w a r e 调试环境是m o t o r o l a 公司为便于其生产的m c u 应用 而研制的集成开发系统。界面友好，操作简单易于掌握。并且可视化 程度高，可实时监控各个寄存器的值，大大方便了调试。可采用包括 编辑器e d i t 、编译器c o m p i l e r 、连接器l i n k e r 、调试器d e b u g g e r 、烧录 器f l a s h 、反汇编工具d e c o m p i l e r 、库文件生成工具 i b m a k e r “。编译 器的强大功能不仅可以使开发人员对应用程序进行原理性检查，及时 排除难以发现的设计逻辑错误，还可以优化代码提高程序运行效率。 利用调试器实时跟踪系统的实际状态变化，微控制器对状态变化的反 应，以及应用系统对控制的响应。库文件生成器也是有效的开发工具， 利用它可以将一些需要保护的底层代码做成库文件防止意外破坏。 3 软件文件目录结构 c 语言是以函数为基本的实现单元，为了使程序利于修改维护， 该装置源程序文件可以分为两个层次，应用函数和底层驱动函数。与 硬件有直接相关操作的函数作为底层驱动函数，这些函数是实现硬件 功能的基础。应用函数是通过应用函数接口调用底层驱动函数以实现 一1 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 用户需要的功能，二者之间的关系如图2 3 所示。 l应用函数a p p j 应用函数接口a p i u 底层驱动函数 图2 - 3 软件设计图 f i g 2 - 3s o f t w a r ed e s i g nc h a r t 在上述编程思想的基础上，软件文件目录结构可以安排为以下部 分，如图2 - 4 所示。 图2 - 4文件目录结构图 f i g 2 4f i l ed i r e c t o r ys t r u c t u r ef r a m e 下面分别介绍各目录中所包含的文件内容。 i n c l u d e 目录：各寄存器的定义d 9 1 2 8 _ h ； 数据类型的重定义d a t a t y p e h ； 源文件中各全局变量的定义g l o b a l h ； 库文件中函数的声明以及宏定义l i b h 1 4 一 太原理工大学硕士研究生学位论文 l i b 目录： 微控制器以及其他外围器件的初始化 r f i t c ； s o u r c e 目录： w o r k 目录 a d 芯片、开入开出芯片、v f d 显示、旋转鼠标 串行口的底层函数a d l n o u t cv f d cm o u s e cs c i c 主程序m a i n c 和中断程序i n t e r r u p t c 人机对话显示程序d i s p l a y c 和取键值程序 g e t k e y c ； e e p r o m 写入数据程序e 2 口r o m c 调试环境设置文件p r o j e c t i n t 源程序编译形成的o b j 文件： 用于重定位的连接文件g m j p r n a ； 最终用于固化到m c u 的a b s 文件g m j a b s 通过以上的目录划分，可以使代码结构清晰明了，维护起来更加 简单有效，减少编译次数提高软件开发效率。 4 主程序流程 装置上电后首先完成对m c u 各功能模块的初始化，然后完成对全 局变量的初始化，初试化工作完成后，开中断，然后主程序进入一个 死循环，在此死循环中完成主程序中的各项功能。主程序流程详见图 2 - 5 。 对于旋转鼠标及按键的读取采用查询方式，程序中采用e c t 内部 滤波以及软件延时去抖动。利用计数器产生k s t a r t ，k b a k ，k f o r 等虚 拟键值，用于滚屏及两个运行主画面切换的实现。k u p 、k d o w n 、k e n t e r 等键值分别由旋转鼠标的右旋、左旋及按键来产生。 在v f d 显示处理子程序中，对于每一个独立的画面都编写个子 函数。进入相应的子函数时，v f d 显示相应的画面，所有的显示都与 外界对旋转鼠标的操作或是虚拟键的产生具有关联。 1 5 一 太原理工大学硕士研究生学位论文 对于运行报告和故障报告，在内存的缓存区中采取队列的数据结 构进行缓存。当产生新报告时，在周期中断服务子程序中将报告内容 保存在队列中，同时修改队首指针，在主程序中每次都查询队尾指针 是否与队首指针指向相同的位置。如不相同则说明有新的报告入队尚 未存储。于是将新的报告存入e e p r o n 中，并修改队尾指针，退出报告 处理子程序。 串行通讯处理程序分为接收处理与发送处理两个部分。这两个部 分同样采用队列式的数据结构来设置数据缓存区。对于接收数据采用 中断方式，将其放置在接收缓存区中。接收处理程序和发送处理程序 都位于主程序中。发送数据时采用查询方式。 程序中设置一个软时钟，通过中断服务程序中的计数器的自加来 完成时钟计时功能。装置上电或复位时，软时钟要从硬时钟中读取当 前的时间完成对时功能。为保证软时钟的准确性，系统每隔一固定的 时间( 如l 小时) 要与硬时钟进行一次对时。每次用户修改硬时钟的 同时，也要将软时钟的时间同时修改。 5 周期中断服务程序结构设计 a d 采样采用查询方式，每次进入中断后，都首先查询是否有a d 送来的r e a d y 信号，如果有就进入采样子程序。否则继续执行下面的 程序。a d 采样的数据存放在采样数据缓存区中。设置一个采样数组的 指针，每次采样得到一个数据就将数据放置在当前指针所指的位置， 同时将指针加一，将指针指向下次存放数据的位置。当指针位置超 出数组范围时，将指针指向数组的第一个位置。中断部分程序流程详 见图2 6 。 一1 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 韧始化m c u 和w d 初始化全局变量 i开中断i 取键值并显示画面 0 处理通讯数据 j 蒋报告存八e e p r o m f 软硬时钟对时 r j 刷新显示煤量数据 图2 - 5主程序流程图 图2 - 6 中断部分流程图 f i g 2 - 5m a i np r o g r a mf l o w c h a r tf i g 2 - 6i a t e r r u p tp r o g r a mf l o w c h a r t 一1 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 第三章计量单元工作原理 3 1 计量单元控制原理 给煤机的称重机构采用多托辊式电子皮带秤，计量仪表有称重传 感器输入( 电阻应变电桥) 、速度传感器脉冲输入( 光电编码器) ；用 来计算煤流量。d c s 输出( 4 2 0 i i l a ) 控制变频器( 预先设置成远方 电流给定) ，实现对皮带转速的p i d 调节。详见3 1 计量单元工作原理 图。 4 2 0 r r a 瞬时量 控制器 称重传感器 d c s给煤机 l 路按键入 系统 累计量脉冲12 路报警出转速脉冲本体 lt l1 路2 盼 i 4 _ - 2 0 m a 指令 变频器 l 动力电源 图3 - 1 计量单元工作原理图 f i g 3 - 1w e i g h t s c a l eu n i tp r i n c i p l ec h a r t 3 2a d 7 7 1 9 介绍 目前国内外使用的a d 采样芯片一般都是线性转换，即输出直接 根据输入v i 的值而定，通常精度为8 位、l o 位或1 2 位。由于a d 转 一1 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 换的输出d o d i 为并行输出，需直接和系统数据总线相连，增加了总 线的负载。特别是当总线负载过重时，还需要额外增加总线驱动电路， 不仅给电路设计带来困难，而且还增大了体积和功耗。且当输入信号 v i 很小时，输出信号的有效精度降低，对某些幅值较小的信号难以识 别，普通的a d 芯片易受温度或其他信号干扰，某些器件的内部结构 参数不对称，将产生基线漂移，影响最后的分析结果。 国家电子秤标准要求称重数据与重物的绝对精度小于1 0 1 0 0 0 一 1 5 0 0 0 ，因此，经a d 转换后输出数据的有效位应在1 3 位以上。美国 a d 公司推出的由缓冲器和增益可编程放大器( p g a ) 、调节器、可编程 数字滤波器等组成的一系列a d 转换器能直接将传感器检测到的 微小信号进行a d 转换，它具有高分辨率、宽动态范围、自校准、优 良的抗噪声性能以及低电压低功耗等特点，适合于称重系统中微机信 号处理的需要。 新近推出的a d 7 7 1 9 是一种内置了数字滤波器的带信号调理电路 的2 4 位a d 转换器件，可应用于低频测量的2 通道的模拟前端。该器 件可以接受直接来自传感器的低电压输入信号，然后产生串行的数字 输出，利用一转换技术实现2 4 位无丢失代码性能。选定的输入信 号被送到一个基于模拟调制器的增益可编程专用前端，片内数字滤波 器处理调制器的输出信号，通过片内控制寄存器可调节滤波器的截止 点和输出更新率“”。图3 - 2 是a d 7 7 1 9 的内部模块图。 1 a d 7 7 1 9 特点 ( 1 )差分输入通道a d c ，具有2 4 位无丢失代码和极小非线形误差 ( 2 ) m c u 的接口为串行的三线接口模式； 一1 9 一 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 3 ) 可编程增益1 1 2 8 ，信号极性以及更新速率配置由工作寄存器 决定，通过对寄存器的操作可以选择工作方式： ( 4 )器件还包括自标定和系统校准功能，以消除器件本身或系统的 增益和编程误差； ( 5 ) 内带数字信号处理电路，由软件可编程进行设置。 图3 - 2a d 7 7 1 9 内部模块图 f i g 3 - 2f u n c t i o nb l o c kd i a g r a m 图3 - 3a d 7 7 l9 引脚图 一2 0 m 桨勰m 勰 怒熟笋黑ll|。ii赫警器ll融ll忠黼然量 e e 2 a d 7 7 1 9 主要管脚( 图3 - 3 ) ( 1 ) m c l ki n ：为转换器提供主时钟信号，能以晶体谐振器或外部 时钟的形式提供。 ( 2 ) m c l k o u t ：当主时钟为晶体谐振器时，晶体谐振器被接在m c l k i n 和m c l ko u t 之间；如果在m c l ki n 引脚处连接一个外部时 钟，m c l ko u t 将提供一个反向时钟信号。 ( 3 ) c s ：片选，低电平有效的逻辑输入。 ( 4 ) a 1 n 1 ( + ) a 1 n 2 ：主全差分模拟输入通道l 。 ( 5 ) a 1 n 3 ( 十) a 1 n 4 ：主全差分模拟输入通道2 。 ( 6 ) r d y ：逻辑输出。这个输出端上的逻辑低电平表示可从a d 7 7 1 9 的数字寄存器获取新的输出结果。 ( 7 ) d o u t ：串行数据输出端。 ( 8 ) d i n ：串行数据输入端。 ( 9 ) s c l k ：串行时钟，施密特逻辑输入。 3 模拟输入通道 主a d 转换器有四个模拟信号输入引脚( a i n l - a i n 4 ) ，通过设置 a d c o c o n 寄存器中的c h l 和c h o 位以及m o d e 寄存器中的c h c o n 位可以 将其配置为两个全差分输入通道或三个伪差分输入通道。 辅助a d 转换器有四个外部输入引脚( a i n 3 - a i n 6 ) 和一个内部的片 上温度传感器。通过设置a d c l c o n 寄存器中的a c h 2 、a c h l 、a c h o 位以 及m o d e 寄存器中的c h c o n 位可以提供不同的配置。 当主a d 转换器处于缓冲模式时，两个输入多路选择开关( m u x l 和 m u x 2 ) 可以将一个输入通道与片上缓冲放大器相连，在非缓冲模式下则 直接与调理器相连。切换输入通道后需要经过一段稳定时间才可以获 得有效的a d 采样数据。 一2 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 图3 4 提供了一种常用的通道配置方案。主a d 转换器具有两个 全差分输入通道( a i n l a i n 2 和a i n 3 a i n 4 ) ，辅助a d 转换器可以配置 为两个单端输入( a i n 3 a g n d 和a i n 4 a g n d ) ，和一个全差分输入 ( a i n 5 a i n 6 ) ，也可以配置为三个对地的单端输入，这时将a i n 6 与a g n d 外部直接相连。 圉3 - 4 模拟输入通道配置( c h c o n = 0 ) f i g 3 - 4i n p u tc h a n n e lc o n f i g u r a t i o nw i t hc h c o n 20 4 可编程的放大器增益 主a d 转换器中的缓冲器输出作为可编程增益放大器( p g a ) 的输入 信号。通过对a d c o c o n 寄存器编程，p g a 可以设定八种不同的单极性或 双极性范围。若外部电压为2 5 v ，则单极性范围为o m v - 2 0 m v ，o m v 一4 0 m v ， 一2 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 o m v 一8 0 m v ，o m v 一1 6 0 m y ，o m v 一3 2 0 m y ，o m v 一6 4 0 m v ，o v 一1 2 8 v ，o v 一2 5 6 v 双极性范围为2 0 m v ，4 0 m v ，8 0 m y ，1 6 0 m v ，3 2 0 m v ， 6 4 0 m v ，1 2 8 v ，2 5 6 v 。校准在某一范围完成后无需重复进行，这 是a d 7 7 1 9 区别与其他a d 转换器的一个重要特性。 5 双极性单极性配置 a d 7 7 1 9 可以接受单极性或双极性的模拟输入信号。双极性的输入 范围并不是以a g n d 为参考点的正负输入范围，无论单极性还是双极性 都是以a i n ( 一) 为参考点。例如，若a i n ( 一) 为2 5 v ，主a d c 模拟输入范 围为o m v 一2 0 m v ，则a i n ( + ) 的输入范围就是2 5 v 一2 5 2 v 。若a i n ( 一) 为 2 5 v ，而a d 7 7 1 9 的模拟输入范围为i 2 8 v ，则a i n ( + ) 的输入范围就是 1 2 2 v - 3 7 8 v 。双极性单极性可以通过a d c o c o n 和a d c l c o n 中的u b 位灵活选择。 6 输出数据编码 本装置采用单极性方式，当a d c 为单极性方式时，输出码与所加信 号幅值成线性关系，零值为0 0 0 0 0 0 ，中间值为1 0 0 0 0 0 ，满量程为 1 1 1 - - 1 1 1 。主通道a d c 输入信号与所得转换结果关系如下。 c o 如：a 1 n x g a i n x 2 u ( 3 一1 ) 1 0 2 4 x 其中：a i n 是模拟输入电压。 g a i n 是p g a 增益。 n 在1 6 b i t 模式下取1 6 ，2 4 b i t 模式下取2 4 。 辅助通道a d c 转换公式如下： 一，：ainxgain。2ncoae( 3 2 ) = 一 l 0 一 y r f 一2 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 g a i n 是p g a 增益，当输入电压范围为v r e f 时为l ，v r e f 2 时为2 。 n = 1 6 。 7 参考电压输入 a d 7 7 1 9 的主a d c 具有全差分参考电压输入，而辅a d c 只有单端参 考输入。在实际应用中，通常把传感器的激励源同时当作参考电压源， 这样可以有效消除噪声。也可以使用基准源，如a d 7 8 0 ，r e f 4 3 ，r e f l 9 2 。 a d 7 7 1 9 具有一个片上电路来检测主a d c 的参考电压是否有效。若 r e f i n l ( + ) 与r e f i n l ( 一) 引脚问的电压差低于0 3 v 或两引脚开路。则参 考电压无效。这时，状态寄存器中的n o x r e f 位置1 ，转换结果寄存器全 为1 。因此，当结果寄存器的内容全为1 时应访问n o x r e f 位以确定是 否有错误发生。在a d 7 7 1 9 的校准过程中若此位置l 则禁止访问校准寄 存器，状态寄存器中的e r r o 置1 ，用户在每次校准完成后都应当查询 e r r o 的状态。 8 校准 a d 7 7 1 9 可通过对m o d e 寄存器设置来选择四种校准模式。a d 7 7 1 9 经过出厂校准，上电时将校准结果写入校准寄存器中，通常情况下用 户无需再次进行校准。若环境发生显著变化则需对a d 7 7 1 9 重新校准。 a d 7 7 1 9 提供自校准和系统校准功能，对于自校准，a d c 输入引脚通过器 件内部自动与a g n d 和r e f 相连分别进行零位和满量程校准。对于系统 校准，是通过从外部将输入引脚接* a g n d 和r e f 进行校准，这样可以减 少外部引起的干扰。 9 寄存器介绍 一2 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 图3 - 5 片内寄存器 一2 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 1 ) 通讯寄存器( a 3 ，a 2 ，a 1 ，a 0 = 0 ，0 ，2 ，0 ) m s bl s b 表3 - 1 通讯寄存器 通讯寄存器为8 b i t 的只写寄存器。所有与a d 7 7 1 9 相关的操作都 要先对通讯寄存器进行写操作。通讯寄存器中的内容用来决定是对哪 个寄存器进行写或读操作。a d 7 7 1 9 上电或复位后处于等待状态，直至 通讯寄存器开始写操作。w e n 位是写使能位，r w 位为读写选择 位，a 3 一a o 代表不同的寄存器，如0 0 1 0 代表主a d c 控制寄存器。 ( 2 ) 状态寄存器( a 3 ，a 2 ，a l ，a 0 = 0 ，0 ，0 ，0 ) m s bl s b 表3 - 2 状态寄存器 状态寄存器是一个8 b i t 的只读寄存器。 r d y 0 置l 表示主a d c 数据寄存器中有新转换结果或校准周期的完 成。当转换结果被读出或刷新后该位自动清零。 c a l 置1 表示校准完成，若开始新的a d 转换或校准该位自动清零。 n o x r e f 置l 表示外部参考电压出错。同时转换结果寄存器所有 位钳制为l 。参考电压有效则该位为零。 e r r o 置1 表示主a d c 错误。主a o c 结果寄存器内容为全0 或全1 。 若在校准完成后该位为l 则表示校准出错。输入信号过低或过高以及 无