單片機在燃氣變頻輸配與流量計量中的應用

在燃氣的變頻輸配與計量方面，以普通單板機／單片機組成的大流量范圍的燃氣計量?jì)x表和工控機實(shí)現的一器多控自動(dòng)變頻調速輸配系統廣為應用，有力地提高了計量精度并節約了大量的能源。但是用“單板機／單片機+外圍器件”計量燃氣，系統復雜，穩定性差；用工控機變頻輸配燃氣，造成資源浪費。從提高系統穩定可靠性、簡(jiǎn)化硬軟件設計、降低產(chǎn)品成本等角度出發(fā)，結合現代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，非常需要一種構成系統簡(jiǎn)單、靈活易用的器件，去改造上述兩個(gè)體系，并盡可能把它們合二為一。選用Cypress公司新近推出的一系列PSoC單片機進(jìn)行上述技術(shù)改進(jìn)，不僅可以很好達到預期目的，并且還可以有效提高系統測控的實(shí)時(shí)性能。

1 PSoC單片機及其特點(diǎn)

PSoC即Programmable System On Chip。Cypress公司的PSoC系列單片機CY8C25xxx／26xxx，片內有一個(gè)高速內核、Flash快速閃存和SRAM數據內存，以及設計者可配置的模擬模塊和數字模塊：

(1)CPU內核，8位哈佛結構，速度可達24MHz；且含一乘加器MAC，能執行帶符號8x8乘法和32位加法運算；

(2)4～16KB片內Flash閃存及256B SRAM，可通過(guò)串口在系統編程(1SSP)Flash閃存，Flash具有可加密保護功能；

(3)12個(gè)PSoC模擬模塊可靈活配置成6～13位A／D轉換器、可編程增益放大器(PGA)、采樣保持功能、可編程濾波器、差分比較器、溫度傳感器等； PSoC系列單片機將傳統的單片機系統集成在一顆芯片里，用戶(hù)模擬和數字陣列的可配置性是其最大特點(diǎn)。

(4)8個(gè)數字模塊可靈活配置成定時(shí)／計數器、脈寬調制器(PWM)、循環(huán)冗余校驗塊(CRC)、串行通信塊(UARTS或SPI)及復雜的時(shí)鐘源等；

(5)4～44個(gè)通用I／O口，可編程為上／下拉輸出、集電極開(kāi)路輸出、強輸出，可用作邊沿／電平觸發(fā)的中斷輸入或Smith觸發(fā)器TTL輸入；

(6)專(zhuān)用的中斷控制器，2級中斷優(yōu)先級，中斷源：通用I／O、電源監控單元、Sleep定時(shí)器、8個(gè)PSoC數字模塊和4個(gè)模擬列；

(7)24／48MHz的片內主振蕩器和32．768kHz片內低速振蕩器；WatchDog／Sleep定時(shí)器、可編程的電源電壓檢測器、采樣抽取器、片內電壓參考源等專(zhuān)用外設；可選用的模塊端口(E2PROM、LCD、I2C等)；

(8)全靜態(tài)CMOS工藝，3～5．5V DC工作電壓，專(zhuān)用的開(kāi)關(guān)式電壓泵，可使工作電壓降到1V，真正的高速低壓性能；

(9)配套的低廉開(kāi)發(fā)工具：在線(xiàn)仿真器、評估板和集成開(kāi)發(fā)環(huán)境PSoC Designer，其PSoC Designer內嵌匯編器、C編譯器、器件資源配置器和調試器。

2 變頻輸配與大流量范圍計量的機理

2．1 一器多控變頻燃氣輸配的機理

燃氣輸配主要是維持氣源端的壓力。壓力不足時(shí)，逐步加開(kāi)輸配機組，升高壓力到設定值；反之，壓力過(guò)高時(shí)，逐步減停機組，降低壓力到設定值。由于大功率交流電機反復啟停的巨大耗能和器件沖擊，所以引入了變頻調速器。為進(jìn)一步降低成本，通常采用一臺變頻器控制多臺交流電機，即所謂的“一器多控”，其機理如下：加壓時(shí)，變頻啟動(dòng)并加速一臺電機，達到最大速度時(shí)，壓力仍沒(méi)有增上來(lái)，則把這臺電機轉為工頻運行，轉而對下一臺電機

做變頻啟動(dòng)并加速，如此逐步變頻啟動(dòng)加速并做工頻切換，直到把壓力提上來(lái)；反之，減壓時(shí)，則逐步做變頻切換并變頻減速停機，直到把壓力降到要求值。

2．2 大流量范圍燃氣計量的機理

孔板式差壓流量計在不變節流件開(kāi)孔直徑下擴展量程比，主要是采用增設差壓量程切換單元的方法：在流量小、差壓低時(shí)，使用小差壓量程檢測計算；反之，使用大差壓量程檢測計算。檢測計量流程如圖1所示。圖1中參數T、P、△P、d、D、K、Z、η、β、ρ、ε、α0、rRe、M分別表示溫度、壓力、差壓、孔板開(kāi)口直徑、計量管段直徑、介質(zhì)等熵指數、氣體壓縮系數、介質(zhì)粘度、d／D、密度、流速系數、流出系數、管道雷諾數、流量。

3 PSoC單片機測控系統的構建

3．1 整體方案的設計

整體設計方案如圖2所示，說(shuō)明如下：

(1)數據采集，采用1～5V的三通道11位A／D轉換器，擬定采樣率7．8ksps；壓力作頻繁采樣，以增強變頻輸配控制的實(shí)時(shí)性；差壓與溫度只在計量計算需要時(shí)采樣；

(2)輸出通道，采用一8位D／A轉換器控制變頻器，若干工／變頻切換控制信號，一手動(dòng)／自動(dòng)變頻切換控制信號，D／A輸出為0～5V DC信號，切換控制信號具有驅動(dòng)能力；

(3)人機接口，使用日立HD44780LCD點(diǎn)陣模塊顯示狀態(tài)參數、報警種類(lèi)及鍵盤(pán)操作等，使用一個(gè)6位A／D轉換器作鍵盤(pán)輸入識別以減少對I／O口的占用；

(4)存儲關(guān)鍵性數據，采用串行E2PROM；外界通信采用異步串行接口UART,并以此實(shí)現在系統串行編程ISSP；

(5)使用乘加器加速CPU速度；使用看門(mén)狗保證程序正常運行；使用實(shí)時(shí)時(shí)鐘記錄流量或故障統計的時(shí)刻；使用定時(shí)器產(chǎn)生所需工／變頻切換時(shí)間和流量累計時(shí)間；使用OSC振蕩器產(chǎn)生系統時(shí)鐘等。

上述方案，選用Cypress PSoC系列單片機，圖2中虛線(xiàn)部分均可由一片單片機實(shí)現，這里選用CY8C26443(28Pin Dual inline)；否則，采用普通單板機／單片機，則各個(gè)模塊均要設法構造，還要考慮把它們設計連成一體。

3．2 鍵盤(pán)輸入電路的設計

鍵盤(pán)輸入，通過(guò)一I／O口，由一6位A／D轉換器識別。這里選用8個(gè)按鍵，用以實(shí)現參數輸入、時(shí)間核對、記錄查詢(xún)、通信等功能，電路如圖3所示。圖3所示各個(gè)電阻值，據A／D轉換特點(diǎn)和常用電阻規格系列確定。