16通道開(kāi)關(guān)信號采集卡的研制

摘要： 給出以L(fǎng)PC2131 ARM單片機為核心的16通道開(kāi)關(guān)信號采集卡的硬、軟件設計。

關(guān)鍵詞： 開(kāi)關(guān)信號；采集卡；ARM

引言

在大型工業(yè)控制系統中，各級設備的啟動(dòng)、停止，都對整個(gè)系統的運行狀況有著(zhù)一定的影響，對這些裝置開(kāi)關(guān)量信號的采集、動(dòng)作時(shí)序的記錄也顯得尤為重要。所以，有必要設計一種開(kāi)關(guān)量信號采集卡，來(lái)對這些信號進(jìn)行采集，以對設備運行狀態(tài)、生產(chǎn)事故的檢測和分析、查詢(xún)提供依據。

本文介紹的16通道開(kāi)關(guān)信號采集卡采用飛利浦LPC2131 ARM單片機為核心，以0.5ms的采樣周期，可對16路開(kāi)關(guān)量輸入信號進(jìn)行采集，對開(kāi)關(guān)量的跳變波形及發(fā)生時(shí)間進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，并將數據上傳至上位機歷史數據庫，其分辨率為1ms。同時(shí)，可通過(guò)與上位機軟件的配合對歷史數據進(jìn)行全方位查詢(xún)，以分析系統運行情況。

測量卡件留有UART通訊接口，與控制器聯(lián)網(wǎng)，將采集的數據輸送到控制器處理后，再發(fā)送到工作站顯示狀態(tài)，并同時(shí)記錄事件發(fā)生的時(shí)間和狀態(tài)，將記錄的數據存入工作站歷史數據庫。

信號采集卡
采集卡在卡件主面板上以16通道LED燈指示通道信號狀態(tài)，同時(shí)在通道與通道之間，通道與底板之間實(shí)現隔離，并實(shí)現了與現場(chǎng)的電磁屏蔽。以保證測量到的信號不受干擾。采集卡模塊規格如表1所示。

同時(shí)，采集卡通過(guò)UART通訊接口，通訊物理層使用CAN的總線(xiàn)驅動(dòng)芯片TJA1040，與控制器聯(lián)網(wǎng)，將所采集的數據發(fā)送到控制器中。

采集卡硬件設計

16通道開(kāi)關(guān)量信號采集卡硬件電路由信號采集電路、單片機系統、通訊接口電路、外接引腳、人機接口五部分組成，其硬件電路結構示意圖如圖１所示。

圖1 開(kāi)關(guān)量測量卡件硬件結構圖

開(kāi)關(guān)量信號采集電路

開(kāi)關(guān)量信號采集電路是實(shí)現將現場(chǎng)的各路開(kāi)關(guān)量信號采集送入處理芯片內，實(shí)際設計中采用飛利浦LPC2131 ARM單片機。

信號采集電路的測量原理為：現場(chǎng)16路開(kāi)關(guān)量信號接入卡件測量端子，由于考慮到現場(chǎng)信號的波動(dòng)和干擾，為了保證系統穩定、可靠地運行，防止各類(lèi)現場(chǎng)及電源干擾對系統的影響，通道中采用了光電耦合器，將卡件內部與現場(chǎng)輸入信號進(jìn)行隔離，從而實(shí)現信號的準確測量。實(shí)際設計中，采用了PS2701光電耦合器，卡件測量通路的結構框圖如圖2所示。

圖2  開(kāi)關(guān)量信號采集電路

后來(lái)，由于考慮到信號反轉的簡(jiǎn)易性，將光電耦合器改為PS2705，實(shí)現了信號反轉亦可的功能，所以實(shí)際測量電路進(jìn)一步簡(jiǎn)化為圖3。

圖3  簡(jiǎn)化開(kāi)關(guān)量信號采集電路

經(jīng)過(guò)光電耦合器隔離轉化后的信號，通過(guò)雙向總線(xiàn)驅動(dòng)器與處理芯片的數據總線(xiàn)相連接，將數據送入處理芯片LPC2131中進(jìn)行處理。

單片機系統

處理芯片選用飛利浦LPC2131，它是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和嵌入式跟蹤的32位ARM7TDMI-STM CPU的微控制器，并帶有32kB的嵌入的高速Flash存儲器。128 位寬度的存儲器接口和獨特的加速結構使32位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運行。同時(shí)，LPC2131對代碼規模有嚴格控制，可使用16 位Thumb模式將代碼規模降低超過(guò)30%，而性能的損失卻很小。

LPC2131的較小的封裝和極低的功耗使其可理想地用于小型系統中，如訪(fǎng)問(wèn)控制和POS 機。寬范圍的串行通信接口和片內8kB 的SRAM 使LPC2131非常適用于通信網(wǎng)關(guān)、協(xié)議轉換器、軟modem、聲音辨別和低端成像，為它們提供巨大的緩沖區空間和強大的處理功能。多個(gè)32 位定時(shí)器、1個(gè)或2個(gè)10位8路ADC、10 位DAC、PWM 通道和47個(gè)GPIO以及多達9個(gè)邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷使其特別適用于工業(yè)控制系統。

單片機系統以L(fǎng)PC2131為核心，片內自帶８Ｋ閃速存儲器，因而無(wú)需擴展外部ROM；要實(shí)現對開(kāi)關(guān)量有關(guān)歷史數據的追憶，有關(guān)信息必須易存儲且不容易丟失，在系統失電后可以有效的保存數據。其測量的數據信息包括開(kāi)關(guān)量發(fā)生的年、月、日、時(shí)、分、秒、毫秒以及當時(shí)各路通道的開(kāi)關(guān)量狀態(tài)。

圖4單片機系統電路框圖

同時(shí)，由于在系統運行中各種干擾等因素的影響，往往會(huì )引起程序運行出現死循環(huán)后跑飛現象，系統中還采用了簡(jiǎn)單的硬件ＷＡＴＣＨＤＯＧ電路。

通訊接口電路

為了使測量卡件能夠有效的將采集到的數據發(fā)送給控制器，卡件設計了UART電路。通過(guò)串口，卡件可根據上位機的操作命令，完成有關(guān)的數據傳送、參數調整和時(shí)鐘校對等任務(wù)。

卡件采用TJA1090通訊芯片，它是專(zhuān)為串行通訊模式設計的，輸出端還接有穩壓管保護電路，接口電路如圖5所示。

圖5 通訊接口電路

卡件模塊規格及其外接電路引腳

卡件通過(guò)專(zhuān)用引腳與卡件底板相連接，以傳輸采集到的信號?？饨与娐芬_如圖6所示。

圖6外接電路引腳圖

人機接口

卡件采用串口通訊與控制器通訊，再將測量的信號上傳到上位機，由上位機的組態(tài)畫(huà)面顯示，人機界面友好，數據可用于系統組態(tài)、歷史數據查詢(xún)等操作，同時(shí)可以實(shí)現過(guò)程控制SOE查詢(xún)，通過(guò)與其配套使用的SOE軟件，可實(shí)現去除抖動(dòng)、削峰、削谷等功能，實(shí)現了SOE事故追憶和查詢(xún)，其精度可達到1ms級。

采集卡軟件設計

卡件軟件設計采用功能模塊結構。全部軟件包括主程序、中斷服務(wù)子程序等。其中主程序用來(lái)巡回檢測和執行上位機送來(lái)的命令。中斷服務(wù)子程序分為溢出中斷子程序和串行口中斷子程序，前者用于開(kāi)關(guān)量跳變信號的采集，后者用于接收上位機發(fā)來(lái)的數據。

主程序

卡件帶電后，進(jìn)入主程序。首先判斷卡件是否為上電復位，如果不是上電復位，則通過(guò)死機恢復處理后直接進(jìn)入巡回檢測階段；如果是上電復位，則先進(jìn)行卡件自檢及初始化，包括設置堆棧指針，清內存，設置時(shí)間常數等，然后允許中斷，進(jìn)入正常的巡回處理程序，可以實(shí)現參數設置，開(kāi)關(guān)量跳變時(shí)間、狀態(tài)采集等功能。如果在主程序中檢測到程序中定義的接收數據標志位置位，表明單片機已接收到上位機發(fā)出的數據，接收數據過(guò)程由串行口中斷子程序來(lái)完成。根據上位機的數據，測量卡件作出相應的響應，或回送數據，或參數設置。

中斷服務(wù)子程序

信號采集服務(wù)子程序主要完成發(fā)生動(dòng)作的開(kāi)關(guān)量信號的采集，由溢出中斷來(lái)實(shí)現，每0.5ms中斷一次。

通訊服務(wù)子程序主要指的是對上位機數據的接收子程序，由串行口中斷來(lái)實(shí)現。而發(fā)送回上位機的數據大多為開(kāi)關(guān)量記錄信息，數據量較大，主要在主程序中完成。同時(shí)，可以設置通訊時(shí)波特率的大小，此項在卡件參數設置中可實(shí)現。

結語(yǔ)

目前該卡件已在江蘇省南通天生港電廠(chǎng)＃10、＃11機組脫硫監控系統中投入使用。各項性能指標皆達到原設計要求，運行可靠，狀況良好，可廣泛適用于化工、冶金、電力等行業(yè)工業(yè)過(guò)程中實(shí)現開(kāi)關(guān)量的采集，事故追憶等功能。

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