基于MSP430及PROFIBUS的監測子站設計

　　引 言

　　在電力、鋼鐵、石油、化工等行業(yè)中，有著(zhù)大量的減速機、風(fēng)機、泵站等機械設備，些設備如果在帶病狀態(tài)下工作，會(huì )大大縮減其使用壽命，影響生產(chǎn)，給企業(yè)帶來(lái)經(jīng)濟損失。傳統上依靠工作員耳聽(tīng)、手摸的方法發(fā)現存在的隱患，受現場(chǎng)環(huán)境和診斷者經(jīng)驗的制約，常常會(huì )出現漏診、誤診的現象。同一臺設備的兩次檢查時(shí)間間隔較，也不利于異常情況的及時(shí)發(fā)現。因此，工廠(chǎng)的在線(xiàn)監測就顯得十分重要。

　　減速機常見(jiàn)的驅動(dòng)設備之一，其工作是否異常的重要參數是：振動(dòng)情況、軸承溫度、輸出軸轉速、電機電流、電壓等。通過(guò)振動(dòng)信號，可以知道齒輪嚙合、動(dòng)平衡是否正常；通過(guò)軸承溫度，可以知道軸承的間隙、潤滑是否良好；通過(guò)輸出軸的轉速和電機電流，可以知道是否過(guò)載。子站的主要功能是監測、處理，數據上傳，超限報警。

　　1.  總體結構

 
　　分布式監控系統一般是在監控中心布置主站，在各個(gè)監控點(diǎn)布置子站，通過(guò)總線(xiàn)結構將主站和子站連接起來(lái)（圖 1）。子站將各個(gè)傳感器的信息采集處理后，將一部分重要數據顯示在子站的顯示設備上，同時(shí)將所有數據通過(guò)總線(xiàn)上傳給主站，主站將各個(gè)子站上傳的信息分析處理后顯示給運行監控人員，實(shí)現了對大范圍運行設備的在線(xiàn)監測。

　　                             圖1 網(wǎng)絡(luò )結構

　　系統采用德州儀器的MSP430F149作為控制器，通過(guò)SIMENS公司的SPC3芯片實(shí)現與PROFIBUS-DP總線(xiàn)連接。選用標準4～20mA電流信號輸出的振動(dòng)傳感器，電機的電流、電壓通過(guò)轉換實(shí)現0～3V輸出。在軸承位置安裝DS18B20溫度傳感器，實(shí)現對軸溫的監控（減速機工作的正常溫度為50～60℃，一般滾動(dòng)軸承工作不能超過(guò)95℃）。輸出軸上安裝脈沖輸出的轉速傳感器。MSP430F149 將以上運行信號采集處理后，通過(guò)LCD顯示，同時(shí)上傳到總線(xiàn)，向主站報告該子站的運行狀況。

　　2.  相關(guān)介紹

　　2．1  MSP430F149微控制器

　　MSP430F149是TI公司生產(chǎn)的一種超低功耗、混合信號16位控制器，工作電壓1.8~3.6V。該單片機具有豐富的外圍功能，內部集成多通道12位A/D轉換器、硬件乘法器、60KB的Flash和2KB的RAM，運行環(huán)境溫度范圍為-40℃～+85℃,可以適應各種惡劣的環(huán)境，非常適合作為現場(chǎng)監測的終端控制器。

　　2．2  PROFIBUS-DP現場(chǎng)總線(xiàn)

　　PROFIBUS是一種不依賴(lài)生產(chǎn)廠(chǎng)家的、開(kāi)放式的現場(chǎng)總線(xiàn)，是目前際上通用的現場(chǎng)總線(xiàn)標準之一，以其獨特的技術(shù)特點(diǎn)、嚴格的認證規范、開(kāi)放的標準、眾多廠(chǎng)商的支持和不斷發(fā)展的應用行規，已被納入現場(chǎng)總線(xiàn)的國際標準IEC61158和歐洲標準EN50170,并于2001年被定為我國的國標JB/T10308.3-2001。PROFIBUS-DP（Decentralized Periphery，分布式外圍設備）主要用于自動(dòng)化系統中單元級控制系統與分散式通信，使用第1層、第2層和用戶(hù)接口層，其余3～7層未使用，這種精簡(jiǎn)的結構確保了高速數據傳輸。

　　2．3  SPC3協(xié)議專(zhuān)用芯片

　　PROFIBUS-DP物理層是RS-485，但通信協(xié)議比較復雜。SPC3是SIEMENS公司的專(zhuān)用協(xié)議芯片，使用該芯片后可以將復雜的協(xié)議撇開(kāi)。SPC3集成了DP協(xié)議中的FDL層，因為SPC3集成了完整的DP總線(xiàn)協(xié)議，所以在與主站通信時(shí)，單片機使用SPC3芯片就像操作內部RAM，使從站控制器的編程工作量大為減輕。SPC3保障報文的有效性，可滿(mǎn)足整個(gè)報文的一致性數據交換?？偩€(xiàn)接口是個(gè)可參數化的同步/異步8位接口，內部集成了1.5K的雙口RAM，整個(gè)RAM采用8字節的段結構方式，所有需要分配地址的BUF指針，必須指向段的開(kāi)頭。DP通信的服務(wù)存取點(diǎn)由SPC3自動(dòng)建立，各種報文信息呈現在用戶(hù)面前的是不同BUF的內部數據。

　　3.  系統硬件設計

　　系統的硬件主要由鍵盤(pán)、顯示模塊、通信模塊、系統測量模塊組成（圖2）。采用3×3行列掃描鍵盤(pán)可以大大節省I/O口的占用。128×64點(diǎn)陣圖形LCD可以顯示大量信息。為了保存一些設定的參數和運行數據，選用Microchip公司生產(chǎn)的串行存儲器芯片24LC02B，它采用I2C總線(xiàn)接口，以256個(gè)字節為單位組成一塊，頁(yè)寫(xiě)緩沖區高達8個(gè)字節，1百萬(wàn)次擦寫(xiě)。通信模塊由SPC3芯片及外圍電路組成，由于SPC3采用的是5V供電，而MSP430F149采用3.3V供電，在硬件設計中要考慮3.3V邏輯系統和5V邏輯系統共存，器件對加到輸入腳或輸出腳的電壓通常是有限的，這些引腳由二極管或分離元件接到Vcc，為了避免元器件的損壞和數據的丟失，采用專(zhuān)用的電平轉換器SN74LVCC4245A芯片，它是一個(gè)8bit寬度的雙向I/O電平轉換器，BUS B為3.3V數據，BUS A為5V數據連接SPC3芯片，其中DIR決定數據方向。SPC3中斷信號X/INT通過(guò)電平轉換后送入P1.6，為單片機提拱通信中斷信號。為了提高通信的抗干擾性，SPC3的內部電路必須與物理接口在電器上隔離，采用高速光耦HCPL7101和SN75ASL176D收發(fā)器保障了PROFIBUS總線(xiàn)通信的高可靠性。

　　軸溫測量采用美國DALLAS公司生產(chǎn)的單總線(xiàn)數字式溫度測量芯片的DS18B20，工作電壓3.0V~5.5V，測溫范圍為-55℃~+125℃，具有總線(xiàn)結構，通過(guò)P2.0就可以實(shí)現對8個(gè)溫度傳感器信號的采集。

　　                                                      圖2  系統接口電路圖

　　4.  系統軟件設計

　　系統上電后，首先要對SPC3和LCD進(jìn)行初始化，配置寄存器。主程序
中根據中斷請求分別調用信號采集、鍵盤(pán)顯示和通信程序。

　　4．1 狀態(tài)信號采集

　　信號采集程序的調用是由定時(shí)器中斷產(chǎn)生的，由于監測系統不參與實(shí)時(shí)控制，同時(shí)為了避免總線(xiàn)上大量數據的傳輸，每2秒產(chǎn)生一次中斷，執行信號采集。狀態(tài)信號經(jīng)過(guò)外部電路轉換后，進(jìn)入MSP430單片機時(shí)都為模擬電壓信號，在程序上主要是A/D轉換和濾波。對于溫度傳感器，由于是采用總線(xiàn)連接，對應不同的地址，調用8次讀溫度子程序，刷新溫度緩存器中的數值，等待顯示程序和通信程序的調用。轉速測量采用定時(shí)器及中斷計數的方法。

　　4．2   鍵盤(pán)顯示

　　鍵盤(pán)采用行列掃描方式，當有按鍵動(dòng)作時(shí)，產(chǎn)生中斷信號，執行參數設定、顯示、翻頁(yè)等程序。LCD顯示模塊內部含有字庫，因此不需要進(jìn)行字模的編寫(xiě)。初始化完成后，定時(shí)向顯示緩存區送出要刷新的數據。

　　4．3  通信接口

　　通信接口軟件在系統中較為重要，包括三部分：SPC3初始化、輸入處理和輸出處理。SPC3上電后首先要進(jìn)行一次初始化，設定SPC3寄存器變量名稱(chēng)、硬件模式、地址及標識號、各個(gè)BUF地址及長(cháng)度、取得BUF指針。當SPC3產(chǎn)生信號給P1.6時(shí)，CPU產(chǎn)生中斷，執行輸入處理程序，獲得總線(xiàn)上的指令和數據。子站在執行狀態(tài)信號采集后，執行一次數據輸出處理，向總線(xiàn)發(fā)送該子站的狀態(tài)參數。

　　4．4   GSD文件

　　編寫(xiě)標準的GSD文件后，該子站就可以作為標準PROFIBUS設備使用，為各種不同的廠(chǎng)家所識別（系統主站為SIEMENS PLC-300）。GSD文件包括廠(chǎng)商和設備名稱(chēng)、軟硬件版本號、波特率、監控時(shí)間間隔和從站設備通道數量、類(lèi)型等等。

　　5. 結束語(yǔ)

　　基于MSP430F149及PROFIBUS-DP總線(xiàn)的減速機在線(xiàn)監測系統，具有測量參數多、精度高，顯示靈活，傳輸距離遠，抗干擾能力強等優(yōu)點(diǎn)。在同等監測標準下，成本遠低于其它監測系統。本文以減速機為實(shí)例，闡述了具有總線(xiàn)結構的分布式狀態(tài)監測子站的構建，在電力、石油、化工等領(lǐng)域中具有推廣價(jià)值。

　　本文作者創(chuàng )新觀(guān)點(diǎn)：提出了一種新的工廠(chǎng)在線(xiàn)監測手段，將MSP430和PROFIBUS-DP總線(xiàn)技術(shù)結合在了一起，具有標準的總線(xiàn)接口，通用性很強，適用于遠距離高速傳輸。系統使用時(shí)方便、簡(jiǎn)單，可以直接在LCD上顯示數據和信息，在遠程監測中有著(zhù)廣闊的應用空間。

　　【參考文獻】

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　　4.   胡大可,MSP430系列單片機接口技術(shù)及系統設計實(shí)例[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2002

　　5.   秦龍,MSP430單片機C語(yǔ)言應用程序設計 [M],北京:電子工業(yè)出版社,2006