嵌入式遠程I/O數據采集器的設計與實現

茅大鈞 鄭陸君

(上海電力學院1，上海 200090;上海微程電氣設備有限公司2，上海 200090)

0 引言

隨著微電子技術及計算機技術的飛速發展，為降低集散控制系統(DCS)的成本、提高計算機監控系統的性能，電力生產企業將工業生產過程中作為監測的溫度、壓力、流量等熱工參數由分布式遠程I/O數據采集系統測量處理。該系統集A/D轉換技術和數字網絡通信技術于一體，將傳統DCS的數據測量與處理功能設置在被測設備附近，解決了傳統測量中各種傳感器模擬信號從工業現場通過電纜線長距離接到控制室的傳輸過程中受到動力設備干擾的影響，并減少了信號電纜鋪設一次投資以及后續電纜老化維護帶來的困難。本設計就是針對電力生產企業這種需求而實現的一種遠程智能I/O數據采集器，并作為火力發電站DCS配套使用的一個組成部分。

1 硬件設計

遠程I/O硬件采用多微處理器模塊化結構，其硬件配置如圖1所示。

圖1 遠程I/O數據采集器的硬件框圖Fig.1 Hardware of the remote I/O data collector

圖1中，主CPU采用基于32位ARM7TDMI-S內核、內部嵌入128 kB高速Flash存儲器和16 kB靜態RAM的LPC2134嵌入式ARM微處理器。微處理器帶有2個UART接口、2個I2C串行接口、2個SPI串行接口、47個GPIO和2個32位定時器等功能接口。外圍電路由按鍵接口電路、LCD顯示模塊、數據存儲電路、DNet通信接口電路和MCad數據轉換模塊等組成。設置按鍵接口電路的功能是為了配合人機交互接口LCD顯示模塊，便于用戶現場調試、修改系統參數及顯示測量數據。數據存儲電路采用Ramtron公司FRAM鐵電技術的隨機存儲器FM24CL64和Intersil公司內部集成的看門狗電路E2PROM存儲器X5043。FM24CL64具有高速存儲數據的特性，用于存儲系統狀態信息、系統冷熱啟動校驗的RAM數據、I/O測量數據及主CPU與MCad模塊要交換的數據。X5043存儲器功能是作為主CPU的看門狗復位電路及保存系統組態參數。DNet通信接口模塊的主要功能是把測量的數據傳送到DCS系統，接口電路可根據用戶需要配置成RS-485電路或以太網接口電路。MCad數據轉換模塊的功能是通過高精度16位∑-ΔADC模/數轉換器把現場信號數字化處理后傳給LPC2134主微處理器，中間用光耦隔離，使主系統與數據轉換模塊電氣隔離。

對現場的信號測量由MCad數據轉換模塊完成，每個MCad模塊有8個測量通道，模/數轉換器采用高精度的16位∑-ΔADC AD7715。由于MCad模塊工作任務簡單，所以微控制器采用51系列MCU。系統主微處理器LPC2134每隔200 ms向MCad模塊請求測量數據，MCad模塊接收到命令后把測量好的數據通過I2C總線寫入隨機存儲器FM24CL64;隨后主微處理器LPC2134從FM24CL64讀取數據，并對數據作進一步處理后，送至LCD顯示和DNet通信接口模塊。由于采集器有3個MCad模塊，所以對每個模塊的測量數據讀取采用“握手”信號方式進行。該方式先由主微處理器LPC2134向要交換數據的MCad模塊的MCU發出中斷請求，MCU接收到請求后把數據寫入隨機存儲器FM24CL64;然后向主微處理器LPC2134發出數據已寫好的響應中斷，LPC2134收到后讀取數據。

DNet通信接口模塊采用雙網冗余方式，接口可以靈活組合成兩路RS-485總線接口、兩路以太網接口或一路RS-485、一路以太網接口這3種方式。DNet通信接口和主微處理器LPC2134交換數據采用UART串行口。DNet通信接口模塊根據預設定的通信協議接收到DCS的數據請求命令后把數據送入DCS系統。

2 軟件設計

軟件采用C語言模塊化編程結構，程序主要包括測量信號A/D采樣程序、A/D測量數據處理程序和通信程序(Modbus RTU、TCP協議)等。

2.1 數據轉換模塊的開發

MCad數據轉換模塊的主要任務是完成對現場信號的A/D采樣及數據處理，并把處理好的數據送給主微處理器LPC2134。A/D采樣用的模/數轉換器采用ADI公司的16位AD7715芯片，MCU通過AD7715的SPI接口完成對該芯片內部寄存器的讀寫操作。

2.1.1 A/D 采樣子程序

A/D轉換程序主要調用2個函數實現，即對AD7715模/數轉換器的讀16位的采樣碼子程序和寫寄存器命令字子程序。函數讀AD7715的轉換結果的子程序為 void AD_Read(INT8U*ADBufPtr);寫AD7715工作方式命令子程序為void AD_Write(INT8U ADCmd)，實現程序流程圖如圖2所示。

圖2 程序流程圖Fig.2 Program flowchart

2.1.2 A/D 測量處理程序

在工業上，采用熱電阻和熱電偶測量溫度比較普遍。采集器用熱電阻測量溫度的方法，即雙恒流源方式測得電阻值，再用查表法得到對應的溫度值。程序中用到的測量原理如下。

測量出已知350 Ω的高精密電阻的電壓值V1為：

測量出未知電阻值的熱電阻二端電壓值V2為：

則由式(1)和(2)可以得到被測熱電阻值，即：

在實際程序實現時，把式(3)中的V1、V2換成采樣碼即可。這樣測出熱電阻阻值后，再查阻值－溫度對照表就可以得到溫度測量值。因此，阻值－溫度對照表的編制是程序實現的關鍵部分，其既要滿足工業測量0.1級高精度的要求，又要使程序能快速查表。MCad數據轉換模塊采用64段查表法編制分度號對照表，表1為根據熱電阻Pt100分度號編制的對照表的部分數據(以每隔5.47 Ω電阻值對應溫度值)。

表1 熱電阻Pt100分度號對照表Tab.1 RTD Pt100 indexing table

在程序編程實現時，為了節省MCU的存儲空間和提高查表速度，表格采用把溫度值放大10倍的取整方法存儲在MCU的程序段，即溫度值用表1第三列所示值存儲在MCU的程序段。

由于程序表格索引隱含為電阻值的5.47的整倍數，因此，程序中查表不用比較表格中的具體數值，只要把計算得到的電阻值換算成5.47的整倍數作為存儲單元的索引號即可。這種查表方法簡單、快速、實用。如A/D轉換計算得到的熱電阻阻值為138.51 Ω，則138.51/5.468=25.33(上文中 5.47 由 5.468 取二位小數得到，計算中用5.468)，取整得到25，查表得到T[25]=953，T[26]=1 097，則根據公式：T=T[N]+(Xn－N) ×(T[N+1]－T[N])，其中T[N]表示索引號為N的表格單元值，得到T=T[25]+(25.33－25)×(T[26]－ T[25])=953+0.33 × (1 097 － 953)=1 000.52，取整得到溫度值1 000。由于表格編制時值放大了10倍，所以實際溫度測量值應為100.0℃。

2.2 DNet通信模塊的開發

為了方便采集器通信接口硬件擴展，滿足不同用戶需求，通信接口采用模塊化結構。DNet通信模塊和主微處理器LPC2134內部交換數據采用UART口，與DCS通信可采用RS-485總線接口或工業以太網總線接口，也可根據需要擴展成CAN總線接口和Profibus-DP現場總線接口等。

DNet通信模塊和主微處理器LPC2134內部交換數據幀結構如表2所示。

每幀數據為56 B，以設備地址號開始，固定值0x16結束，UART口波特率固定為115.2 kbit/s、1位起始位、8位數據位、無校驗位、1位停止位數據通信方式。DNet通信模塊用115.2 kbit/s的波特率和主微處理器交換數據，56 B的數據只要用5 ms左右就可以完成一次通信。DNet通信模塊采用每隔250 ms召喚的方式向主微處理器請求測量數據。主微處理器最慢在30 ms內作出響應，這樣實際一次通信時間最長在35 ms左右。

表2 交換數據幀結構Tab.2 Structure of the data frame for data exchange

DNet通信模塊和DCS的通信協議主要采用Modbus RTU、TCP協議。

由于采集器主要作為DCS的數據采集前端，因此，DNet通信模塊實現的Modbus RTU、TCP協議通信程序主要為從機程序。Modbus RTU協議通信時，從機接收到的正確消息幀長度LEN為8 B(1 B的設備地址號、1 B的功能碼、2 B的寄存器起始地址、2 B的寄存器數量、2 B的CRC檢驗碼)，一般從機消息接收在中斷服務程序中實現。

DNet通信模塊數據發送由DataSend()函數實現，函數主要功能為把收到的消息幀前6 B用CRC-16程序校驗方法計算;將得到的實際CRC校驗碼，再與收到的消息幀最后2 B的CRC校驗碼比較，若相同，發送應答幀;若不同，則發送錯誤應答幀。

3 應用實例

本采集器作為數據采集前端應用于某火電廠，其系統示意圖如圖3所示。

圖3 遠程I/O數據采集器應用示意圖Fig.3 Example of application of remote I/O data collector

由圖3可以看出，數據采集系統使用24臺遠程I/O數據采集器，采集器采用掛壁式就地安裝在被測設備附近。采集器的以太網通信接口使用RJ45接口通過雙絞線連到交換機上，交換機經光纖轉換器通過光纜連到DCS系統，通信接口采用雙網冗余方式。通信協議采用Modbus TCP，遠程I/O數據采集器IP地址分別設為192.168.0.201 ～192.168.0.224，服務端口號都設為502。

這樣就實現了遠程I/O通過工業以太網把測量數據送到DCS系統的目的，由DCS系統做統一處理后，可作為設備參數監控的依據。

4 結束語

本文介紹了一種基于ARM的嵌入式多微處理器結構的遠程I/O數據采集器，闡述了適用于DCS系統的遠程I/O數據A/D轉換模塊MCad、DNet數據通信模塊與DCS系統通信接口電路的設計與實現。由本方案設計實現的遠程I/O數據采集器已實現產業化，目前已在國內外近百臺300 MW、600 MW、1 000 MW大型火電機組中運用，達到了現場抗干擾能力強、運行穩定可靠、安裝使用方便和經濟實用等設計要求，是代表當今測量技術發展趨勢的新型智能儀表。

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