智能儀表的硬件設計

摘 要:設計了一種智能儀表，其硬件系統采用功能模塊化設計，主要由CPU處理模塊、A/D轉換模塊、信號調理模塊、人機接口模塊、數字量輸入輸出接口以及電源模塊。

關鍵詞:智能儀表模塊系統

中圖分類號:TM7文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)08(b)-0084-01

石化電廠燃運系統，構建一個完整的膠帶機保護系統。其實際是一種通用型膠帶輸送機智能診斷保護系統，它能對膠帶輸送機出現的打滑、斷帶、過載、柱銷斷等故障進行自動檢測，并發出聲、光報警信號。當出現故障時，能自動停止故障膠帶機并對前面的膠帶機連鎖停機。智能儀表是實現整個膠帶機監測保護系統的核心，雖然現在市場中有許多型號的電機保護監測裝置，但主要是功能不全，不能滿足廠方的要求，而且價格也很高，需要研發一種可以廣泛應用于各種工業現場的智能監測保護儀表。

1 智能儀表的CPU處理模塊

當傳感器將非電物理量電壓、電流、速度等轉換成模擬電壓信號，這一模擬信號經電路轉換、隔離后，需進行模數轉換才能經CPU處理進行顯示和控制輸出，以及經過串行通信模塊與上位機進行遠程通信。綜合考慮性能價格比等因素，智能儀表的CPU處理模塊選用TI公司的MSP430F149單片機。

MSP430系列單片機是美國德州儀器(TI)1996年開始推向市場的一種16位超低功耗的混合信號處理器(Mixed Signal Processor)。MSP430F149的電源電壓采用1.8～3.6V低電壓，RAM數據保持方式下耗電僅0.1μA;16位RISC結構，120ns指令周期;有豐富的外圍資源，具有12位200ksps的A/D轉換器，3個捕獲/比較寄存器的16位定時器Timer_A，Timer_B，兩通道串行通信接口可用于異步或同步(UART/SPI)模式，6個8位并行端口，且2個8位端口有中斷能力;有多達60kB FLASH ROM和2kB RAM，具有串行在線編程和保密熔絲的程序代碼保護功能，修改程序十分方便;中斷源較多，并且可以任意嵌套，實用靈活方便，當系統處于省電的備用狀態時，用中斷請求將它喚醒僅需6us;系統工作穩定，如果晶體振蕩器在用作CPU時鐘MCLK時發生故障，DCO會自動啟動，以保證系統工作正常;如果程序跑飛，可用看門狗將其復位。開發語言可以是匯編語言和C語言，編程非常方便。

2 智能儀表的A/D轉換模塊

利用傳感器把各種物理量測量出來，轉換為電信號，經過模數轉換(ADC)變成數字量，這樣模擬量才能被單片機處理和控制。ADC模塊的常用性能指標如下。

2.1 分辨率

分辨率表示輸出數字量變化一個相鄰數碼所需輸入模擬電壓的變化量，它定義為轉換器的滿刻度電壓與2n的比值，其中n為ADC的位數，因而分辨率與ADC的位數有關，例如一個8位ADC模塊的分辨率為滿刻度電壓的1/256。如果滿刻度輸入電壓為5V，該ADC模塊可分辨5/256即約20mV的電壓變化。而對于一個12位的ADC模塊，其分辨率則為滿刻度的1/2n即滿刻度的0.0245%。一個5V滿刻度的12位ADC模塊能夠分辨輸入電壓變化的最小值約為1.2mV，所以ADC模塊位數越多，數據采集精度就越高。

2.2 量化誤差量化誤差和分辨率是統一的，量化誤差是由于有限數字對模擬數值進行離散取值(量化)而引起的誤差

因此，量化誤差理論上為一個單位分辨率，即±1/2LSB。提高分辨率可以減少量化誤差。

2.3 轉換精度

ADC模塊的轉換精度反映了一個實際ADC模塊在量化上與一個理想ADC模塊進行模/數轉換的差值，可表示成絕對誤差或相對誤差，與一般測量儀表的定義相似。

2.4 轉換時間

指ADC模塊完成一次模擬數字轉換所需要的時間，轉換時間越短越能適應輸入信號的變化。轉換時間與ADC模塊的結構、位數有關。

MSP430F149片內ADC12模數轉換模塊能夠實現12位精度的模數轉換，具有高速和通用的特點，它由5大功能模塊組成，而且都可通過用戶軟件獨立配置。ADC12主要特點歸納如下:

12位轉換精度，1位非線性微分誤差，1位非線性積分誤差;

有多種時鐘源提供給ADC12模塊，而且模塊本身內置時鐘發生器;

內置溫度傳感器;

Timer_A/Timer_B硬件觸發器;

配置有8路外部通道與4路內部通道;

內置參考電源，并且參考電壓有6種組合;

模數轉換有4種模式;

16字轉換緩存;

ADC12可關斷內核支持超低功耗應用;

采樣速度快，最高可達200ksps;

自動掃描;

DMA功能。

保護系統傳感器層主要測量電機的電壓、電流、膠帶的速度等。其中電壓、電流傳感器傳送回來的信號是0～5V，由于MSP430F149片內ADC12模數轉換模塊采用的是2.5V的基準電壓，所以在進入AD采樣通道前都要做一次變換，所有的電壓信號都要將最大幅值限制在2.5V，再把信號接入到單片機的AD采樣通道。變換之后的信號再用LM324運放作一次驅動，這個環節除了能完成電平轉換功能之外，還由于其輸入阻抗高，輸出阻抗低的特點，既可以起到緩沖、減少干擾，又可以實現CPU與外部信號的隔離，提高帶負載能力的作用。

3 智能儀表的人機接口模塊

智能儀表的人機接口電路包括鍵盤和顯示兩個部分，為了節省I/O口線，設計的儀表采用矩陣式鍵盤，設計了兩根行線和四根列線，構成8個按鍵，可以對儀器運行參數進行設置和修改。顯示子系統主要由多組LED組成，進行顯示各種運行參數和狀態量。顯示部分采用帶選通功能的串轉并芯片4094作為顯示驅動器件，這樣10位數碼管顯示只占用單片機3根I/O線，大大提高了資源利用率。通過小鍵盤的設定可以輪流或固定顯示采集到的電壓、電流、速度等，具有設置電壓上下限、電流上下限、速度上下限、低速度報警持續時間、低電流持續時間報警輸出、高電流持續時間報警輸出、報警記錄查詢等45項功能。

4 智能儀表的數字量輸入輸出模塊

I/O子系統:主要由各種容量的輸出、輸入繼電器組成。負責執行CPU所發出的控制指令，并驅動對應的執行機構進行動作。也通過輸入繼電器，接受其它設備發出的控制信號。根據電機故障類型(過載、過流、欠流、堵轉、三相不平衡、斷相、過壓、欠壓、短路)，發出聲光報警信號并實現電機的連鎖保護控制，提醒操作人員處理;為儀表設計了6路DI和7路DO，如此豐富的開關量輸入輸出接口不僅能滿足在膠帶機組保護系統中的應用，在其它場合的應用中也可以滿足其要求，擴展功能十分強大。所有的輸入信號都要通過光耦隔離，起到保護單片機和抗干擾的作用，所有的輸出信號都由三極管驅動繼電器的線圈，控制繼電器的常開、常閉。