一種具有網絡功能的多路數據采集器的實現

江蘇自動化研究所 孫日明 李 臣 彭益智

0 引言

相對于電壓量，電流量的抗干擾能力及遠距離傳輸能力均具有明顯優勢[1]。當今，工業用儀器儀表及傳感器通常采用4-20mA電流量作為其輸出[2]。隨著工業技術的發展，自動化儀表及傳感器的使用越來越普遍。電流量點對點的傳輸方式要求每個儀器儀表或傳感器都有一組傳輸線，大量的傳輸線造成施工及維護困難的缺點已經成為自動化儀表及傳感器大量使用的桎梏。隨著以太網在工業技術中應用的普及，其部署靈活、傳輸迅速及可數字化的優點越來越明顯。本文實現了一種具有網絡功能的多路數據采集器，該設計能夠在不對現場儀表及傳感器進行改造的情況下，實現數據的網絡傳輸。

1 控制器硬件設計

本系統主要由核心處理電路、串口轉網絡電路、AD擴展及電流-電壓轉換電路組成。本控制器采用德州儀器的MSP430FR2533作為微處理器，采用UART轉網絡模塊USR-TCP232-T2實現串口信號轉網絡的功能。本控制器具有16路電流量采集1路網絡接口。其系統組成如圖1所示。

圖1 控制器的組成

1.1 控制器核心電路

德州儀器生產的超低功耗處理器MSP430FR2533具有[3]15KB可編程FRAM及2KB RAM及最高16MHz的主頻，能夠滿足本系統計算能力的要求。在本控制器中由MSP430FR2533及E2PROM AT24C02構成了核心控制電路，其中E2PROM AT24C02用于存儲系統配置信息。核心電路如圖2所示。

圖2 控制器核心電路

1.2 電流量采集電路

由于對系統功耗要求比較高，因此本系統采用MSP430FR2533作為核心處理器。但是，MSP430FR2533只有8路ADC，而本系統需要使用16路ADC，因此MSP430FR2533不能滿足本系統的要求。因此本系統采用2片德州儀器的8通道數字控制模擬開關CD4051來擴展ADC通道的數量，該芯片可以通過3位地址線控制從8路模擬輸入選擇1路作為輸出。工作時，通過核心處理器發出模擬通道選擇指令，對輸入的模擬量依次采樣。CD4051電路如圖3所示。

圖3 CD4051模擬開關電路

由于ADC是用來對電壓量采樣的，而本系統輸入信號為電流量。因此，本系統設計了信號調理及轉換電路將輸入的電流信號轉換成電壓信號。使用的電流-電壓轉換電路如圖4所示。

圖4 電流-電壓轉換電路

本電路采用德州儀器的TLV3704為核心放大器。該芯片具有低功耗、寬溫度及高精度等特點。其中，U8A為電流轉換電路，通過電阻R13對電流量進行采樣，然后經過由U8A為核心的放大電路將電流量轉換為電壓量。該電路實現了4-20mA到0.4-2V的轉換。U8B為基準電壓設置電路，通過調節電位器RW 1，將基準電壓設置為0.4V，作為減法電路的輸入。U8C為減法電路，該電路將0.4-2V的電壓轉換為0-1.6V電路，即實現了輸出電壓的調零。U8D實現了輸出電壓的調幅，通過調節電位器RW 2可以調節電路的放大倍數，本系統將0-1.6V的電壓轉換為0-2V的電壓。經過驗證，該電路滿足系統需求。

1.3 串口轉網絡電路

本控制器使用高度集成化的串口轉以太網模塊USR-TCP232-T2實現網絡功能。該模塊具有TCP Server、TCP Client、UDP Client、UDP Server及Httpd Client 5種工作模式[4]，并具有DNS、DHCP及自定義網頁等功能，其外觀如圖5所示，電路圖如圖6所示。本系統中，串口轉網絡模塊與處理器的UART0連接，通過串口與處理器進行通信；另一方面，網絡模塊被配置為TCP Client模式，通過與上位機的TCP Server通信實現數據的網絡傳輸。

圖5 串口轉網絡模塊

圖6 串口轉網絡電路

2 軟件設計

2.1 系統軟件設計

本控制器軟件在啟動后首先初始化控制器外設，包括GPIO、UART、ADC和I2C；然后讀取EEPROM中存儲的設備網絡配置及用戶配置等信息。通過串口配置網絡模塊，使其進入工作狀態。在系統進入正常工作狀態后，依次讀取16路輸入信號值，系統將讀取的信號值封包后通過網絡發送。其工作流程如圖7所示。

圖7 控制器軟件工作流程

2.2 系統軟件設計

由于網絡模塊具有Web功能，因此本系統設計了內置網頁。可以通過網頁查看系統狀態并修改系統配置。該功能使得用戶不需要學習過多的知識就能夠方便得使用本系統。其工作界面如圖8所示。

圖8 系統Web界面

3 典型應用

本系統采用以太網作為傳輸介質，能夠靈活布置。可以根據不同的需求布置多個數據采集器以滿足工作需要。各個數據采集器通過交換機或路由器接入以太網，多個上位機可以同時監視各接口的工作狀態，并且將工作狀態存入數據庫，以便統計分析。本系統典型應用如圖9所示。

圖9 本控制器典型應用

4 結語

本系統實現了多路數據的集中采集及網絡上傳。相對于傳統的點對點傳輸方式，本系統具有部署靈活、使用方便等特點。由于采用了電流量輸入接口，因此在本系統安裝的過程中，不需對已有儀器儀表及傳感器做過多改動，可以很方便的實現現場數據集中采集及發送。由于本系統能夠將采集到的模擬量數字化并集中傳送，有助于實現工業現場數據的智能化監控和統計查詢。經過實際使用，能夠極大的降低工業儀表及傳感器部署及維護的難度。

[1]劉艷,王鎖庭.工業儀表操作與維護[M].北京:化學工業出版社,2015:34-35.

[2]張根寶.工業自動化儀表與工程控制[M].西安:西北工業大學出版社,2012:77.

[3]楊艷,傅強.從零開啟大學生電子設計之路--基于MSP430 LaunchPad口袋實驗平臺[M].北京:北京航空航天大學出版社,2014:9-11.

[4]濟南有人物聯網技術有限公司.USR-TCP232-T2說明書[Z].2017:2.