王興強(qiáng)

(大連交通大學(xué)電氣信息學(xué)院，遼寧大連 116028)

現(xiàn)場總線智能儀表已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，具有檢測、控制、計(jì)量和監(jiān)測等功能，為人類社會(huì)的進(jìn)步與發(fā)展提供了重要的物質(zhì)技術(shù)保障。并隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，逐漸提高了對智能測控儀表的技術(shù)要求。但由于智能儀表自身因素和周圍環(huán)境的影響，會(huì)使其性能產(chǎn)生變化，其中一部分變化的誤差會(huì)超出技術(shù)條件的要求［1］。因此為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，對各種儀器儀表，必須經(jīng)常性地用適當(dāng)準(zhǔn)確度的檢測設(shè)備進(jìn)行檢測。

文中在SHCAN2000現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種專用于該系統(tǒng)61系列智能儀表的自動(dòng)檢測試驗(yàn)臺(tái)。61系列智能儀表是一個(gè)高級智能化部件，具備RS－232接口，可以利用RS－232串口協(xié)議與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，同時(shí)還具有運(yùn)算、控制和輸入/輸出等功能［2］。本文針對61系列智能儀表的相似性和共同點(diǎn)，將自動(dòng)標(biāo)定和老化檢測兩種主要檢測功能各自存在的問題分開解決:一方面對他們共同存在的模擬量和開關(guān)量的輸入、輸出進(jìn)行標(biāo)定，設(shè)計(jì)出一種對61系列各類型儀表都通用的自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng);另一方面通過實(shí)時(shí)監(jiān)測處于工作狀態(tài)中儀表的主要元件輸出參數(shù)，診斷儀表在老化檢測過程中是否出現(xiàn)故障，完成儀表老化測試工作。

1 現(xiàn)場總線智能儀表測控試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)

1.1 問題的提出

設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺(tái)，主要功能有自動(dòng)標(biāo)定和老化檢測。其中的自動(dòng)標(biāo)定功能的設(shè)計(jì)，主要是由于被測儀表每塊信號板的元器件特性有所不同，外圍電路特性有所差異，所以相同的輸入/輸出信號經(jīng)過不同的A/D模塊轉(zhuǎn)換出來的數(shù)值可能不一致，是否能正確反映真實(shí)信號將直接影響儀表的控制和運(yùn)算功能，因此需要對儀表的每一路輸入/輸出分別進(jìn)行標(biāo)定，使儀表能夠按照各自的標(biāo)定參數(shù)進(jìn)行正確的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，保證相同的信號在不同儀表上的轉(zhuǎn)換結(jié)果基本一致［3］。老化檢測功能的設(shè)計(jì)是因?yàn)橹悄軆x表在生產(chǎn)制造和使用過程中，會(huì)在儀表集成電路內(nèi)部留下或產(chǎn)生缺陷，這些缺陷可分為質(zhì)量缺陷和潛在缺陷兩類。對于缺陷檢測的測試系統(tǒng)一般包括在線測試系統(tǒng)和功能測試系統(tǒng)，某些缺陷可通過這些常規(guī)檢驗(yàn)手段加以發(fā)現(xiàn)，但一些潛在缺陷則無法用常規(guī)檢驗(yàn)手段發(fā)現(xiàn)，可運(yùn)用老化檢測的方法來剔除。

1.2 問題的解決

對于此次設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺(tái)，針對自動(dòng)標(biāo)定和老化檢測兩種主要功能各自存在的問題分開解決，然后將其綜合在一個(gè)試驗(yàn)平臺(tái)上，最終完成試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)與研制。

1.2.1 自動(dòng)標(biāo)定功能的實(shí)現(xiàn)

對于61系列的智能儀表，由于它的模擬量輸入/輸出的A/D轉(zhuǎn)換電路是線形電路，其輸入/輸出的模擬量與數(shù)字量之間是一種線形變換。因此在儀表內(nèi)的數(shù)字量和真實(shí)的模擬量就建立起了一種一一對應(yīng)的線形關(guān)系。即Y=K·X+B，K為標(biāo)定的斜率，B為標(biāo)定的截距，X為輸入/輸出的模擬量，Y為經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量，它在顯示時(shí)為浮點(diǎn)數(shù)，取值范圍0.0～1.0。所以每個(gè)輸入的模擬量Xi都有一個(gè)輸出的模擬量Yi與之對應(yīng)，因此只要能確定輸入信號的這種線性關(guān)系，就可以使輸入/輸出的模擬量電信號與表內(nèi)顯示的0.0～1.0的浮點(diǎn)數(shù)建立線性關(guān)系。

SHCAN 61系列智能儀表可以直接完成數(shù)據(jù)采集和控制功能，因此每個(gè)儀表都固化有相同的采集和控制軟件，其軟件體系中主要包含有功能模塊庫和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫兩部分［4］。功能模塊庫是各種控制和算法的集合，而實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫共有464點(diǎn)各種類型的控制運(yùn)行參數(shù)，其中包括控制參數(shù)、功能模塊工作參數(shù)、系統(tǒng)參數(shù)、運(yùn)行變量等，這樣就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的數(shù)值處理信息與數(shù)值處理過程的分離。對于SHCAN61系列智能儀表，其主要功能就是利用它的數(shù)據(jù)控制運(yùn)算能力，對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行控制。所以就需要對其模擬量的輸入/輸出信號，以及開關(guān)量的輸入/輸出信號進(jìn)行標(biāo)定。

以儀表模擬量輸入的標(biāo)定過程為例，當(dāng)從外界輸入到表內(nèi)一個(gè)4～20 mA的模擬量電流，經(jīng)過一階濾波后，再經(jīng)過輸入通道放大系數(shù)、A/D采樣參考電壓等因素的調(diào)整，將其變成0.0～1.0的標(biāo)定化的信號，這時(shí)0.0～1.0的數(shù)值就能夠真實(shí)反映出實(shí)際輸入的模擬量信號。系統(tǒng)利用該儀表數(shù)值處理信息和數(shù)值處理過程分離的特點(diǎn)，采用將標(biāo)定參數(shù)和標(biāo)定系數(shù)分離的方法，把先后輸入的兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)信號先進(jìn)行采集，轉(zhuǎn)換為整形量，再經(jīng)過標(biāo)定、濾波，存放到數(shù)據(jù)庫ST13N9～N16。這時(shí)的數(shù)據(jù)才是真實(shí)反映現(xiàn)場的數(shù)據(jù)，也是儀表采集計(jì)算的數(shù)據(jù)。故本系統(tǒng)取輸入信號量程的20%和80%兩個(gè)信號作為基準(zhǔn)，計(jì)算出斜率和截距，由于這兩個(gè)信號分別為較大和較小的信號，確定的斜率和截距基本能實(shí)現(xiàn)整條直線上的一一對應(yīng)關(guān)系。故以此作為標(biāo)定化的兩個(gè)參數(shù)，這兩個(gè)標(biāo)定化參數(shù)則分別存放在表內(nèi)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的ST24N1和ST24N2中，所以只要分別將這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)信號分別傳送進(jìn)ST24N1和ST24N2中，就可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)標(biāo)定，自動(dòng)標(biāo)定出斜率和截距，實(shí)現(xiàn)儀表各個(gè)通道的準(zhǔn)確標(biāo)定。而模擬量的輸出與開關(guān)量輸入/輸出的標(biāo)定原理與之相同，可以按照同樣的方法進(jìn)行標(biāo)定。

圖1 模擬量輸入信號采樣流程圖

在該自動(dòng)標(biāo)定控制系統(tǒng)中，所有信號都是按標(biāo)定化格式存儲(chǔ)的，便于進(jìn)行信號的統(tǒng)一管理，只有當(dāng)某些信號需要顯示或處理時(shí)，才在標(biāo)定信號的基礎(chǔ)上，按預(yù)先設(shè)置的工程量定義模塊的定義表現(xiàn)出來，使儀表可以按照信號真實(shí)的工程量進(jìn)行顯示，輸出與實(shí)際相符的信號。因此，只需更換系統(tǒng)內(nèi)某一信號的工程量定義編號，就可以方便快捷地更換其顯示或處理格式。而這個(gè)標(biāo)定后的數(shù)據(jù)信號就能真實(shí)反映出輸入的信號，保證儀表的準(zhǔn)確性。

1.2.2 老化檢測功能的實(shí)現(xiàn)

儀表在老化測試過程中處于工作狀態(tài)，需要通過實(shí)時(shí)監(jiān)測儀表中主要元件或單元模塊的輸出參數(shù)，來診斷儀表在老化過程中是否出現(xiàn)故障，從而提高產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性。在儀表老化測試中，需要批量的輸入仿真參數(shù)和監(jiān)測輸出參數(shù)，因此必須采用一種分布式的網(wǎng)絡(luò)化測控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)儀表的老化測試，從而達(dá)到批量測試的要求，提高了檢測效率。

本文中各智能節(jié)點(diǎn)通過測控PC、CAN接口網(wǎng)卡與CAN總線組網(wǎng)，構(gòu)成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)化的分布式測控系統(tǒng)。測控PC實(shí)現(xiàn)對儀表的在線老化測試，并實(shí)時(shí)記錄儀表的測試數(shù)據(jù)，診斷產(chǎn)品故障，發(fā)現(xiàn)并報(bào)出產(chǎn)品所在的測試位置。

圖2 老化檢測分布式測控系統(tǒng)示意圖

智能節(jié)點(diǎn)的主要功能是控制產(chǎn)品的測試進(jìn)程、讀取產(chǎn)品的測試輸出信號、通過CAN總線向測控PC發(fā)送產(chǎn)品測試數(shù)據(jù)、響應(yīng)測控PC的操作指令。智能節(jié)點(diǎn)由CPU89C51、CAN控制器SJA1000、CAN總線收發(fā)器82C250及光電耦合數(shù)字I/O單元等構(gòu)成［5］。

圖3 智能節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)示意圖

如圖3所示，電源CAN Vd，CAN Vss只用于82C250供電，借助于光電耦合器實(shí)現(xiàn)CAN總線與其他電路的隔離。Rv是82C250用于調(diào)節(jié)CAN－H，CAN－L波形的，其取值與CAN總線通信速率有關(guān)。SJA1000作為一種獨(dú)立高集成度控制器，適用于移動(dòng)目標(biāo)和一般工業(yè)環(huán)境控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)控制，SJA1000的一端與單片機(jī)相連，另一端與CAN總線相連。但是，為了提高單片機(jī)對CAN總線的驅(qū)動(dòng)能力，可以把82C250作為CAN控制器和物理總線間的接口，以提供對總線的差動(dòng)發(fā)送能力和對CAN控制器的差動(dòng)接收能力［6］。

老化檢測功能的實(shí)現(xiàn)主要運(yùn)用檢測模塊和通信模塊，而通信模塊在老化系統(tǒng)中處于核心地位，它主要擔(dān)任兩方面任務(wù):一方面，通過CAN通信方式向檢測設(shè)備發(fā)送命令和采集數(shù)據(jù);另一方面，通過串行異步通信與上位機(jī)通信，接收用戶通過上位機(jī)發(fā)來的控制命令，向上位機(jī)發(fā)送檢測的數(shù)據(jù)［7］。檢測模塊將檢測的數(shù)據(jù)通過SHCAN通信送給通信模塊，由通信模塊通過串行通信發(fā)送給上位機(jī)，由上位機(jī)軟件對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，判斷被測電路板的工作狀態(tài)，判斷被測儀表電路板是否存在短路故障或斷路故障，如果沒有，則檢測模塊向被測電路板輸出額定工作電壓與有效激勵(lì)信號，使被測電路板正常工作，然后檢測被測電路板的輸出信號的波形類型及頻率，按照設(shè)定的檢測算法判斷被測電路板是否存在其他故障，這樣就完成一次老化檢測過程［8］。

1.2.3 下載調(diào)試程序

下載調(diào)試程序(MDCS－CFG)是本測控系統(tǒng)的重要組成部分，它是利用Visual Basic程序編譯開發(fā)的基于Windows的下載和調(diào)試工具，實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)與智能儀表的串行通信的所有功能，可以通過CAN總線，能對現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)上的每一個(gè)MDCS組件進(jìn)行組態(tài)、參數(shù)編輯、下載、上傳、管理和實(shí)時(shí)監(jiān)測、調(diào)試。在本測控系統(tǒng)中MDCS－CFG的主要功能是通過執(zhí)行下載調(diào)試程序來進(jìn)行組態(tài)下載以及對一些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行設(shè)置，并通過實(shí)時(shí)監(jiān)測功能和調(diào)試功能來構(gòu)造老化測試系統(tǒng)和自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)。下載調(diào)試程序是本測控試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，是執(zhí)行標(biāo)定程序和老化檢測的主要工具。

本測控系統(tǒng)是利用下載調(diào)試程序的系統(tǒng)調(diào)試功能來實(shí)現(xiàn)。由于它的“系統(tǒng)調(diào)試”界面可以實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)上全體實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中的參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置、比較等功能，所以利用系統(tǒng)調(diào)試編輯的純文本文件，來實(shí)現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)上參數(shù)的傳遞。把標(biāo)準(zhǔn)信號傳送到指定存放的數(shù)據(jù)庫中，再通過其內(nèi)部的運(yùn)算功能，計(jì)算出監(jiān)測結(jié)果。

本系統(tǒng)還具有自動(dòng)檢測功能，可將檢測完成后的儀表數(shù)據(jù)和上位機(jī)的管理數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如果儀表內(nèi)的數(shù)據(jù)和管理數(shù)據(jù)不一致，則可自動(dòng)產(chǎn)生錯(cuò)誤信息，指明錯(cuò)誤原因和發(fā)生錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)庫，使用戶可以及時(shí)準(zhǔn)確地糾正，使檢測結(jié)果簡單明了，可靠性高。

2 結(jié)束語

現(xiàn)場總線智能儀表已經(jīng)得到了廣泛使用，隨著智能儀表精度要求的日益提高，儀表檢測的要求也越來越重要。本試驗(yàn)臺(tái)利用MDCS自身帶有的組態(tài)功能，編程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測功能。而且該試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)操作簡單，功能強(qiáng)大，可以解決現(xiàn)場總線儀表的許多故障問題，提高生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)在工業(yè)現(xiàn)場對智能儀表進(jìn)行檢測［9］。

本文設(shè)計(jì)的智能儀表測控試驗(yàn)臺(tái)是基于SHCAN現(xiàn)場總線技術(shù)，針對61系列智能儀表的測控組件都具備CAN總線接口的特點(diǎn)，將各個(gè)智能儀表都連接在CAN總線網(wǎng)絡(luò)上，通過測控PC、CAN接口卡與CAN總線組網(wǎng)，構(gòu)成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)化的分布式測控系統(tǒng)。通過分布式測控系統(tǒng)，利用上位機(jī)操作站和智能儀表的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，由上位機(jī)編輯、發(fā)送控制命令，利用SHCAN總線的通訊功能完成各個(gè)測控組件之間通信和數(shù)據(jù)的雙向傳輸，利用下載調(diào)試程序(SHCAN－CFG)完成上位機(jī)對下位機(jī)智能儀表的控制。該系統(tǒng)中的下載調(diào)試程序可以對SHCAN2000上的每個(gè)智能測控組件進(jìn)行組態(tài)、參數(shù)編輯、下載、上傳、管理和實(shí)時(shí)監(jiān)測、調(diào)試，使系統(tǒng)具備良好的適應(yīng)性。

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