葉嘉成，程文勝，胡　婷，葉曉涵，成　帥，陳小橋

(武漢大學(xué)　電子信息學(xué)院，湖北　武漢　430072)

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基于MSP430的火電廠化學(xué)量監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

葉嘉成，程文勝，胡婷，葉曉涵，成帥，陳小橋

(武漢大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北武漢430072)

該文描述了一種基于MSP430單片機(jī)的分布式監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)定時(shí)獲取，采用分布式結(jié)構(gòu)，通過多個(gè)工作站的協(xié)調(diào)組成數(shù)據(jù)檢測網(wǎng)絡(luò)，通過串口通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。系統(tǒng)布局靈活同時(shí)具有很高的可靠性、良好的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性和數(shù)據(jù)通道的可擴(kuò)展性。滿足鍋爐健康運(yùn)行的實(shí)時(shí)監(jiān)測需求。

分布式工作站；MSP430單片機(jī)；實(shí)時(shí)監(jiān)測；串口通信

鍋爐是火電廠的重要組成部分。每年因水質(zhì)問題引起的鍋爐內(nèi)部結(jié)垢、腐蝕并最終破損、爆裂等事故頻發(fā)，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。對鍋爐的健康狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測具有重大意義。本系統(tǒng)通過前置工作站將采集到的傳感器數(shù)據(jù)傳到主工作站，進(jìn)一步傳送到現(xiàn)場PC機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)的分析、處理和解算，形成一系列數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)報(bào)表和實(shí)時(shí)監(jiān)測曲線，為有關(guān)部門的決策和管理提供科學(xué)依據(jù)。

1　系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)及特色

系統(tǒng)由現(xiàn)場PC機(jī)、主工作站和多個(gè)前置從工作站組成。其中，現(xiàn)場PC機(jī)主要包括接收數(shù)據(jù)的串口模塊、儲(chǔ)存數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)分析處理的運(yùn)算模塊。各工作站主要包括協(xié)調(diào)和控制各外設(shè)工作的MSP430單片機(jī)、收/發(fā)數(shù)據(jù)的串口模塊、數(shù)據(jù)緩存的Flash模塊、協(xié)調(diào)一主多從工作模式的通信接口拓展電路、信號模數(shù)轉(zhuǎn)換的A/D模塊，其他外設(shè)模塊用于實(shí)現(xiàn)可視化操作和安全警報(bào)工作。另外，現(xiàn)場PC機(jī)還通過網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到廠內(nèi)各有關(guān)辦公室的電腦終端。同時(shí)，還上傳到省局，使各有關(guān)部門可以隨時(shí)掌握鍋爐的運(yùn)行狀況，有利于進(jìn)行科學(xué)的決策和管理。

本系統(tǒng)具有以下3點(diǎn)特色。

1)火電廠內(nèi)的環(huán)境極其惡劣，長時(shí)間工作于高溫環(huán)境下對人的生命健康會(huì)造成危害。人工讀取、抄取數(shù)據(jù)的誤差較高，諸多人為的不確定因素影響鍋爐健康評估的準(zhǔn)確性。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化的數(shù)據(jù)采集模式，工作人員不再像以往那樣定時(shí)到鍋爐附近的取樣架進(jìn)行人工抄取儀表數(shù)據(jù)。同時(shí)，也在一定程度上提高了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2)本系統(tǒng)采用的分布式布局結(jié)構(gòu)明顯優(yōu)于現(xiàn)有的集線式布局。集線式結(jié)構(gòu)將所有取樣點(diǎn)的信號匯集到一個(gè)機(jī)房內(nèi)，通過一張超多通道的采集卡一次性全部采集進(jìn)入計(jì)算機(jī)。①集成式結(jié)構(gòu)存在很大的安全風(fēng)險(xiǎn)。采集卡的功耗大，發(fā)熱嚴(yán)重，一旦采集卡過熱燒毀或者出現(xiàn)其他故障，整個(gè)火電廠的所有數(shù)據(jù)采集工作都將停止；而分布式結(jié)構(gòu)將風(fēng)險(xiǎn)分散，各工作站間相互通信卻不相互影響。②集線式系統(tǒng)適用范圍有限。應(yīng)用于體積較大的鍋爐時(shí)，分布式系統(tǒng)具有布線簡潔的優(yōu)勢。

3)該系統(tǒng)迎合了未來工業(yè)向互聯(lián)網(wǎng)信息化方向發(fā)展的趨勢，可為互聯(lián)網(wǎng)+監(jiān)測系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)服務(wù)。最初，來自各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)經(jīng)由該系統(tǒng)到達(dá)火電廠辦公室的計(jì)算機(jī)內(nèi)，通過互聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)上傳云服務(wù)形成數(shù)據(jù)庫。長期監(jiān)測累積的數(shù)據(jù)可為機(jī)組維護(hù)提供可靠依據(jù)，構(gòu)建更加科學(xué)合理的火電廠安全診斷標(biāo)準(zhǔn)。

圖1　系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

2　前置工作站的設(shè)計(jì)

前置工作站實(shí)現(xiàn)一系列信號的采集和傳輸功能，如圖2所示。傳感器輸出信號經(jīng)過調(diào)理電路進(jìn)行信號的濾波、I/V轉(zhuǎn)換和放大，調(diào)理后的信號經(jīng)過MSP430單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器采樣得到原始數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后存入Flash緩存區(qū)，再通過UART串口，將數(shù)據(jù)傳到主工作站。

圖2　前置工作站結(jié)構(gòu)框圖

MSP430F6638系列單片機(jī)是前置工作站的核心。它是一款16位的超低功耗RISC混合信號處理器，具有優(yōu)良的高速低耗的性能指標(biāo)。高達(dá)25MHz的CPU速度、256KB的Flash和18KB的RAM，具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)預(yù)處理和緩存能力。運(yùn)行模式消耗為160μA/MHz，RAM電流保持在100nA以下，RTC模式電流僅為2.5μA，從低功耗狀態(tài)下喚醒時(shí)間不到5μs，使監(jiān)測系統(tǒng)長期穩(wěn)定地工作得到保障。

2.1調(diào)理電路的設(shè)計(jì)

2.1.1信號的轉(zhuǎn)化

依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)工業(yè)傳感器儀表輸出范圍分為：4～20mA或1～5V；0～10mA或0～5V。

本系統(tǒng)采用TI公司生產(chǎn)的MSP430單片機(jī)，其正常工作電壓為3.3V。在一些特定工業(yè)環(huán)境下，傳感器的標(biāo)準(zhǔn)輸出量以電流的形式居多，也就是所述的4～20mA或0～10mA。利用調(diào)理電路，將這個(gè)小電流信號轉(zhuǎn)化為電壓量，同時(shí)進(jìn)行放大和濾波，再對其進(jìn)行滿量程采樣，使得相對量化誤差降到最低。

系統(tǒng)采用均勻的轉(zhuǎn)化方式，使調(diào)理電路的輸出信號與輸入信號在數(shù)值上呈線性關(guān)系。其表達(dá)通式為y=ax+b。也就是說，傳感器輸出：①1～5V或0～5V的電壓量；②4～20mA或0～10mA的電流量與0～3.3V的電壓量是線性的均勻映射關(guān)系。

2.1.2電路的實(shí)現(xiàn)

前置工作站的調(diào)理電路原理如圖3所示。

系統(tǒng)前端傳感器輸出4～20mA電流，經(jīng)過U5和U6組成的有源低通濾波網(wǎng)絡(luò)濾除高頻噪聲。電流經(jīng)25Ω采樣電阻轉(zhuǎn)化為電壓，其取樣電壓值為100～500mV。采用高精度低失調(diào)的運(yùn)放OP07構(gòu)成正向放大器和零點(diǎn)抵消電路，其中零點(diǎn)抵消電路相當(dāng)于一個(gè)運(yùn)算放大器穩(wěn)壓電源，運(yùn)放輸出端接三極管Q1用于擴(kuò)展其輸出能力，運(yùn)放輸入端通過一個(gè)電阻分壓網(wǎng)絡(luò)R6、R7、R8接至VSS，使其輸入端電壓可調(diào)以控制其輸出端電壓，從而將正向放大器輸入電壓降至0～400mV，調(diào)節(jié)電路增益即可完成I/V轉(zhuǎn)換。各正負(fù)電源端和輸出端都并聯(lián)一個(gè)1μF的去耦電容，用于消除自激，使放大器穩(wěn)定工作。

OP07運(yùn)放的輸入偏置電流低于1.8nA，對系統(tǒng)性能不造成干擾。失調(diào)電壓漂移較小，僅有0.5μV/℃，在較高溫度環(huán)境下工作性能十分穩(wěn)定。時(shí)不變性非常好，最大時(shí)間漂移為2μV/月，加入一個(gè)額定的時(shí)間漂移補(bǔ)償后，在特定工作環(huán)境下，具有較好的持續(xù)工作能力。

圖3　調(diào)理電路圖

2.2ADC12采樣模塊

3　系統(tǒng)通信與布局

本系統(tǒng)的最終目的是將這些數(shù)據(jù)送往有關(guān)部門進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控、診斷和決策。傳感器輸出信號經(jīng)調(diào)理電路后進(jìn)行采樣保持和A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)處理暫存在Flash中，等待進(jìn)一步數(shù)據(jù)傳輸。因工業(yè)現(xiàn)場惡劣的溫度和復(fù)雜的電磁環(huán)境，故采取安全可靠的串口通信方式。

圖4　ADC12內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡圖

3.1系統(tǒng)通信協(xié)議

本系統(tǒng)采用RS-232C的串口通信協(xié)議。該協(xié)議最高標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)384 00bit，最大可靠傳輸距離為50英尺約為15m。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證該協(xié)議能夠滿足基本的要求，因此沒有選用性能更高的RS-485通信協(xié)議。串口通信要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的格式化，在異步通信模式下，自動(dòng)生成起止式的數(shù)據(jù)格式。收到的串行數(shù)據(jù)通過串行接口電路實(shí)現(xiàn)串并轉(zhuǎn)換，再送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。CPU采用的是TTL正邏輯電平，與EIA采用的負(fù)邏輯電平不兼容，這里利用接口電路進(jìn)行匹配。接口電路采用的是TI公司生產(chǎn)的一款SN65C3232DR芯片，該芯片內(nèi)部的兩個(gè)反相器，用于實(shí)現(xiàn)正負(fù)邏輯的轉(zhuǎn)換。

本系統(tǒng)采用的是UART模塊的串行口異步通信方式，默認(rèn)起止式的數(shù)據(jù)幀格式。傳輸開始前輸出邏輯 “1”，作為標(biāo)識態(tài)；傳輸開始時(shí)輸出邏輯變?yōu)椤?”狀態(tài)，作為起始位；起始位后面的8位為傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息位，信息位后面緊接著1位地址位以協(xié)調(diào)多機(jī)通信；再接著一位奇偶校驗(yàn)位，保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確；最后是一到兩位邏輯“1”作為停止位。發(fā)送方只發(fā)送數(shù)據(jù)幀，不傳輸時(shí)鐘。為保證高效和準(zhǔn)確地傳輸，設(shè)置以9 600bit/s的速率傳輸數(shù)據(jù)。

3.2多機(jī)通信拓展電路

本系統(tǒng)采用一主多從的主從式結(jié)構(gòu)，可以簡化成一個(gè)時(shí)分復(fù)用問題。前置工作站同時(shí)進(jìn)行多路數(shù)據(jù)的采集和轉(zhuǎn)換并將數(shù)據(jù)暫存在Flash緩存，主工作站依照時(shí)鐘約定依次向從工作站發(fā)送指令并接收來自從工作站的數(shù)據(jù)。多路時(shí)分選擇電路見下圖。

圖5　多路選擇電路圖

主單片機(jī)控制P20和P21口進(jìn)行通道的選擇。74LS138芯片是一個(gè)3～8譯碼器，簡化后用于對四路串口的收/發(fā)進(jìn)行選擇性控制。74LS153芯片是一個(gè)雙四通道多路選擇開關(guān)，主單片機(jī)控制四路輸入信號的選擇，通過一條共用通道也就是74LS153的7號管腳經(jīng)P37口傳入主單片機(jī)，完成四路通道的分時(shí)雙向選擇通信。

4　系統(tǒng)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)

1) 工作站模擬信號通道：12位。

2)A/D轉(zhuǎn)換器：分辨率為12位。

3)采樣速率：25μs。

4)非線性誤差：小于±1/2LBS或±1LBS。

5)串行口：12位。

6) 波特率：9 600bit/s。

7)Flash存儲(chǔ)器：64KB。

8)系統(tǒng)時(shí)鐘頻率：25MHz。

9) 輸入信號范圍(可調(diào)整)：4～20mA或 0～10mA。

5　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電，各模塊初始化完成參數(shù)的設(shè)定。前置工作站循環(huán)采集各采樣通道的數(shù)據(jù)，每次每個(gè)通道的數(shù)據(jù)采樣十份，去掉兩個(gè)最高值和兩個(gè)最低值，剩余取平均值得到該通道此次采樣的數(shù)據(jù)并暫存。主工作站依次向各前置工作站發(fā)送地址和指令，對應(yīng)地址的前置工作站將數(shù)據(jù)以幀格式發(fā)送給主工作站，主工作站若收到錯(cuò)誤地址發(fā)來的數(shù)據(jù)則丟棄，收到正確地址發(fā)來的信息則直接發(fā)送到PC端存儲(chǔ)。接收到最后一個(gè)工作站數(shù)據(jù)后繼續(xù)返回接收第一個(gè)工作站的數(shù)據(jù)，并循環(huán)以上過程。系統(tǒng)的程序流程圖如圖6所示。

圖6　程序流程圖

6　結(jié)束語

本研究成功地做出一套監(jiān)測系統(tǒng)樣機(jī)。一套完整的監(jiān)測系統(tǒng)是對火力發(fā)電安全的重要保障?；痣姀S的成功監(jiān)測和信息網(wǎng)絡(luò)交流有利于國家有關(guān)機(jī)構(gòu)部門對國家火力電網(wǎng)的準(zhǔn)確的認(rèn)識和實(shí)時(shí)的掌控，是具有現(xiàn)實(shí)和未來發(fā)展意義的一套系統(tǒng)。這套系統(tǒng)適用范圍廣泛。在任何能用到傳感設(shè)備進(jìn)行檢測的復(fù)雜環(huán)境下都適用，而且實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化檢測。滿足安全、準(zhǔn)確、高效和實(shí)時(shí)的工業(yè)監(jiān)測需求，具有不可估量的發(fā)展前景。

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Design of the Monitoring System of Chemical Quantity of Thermal Power Plant Based on MSP430

YE Jiacheng，CHENG Wensheng，HU Ting，YE Xiaohan，CHENG Shuai，CHEN Xiaoqiao

(SchoolofElectronicInformation，WuhanUniversity，Wuhan430072，China)

ThispaperdescribesadistributedmonitoringsystembasedonMSP430singlechipmicrocomputer.Thissystemcanachievetimingacquisitionofmulti-channeldataandadoptdistributedstructure.Besides，thedatadetectionnetworkismadeupbycoordinationofmultipleworkstations，throughaserialportcommunicationfordatatransmission，whichmakesthesystemconfigurationflexibleandguaranteeshighreliability，gooddatainstantaneityandexpansibilityofdatachanneltosatisfythereal-timemonitoringneedsofhealthyoperationofboiler.

distributedworkstation；MSP430singlechipmicrocomputer；real-timemonitoring；serialcommunication

2016-03-04；修改日期: 2016-05-23

自主式開放實(shí)驗(yàn)(WHU-2016-KFSy-03)。

葉嘉成(1994-)，男，學(xué)士，主要從事大型工業(yè)設(shè)備電子監(jiān)測方面的研究。

TM621.9

Adoi:10.3969/j.issn.1672-4550.2016.04.030