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(yuǎn)距離傳輸能力均具有明顯優(yōu)勢[1]。當(dāng)今，工業(yè)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(yè)技術(shù)的發(fā)展，自動化儀表及傳感器的使用越來越普遍。電流量點(diǎn)對點(diǎn)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(hù)困難的缺點(diǎn)已經(jīng)成為自動化儀表及傳感器大量使用的桎梏。隨著以太網(wǎng)在工業(yè)技術(shù)中應(yīng)用的普及，其部署靈活、傳輸迅速及可數(shù)字化的優(yōu)點(diǎn)越來越明顯。本文實(shí)現(xiàn)了一種具有網(wǎng)絡(luò)功能的多路數(shù)據(jù)采集器，該設(shè)計能夠在不對現(xiàn)場儀表及傳感器進(jìn)行改造的情況下，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸。

1 控制器硬件設(shè)計

本系統(tǒng)主要由核心處理電路、串口轉(zhuǎn)網(wǎng)絡(luò)電路、AD擴(kuò)展及電流-電壓轉(zhuǎn)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(zhuǎn)網(wǎng)絡(luò)模塊USR-TCP232-T2實(shí)現(xiàn)串口信號轉(zhuǎn)網(wǎng)絡(luò)的功能。本控制器具有16路電流量采集1路網(wǎng)絡(luò)接口。其系統(tǒng)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(chǎn)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(tǒng)計算能力的要求。在本控制器中由MSP430FR2533及E2PROM AT24C02構(gòu)成了核心控制電路，其中E2PROM AT24C02用于存儲系統(tǒng)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(tǒng)功耗要求比較高，因此本系統(tǒng)采用MSP430FR2533作為核心處理器。但是，MSP430FR2533只有8路ADC，而本系統(tǒng)需要使用16路ADC，因此MSP430FR2533不能滿足本系統(tǒng)的要求。因此本系統(tǒng)采用2片德州儀器的8通道數(shù)字控制模擬開關(guān)CD4051來擴(kuò)展ADC通道的數(shù)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(fā)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(guān)電路

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

圖4 電流-電壓轉(zhuǎn)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(diǎn)。其中，U8A為電流轉(zhuǎn)換電路，通過電阻R13對電流量進(jìn)行采樣，然后經(jīng)過由U8A為核心的放大電路將電流量轉(zhuǎn)換為電壓量。該電路實(shí)現(xiàn)了4-20mA到0.4-2V的轉(zhuǎn)換。U8B為基準(zhǔn)電壓設(shè)置電路，通過調(diào)節(jié)電位器RW 1，將基準(zhǔn)電壓設(shè)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(zhuǎn)換為0-1.6V電路，即實(shí)現(xiàn)了輸出電壓的調(diào)零。U8D實(shí)現(xiàn)了輸出電壓的調(diào)幅，通過調(diào)節(jié)電位器RW 2可以調(diào)節(jié)電路的放大倍數(shù)，本系統(tǒng)將0-1.6V的電壓轉(zhuǎn)換為0-2V的電壓。經(jīng)過驗(yàn)證，該電路滿足系統(tǒng)需求。

1.3 串口轉(zhuǎn)網(wǎng)絡(luò)電路

本控制器使用高度集成化的串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊USR-TCP232-T2實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)頁等功能，其外觀如圖5所示，電路圖如圖6所示。本系統(tǒng)中，串口轉(zhuǎn)網(wǎng)絡(luò)模塊與處理器的UART0連接，通過串口與處理器進(jìn)行通信；另一方面，網(wǎng)絡(luò)模塊被配置為TCP Client模式，通過與上位機(jī)的TCP Server通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸。

圖5 串口轉(zhuǎn)網(wǎng)絡(luò)模塊

圖6 串口轉(zhuǎn)網(wǎng)絡(luò)電路

2 軟件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本控制器軟件在啟動后首先初始化控制器外設(shè)，包括GPIO、UART、ADC和I2C；然后讀取EEPROM中存儲的設(shè)備網(wǎng)絡(luò)配置及用戶配置等信息。通過串口配置網(wǎng)絡(luò)模塊，使其進(jìn)入工作狀態(tài)。在系統(tǒng)進(jìn)入正常工作狀態(tài)后，依次讀取16路輸入信號值，系統(tǒng)將讀取的信號值封包后通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)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(tǒng)軟件設(shè)計

由于網(wǎng)絡(luò)模塊具有Web功能，因此本系統(tǒng)設(shè)計了內(nèi)置網(wǎng)頁?？梢酝ㄟ^網(wǎng)頁查看系統(tǒng)狀態(tài)并修改系統(tǒng)配置。該功能使得用戶不需要學(xué)習(xí)過多的知識就能夠方便得使用本系統(tǒng)。其工作界面如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)Web界面

3 典型應(yīng)用

本系統(tǒng)采用以太網(wǎng)作為傳輸介質(zhì)，能夠靈活布置?？梢愿鶕?jù)不同的需求布置多個數(shù)據(jù)采集器以滿足工作需要。各個數(shù)據(jù)采集器通過交換機(jī)或路由器接入以太網(wǎng)，多個上位機(jī)可以同時監(jiān)視各接口的工作狀態(tài)，并且將工作狀態(tài)存入數(shù)據(jù)庫，以便統(tǒng)計分析。本系統(tǒng)典型應(yīng)用如圖9所示。

圖9 本控制器典型應(yīng)用

4 結(jié)語

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多路數(shù)據(jù)的集中采集及網(wǎng)絡(luò)上傳。相對于傳統(tǒng)的點(diǎn)對點(diǎn)傳輸方式，本系統(tǒng)具有部署靈活、使用方便等特點(diǎn)。由于采用了電流量輸入接口，因此在本系統(tǒng)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(shí)現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)集中采集及發(fā)送。由于本系統(tǒng)能夠?qū)⒉杉降哪M量數(shù)字化并集中傳送，有助于實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的智能化監(jiān)控和統(tǒng)計查詢。經(jīng)過實(shí)際使用，能夠極大的降低工業(yè)儀表及傳感器部署及維護(hù)的難度。

[1]劉艷,王鎖庭.工業(yè)儀表操作與維護(hù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2015:34-35.

[2]張根寶.工業(yè)自動化儀表與工程控制[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,2012:77.

[3]楊艷,傅強(qiáng).從零開啟大學(xué)生電子設(shè)計之路--基于MSP430 LaunchPad口袋實(shí)驗(yàn)平臺[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2014:9-11.

[4]濟(jì)南有人物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有限公司.USR-TCP232-T2說明書[Z].2017:2.