張擁軍

(北京經(jīng)濟管理職業(yè)學(xué)院，北京 100102)

隨著我國工業(yè)領(lǐng)域的不斷發(fā)展，使熱風(fēng)爐的安全性、經(jīng)濟性得到有效提升。若熱風(fēng)爐出現(xiàn)故障現(xiàn)象，可造成燃?xì)庑孤?、中途熄火等現(xiàn)象的發(fā)生，此時為保證人身及財產(chǎn)的安全，應(yīng)采集急停措施，暫停熱風(fēng)爐的運轉(zhuǎn)。數(shù)據(jù)采集對于工業(yè)測試系統(tǒng)的精準(zhǔn)測量具有重要意義，數(shù)據(jù)采集精度越高，為熱風(fēng)爐監(jiān)控系統(tǒng)提供的判斷依據(jù)越多。熱風(fēng)爐是一種典型的具有多變量、非線性、大滯后特點的復(fù)雜系統(tǒng)，為實現(xiàn)司爐人員對熱風(fēng)爐運行參數(shù)的實時監(jiān)測，本研究向監(jiān)控系統(tǒng)中引入數(shù)據(jù)采集卡，有利于在復(fù)雜環(huán)境下實現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)測控制。

1 數(shù)據(jù)采集卡概述

數(shù)據(jù)采集卡主要負(fù)責(zé)協(xié)助熱風(fēng)爐監(jiān)控系統(tǒng)完成工業(yè)測量任務(wù)，其性能與采樣頻率/方法、電壓范圍有關(guān)。

1)采樣頻率

若數(shù)據(jù)采集卡的采樣頻率較高，即可獲取原始信號信息，二者之間呈正比關(guān)系變化。隨著采樣頻率的不斷升高，原始信號信息也不斷升高。為獲取更高的原始信號，需要有足夠高的采樣頻率。當(dāng)信號的變化頻率明顯高于采集板的數(shù)字化變化頻率，可使采樣頻率極易產(chǎn)生波形失真現(xiàn)象。為避免采樣頻率波形的失真現(xiàn)象，本研究結(jié)合奈奎斯特理論，將采樣頻率控制在系統(tǒng)元件最高頻率的2倍以上[1]。

2)采樣方法

為保證數(shù)據(jù)采集卡的采樣效果，應(yīng)嚴(yán)格控制數(shù)據(jù)采集卡的采樣方法。數(shù)據(jù)采集卡通常利用多路開關(guān)建立信號端與A/D轉(zhuǎn)換器之間的通信聯(lián)系，以此實現(xiàn)從多個通道內(nèi)部獲取數(shù)據(jù)。將該采樣方法與連續(xù)掃描方法進(jìn)行對比可知，連續(xù)掃描方法更具經(jīng)濟性。但是連續(xù)掃描方法僅適用于非重要場合，若數(shù)據(jù)采集卡對應(yīng)的采集點對時間要求較為嚴(yán)格，應(yīng)采用同時采集的方法完成數(shù)據(jù)采集。對低頻信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時，可采用間隔掃描的方法實現(xiàn)同時采樣，該方法不需要額外增加采樣保持電路。間隔掃描方法的數(shù)據(jù)采樣過程為：首先以一定的時間間隔對輸入通道進(jìn)行掃描，利用脈沖對各個通道兩次被掃描的時間間隔進(jìn)行計算，掃描方法的位數(shù)越多，表明該轉(zhuǎn)換器的分辨率越高，同時隨著轉(zhuǎn)換器位數(shù)的持續(xù)增多，使可區(qū)分電壓逐漸減小。

3)電壓范圍

電壓范圍實際上指的是掃描方法掃描的最高電壓及最低電壓。通常情況下，A/D板的電壓范圍為可調(diào)狀態(tài)，為保證數(shù)據(jù)采集卡可充分利用轉(zhuǎn)換器可靠性較高的分辨率范圍，應(yīng)將信號的電壓范圍調(diào)整至與微機相匹配。數(shù)據(jù)采集卡可分辨的最小電壓變化情況主要由轉(zhuǎn)換器的范圍、增益及分辨率決定，可將其表示為1LSB。若工業(yè)熱風(fēng)爐監(jiān)控系統(tǒng)采用的A/D板的分辨率為16位，電壓的范圍為-10～10 V，此時增益取1，則數(shù)據(jù)采集卡可分辨的最小電壓變化情況為：1LSB=20/(1×216)=0.3 mV。

數(shù)據(jù)采集卡可建立外界電信號與計算機之間的通信聯(lián)系，而二者之間溝通的橋梁。該采集卡可完成數(shù)據(jù)的采集，具有信號控制及輸出功能。在數(shù)據(jù)采集卡運行過程中，可將外界的模擬信號直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并將數(shù)字信號傳遞至計算機。同時數(shù)據(jù)采集卡也可接收計算機發(fā)出的控制指令及數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)接收完畢后，將控制信號傳送至外設(shè)[2]。

2 工業(yè)熱風(fēng)爐監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集硬件設(shè)計

本研究對系統(tǒng)的硬件部分進(jìn)行設(shè)計時，為保證硬件系統(tǒng)功能的穩(wěn)定性，將硬件系統(tǒng)劃分為4部分：模擬量、開關(guān)量、脈沖量采集電路以及通信電路。該系統(tǒng)的設(shè)計原理為：首先選用M3P430F149集成的A/D轉(zhuǎn)換器作核心設(shè)備，利用16路模擬開關(guān)實現(xiàn)系統(tǒng)的可擴展性。直接采用單片機的I/O對開關(guān)量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，為實現(xiàn)8路開關(guān)量采集，可直接采用P0接口建立開關(guān)與轉(zhuǎn)換器之間的連接。M3P430F149單片機內(nèi)部P0-P2接口均具有中斷能力，可用來對脈沖量的輸入頻率進(jìn)行精準(zhǔn)測量，以此實現(xiàn)脈沖計數(shù)。為向監(jiān)控系統(tǒng)提供分析判斷依據(jù)，本研究利用串口建立單片機與上位機ARM11處理器之間的通訊，單片機可將采集數(shù)據(jù)實時上傳至上位機，由上位機對該項數(shù)據(jù)進(jìn)行分析及處理。工業(yè)熱風(fēng)爐監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集原理如圖1所示[3]。

圖1 工業(yè)熱風(fēng)爐監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集原理框圖

2.1 模擬量采集電路

由于熱風(fēng)爐的工作環(huán)境中存在多種機電設(shè)備的干擾，可直接造成數(shù)據(jù)采集單元無法與強電信號之間建立連接，只能通過多種傳感器及隔離器件將信號上傳至處理電路。但是傳感器在實際應(yīng)用過程中，其輸出的信號大多為弱信號，弱信號與系統(tǒng)之間的距離過長，可使信號強度出現(xiàn)衰減。為有效防止信號進(jìn)一步衰減，采用電流信號完成數(shù)據(jù)輸出。本研究采用的傳感器均可輸出4～20 mA的模擬電流信號。模擬量采集的過程為：首先利用I/V轉(zhuǎn)換電路將傳感器模擬輸出的信號復(fù)原為電壓信號，其次經(jīng)過放大、濾波等操作處理后，將處理后的信號上傳至A/D轉(zhuǎn)換器[4]。

M3P430F149芯片內(nèi)部包含一個ADC12轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器具有高速、通用等特點，可適用于高精度的數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換程序。將ADC12轉(zhuǎn)換器應(yīng)用于監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集中，可為系統(tǒng)提供高性能的采樣/保持電路，有利于用戶利用該電路選擇多種采樣方式及轉(zhuǎn)換時鐘周期。該監(jiān)控內(nèi)部模擬信號為16路，而M3P430F149芯片的外部模擬通道為8路，無法滿足系統(tǒng)對模擬通道的要求。為此本研究采用16路多路模擬開關(guān)AD7506作為系統(tǒng)的主要設(shè)備，AD7506實際上是一種單集成的模擬多路復(fù)用器，該復(fù)用器含有16個通道，可利用4個地址位狀態(tài)將16路輸入信號轉(zhuǎn)換為1路輸出信號。電路連接程序為：首先將S1～S16分別連接至AD750616路輸入口，其中S1～S16表示16路模擬信號；最后將A0～A3信號分別連接至P2.0～P2.3口，并將其作為通道選擇控制信號。

傳感器的輸出信號較弱，且易受外界因素干擾。為此本研究利用傳感器對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集時，需要經(jīng)過放大、濾波操作后，再將采集的數(shù)據(jù)上傳至M3P430F149芯片的ADC12模塊，通過該模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和轉(zhuǎn)換。為最大限度地減小外界環(huán)境對電阻的干擾，利用I/V轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)電阻分壓。選用AD623作為主放大器，該放大器可提升系統(tǒng)的抗干擾性能。A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓為0～2.5 V，通過使用放大器，可有效避免信號飽和問題。AD623放大器的增益范圍為1～1 000，可滿足系統(tǒng)對微弱信號的采集要求。濾波電路主要由運放和RC共同組成，選用二階壓控電壓源低通濾波器作為該電路的核心設(shè)備，該濾波器具有輸入阻抗高、輸出阻抗低等特點，在電阻和電容合適的情況下，即可得到最平幅度響應(yīng)的濾波電路。將經(jīng)過放大的傳感器信號上傳至濾波器輸入端，完成濾波操作后，即可實現(xiàn)信號干擾的消除，最終傳送至A/D轉(zhuǎn)換器[5]。

2.2 開關(guān)量采集電路

由于開關(guān)量只包含0和1兩種狀態(tài)，可使采集電路較為簡單。該電路在系統(tǒng)中主要負(fù)責(zé)接收數(shù)字量輸入信號，并利用相應(yīng)接口將該信號上傳至CPU。對外部開關(guān)量信號進(jìn)行接收時，需要利用光耦隔離，在電氣上將輸入輸出的信號完全隔離，以此提升系統(tǒng)的抗干擾能力。CPU成功接收信號后，為判斷該信號的狀態(tài)，可直接對I/O接口上的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取。當(dāng)電壓信號成功進(jìn)入開關(guān)量端子后，對該信號進(jìn)行前級處理，并將處理后的信號發(fā)送至光耦器件中，有利于導(dǎo)通光耦器件，最后利用施密特觸發(fā)器對信號進(jìn)行濾波，以此實現(xiàn)電壓信號在DI1端輸出低電平；若電壓信號未成功進(jìn)入開關(guān)量端子，則光耦器件處于截止?fàn)顟B(tài)，此時電壓信號在DI1端輸出高電平[6]。

熱風(fēng)爐監(jiān)控系統(tǒng)中主要由接觸開關(guān)或繼電器實現(xiàn)開關(guān)量的輸入。但是該設(shè)備在實際運用過程中，易出現(xiàn)抖動或者粘連現(xiàn)象，該現(xiàn)象可直接造成采集信號出現(xiàn)異常。若脈沖在傳輸過程中遭受設(shè)備的干擾，可出現(xiàn)波形畸變情況。為此本研究采用施密特觸發(fā)器74HC14對脈沖進(jìn)行濾波，有利于最大限度地降低系統(tǒng)被干擾的可能性。

2.3 脈沖量采集電路

脈沖量信號實際上是一種周期變化的信號，為實現(xiàn)對脈沖量信號的采集，本研究設(shè)計出脈沖量采集電路。脈沖量采集電路的核心設(shè)備為M3P430F149單片機，該單片機內(nèi)部包含P0-P2接口，三個接口均具有電平和沿中斷的功能，在該單片機的支持下，利用兩個I/O接口即可完成脈沖量信號的測量。利用單片機對信號進(jìn)行采集時，可將該信號直接傳輸至I/O接口。為保證單片機對脈沖量信號采集的精準(zhǔn)性，可利用施密特觸發(fā)器對該信號進(jìn)行整形后上傳至單片機。

2.4 監(jiān)控系統(tǒng)通信電路

當(dāng)前數(shù)據(jù)采集卡與上位機ARM11處理器之間的數(shù)據(jù)通信主要通過RS485串口總線實現(xiàn)。RS485串口總線主要利用平衡發(fā)送機差分接收兩種方式實現(xiàn)系統(tǒng)各設(shè)備之間的通信聯(lián)系，具有較強的抗干擾能力及靈敏度，有利于最大限度地解決RS232協(xié)議傳輸距離過近的問題，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。當(dāng)數(shù)據(jù)的傳送速度控制在100 Kbit/s時，采用RS485總線可使RS232協(xié)議的通信距離達(dá)到1 200 m。

M3P430F149單片機內(nèi)部包含異步串口模塊，該模塊含有RS232協(xié)議，為此本研究對通信模塊進(jìn)行設(shè)計時，采用MAX485實現(xiàn)RS232/RS485轉(zhuǎn)換及半雙工轉(zhuǎn)換。利用光耦合器建立M3P430F149單片機串口信號、引腳與MAX485之間的連接。為有效避免共模電壓超過RS485可承受的最大電壓范圍，利用光耦合器將電壓信號隔離，當(dāng)引腳T/R_select輸出信號為低電平時，允許電壓信號發(fā)送；若輸出信號為高電平，允許電壓信號接收。

3 工業(yè)熱風(fēng)爐監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計

本研究對系統(tǒng)軟件部分進(jìn)行設(shè)計時，以上位機ARM11處理器作為數(shù)據(jù)采集的核心，利用該處理器將指令發(fā)送至M3P430F149單片機，由單片機對信號進(jìn)行采集。對該單片機接收的指令進(jìn)行字節(jié)規(guī)定。

(1)字節(jié)1：0xFF——啟動A/D轉(zhuǎn)換器；

(2)字節(jié)2：0xFE——啟動開關(guān)量采集；

(3)字節(jié)3：0xFD——啟動脈沖量采集[7]。

數(shù)據(jù)采集主程序流程為：若單片機接收的數(shù)據(jù)第一字節(jié)為0xFF，首先應(yīng)將該字節(jié)標(biāo)志為adflag=1；其次完成A/D轉(zhuǎn)換機的啟動，利用該轉(zhuǎn)換機對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集及轉(zhuǎn)換，全部操作皆完成后，通過RS485接口將采集數(shù)據(jù)上傳至上位機，工業(yè)熱風(fēng)爐監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集主程序流程如圖2所示。

圖2 工業(yè)熱風(fēng)爐監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集主程序流程圖

3.1 模擬量采集模塊

該模塊成功接收到模擬量采集指令后，為實現(xiàn)模擬量的采集，依次打開模擬開關(guān)的1～16路通道。按照AD7506真值表完成高低電平的輸出，該過程需要利用單片機P2.0～P2.3接口。成功啟動A/D轉(zhuǎn)換器后，即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。轉(zhuǎn)換結(jié)束后，對轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行讀取，并將讀取信息存儲至內(nèi)存中。為提高采樣數(shù)據(jù)的可靠性，采用數(shù)字濾波的方式對采樣后的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波。由于單片機系統(tǒng)中的RAM資源有限，為此本研究選用遞推平均濾波算法在RAM中建立數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，并按照一定順序?qū)崿F(xiàn)N次采樣數(shù)據(jù)的存放，每完成一次數(shù)據(jù)采集，即可去除上次采集的數(shù)據(jù)，并對當(dāng)前緩沖區(qū)N個數(shù)據(jù)的算數(shù)平均值進(jìn)行計算，該方式有利于加快數(shù)據(jù)的處理效率。

3.2 開關(guān)量采集模塊

該模塊成功接收到開關(guān)量采集指令后，即可完成8路開關(guān)量的掃描，掃描完成后返回端口狀態(tài)。開關(guān)量采集模塊中最重要的問題是設(shè)備抖動，為有效避免系統(tǒng)出現(xiàn)誤判現(xiàn)象，應(yīng)及時去除設(shè)備抖動問題。通常情況下，采用軟件延時的方法去除抖動。若開關(guān)狀態(tài)出現(xiàn)變化，并檢測到該變化由輸入量引起，此時應(yīng)給定時間延時，當(dāng)?shù)竭_(dá)延時時間時，再次對輸入量狀態(tài)進(jìn)行檢測，若輸入量的狀態(tài)與檢測之前一致，即可確認(rèn)開關(guān)量變化，開關(guān)量輸入模塊程序流程如圖3所示[8]。

圖3 開關(guān)量輸入模塊程序流程圖

3.3 脈沖量采集模塊

該模塊主要由I/O的中斷實現(xiàn)。首先在一定時間內(nèi)對中斷的次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計，根據(jù)統(tǒng)計數(shù)量即可計算出脈沖的頻率。脈沖頻率計算完畢后，將數(shù)據(jù)上傳至上位機。該電路在熱風(fēng)爐監(jiān)控系統(tǒng)中主要負(fù)責(zé)對脈沖進(jìn)行計數(shù)。

4 結(jié) 語

本研究為實現(xiàn)對熱風(fēng)爐內(nèi)部數(shù)據(jù)的實時采集，利用數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計出數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)選用M3P430F149集成的A/D轉(zhuǎn)換器作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)核心設(shè)備，以此實現(xiàn)16路模擬信號、8路開關(guān)量信號以及2路脈沖信號的采集。M3P430F149單片機內(nèi)部P0-P2接口均具有中斷能力，可用來對脈沖量的輸入頻率進(jìn)行精準(zhǔn)測量，以此實現(xiàn)脈沖計數(shù)。為向監(jiān)控系統(tǒng)提供分析判斷依據(jù)，本研究利用串口建立單片機與上位機ARM11處理器之間的通信，單片機可將采集數(shù)據(jù)實時上傳至上位機，由上位機對該項數(shù)據(jù)進(jìn)行分析及處理。該系統(tǒng)具有成本低廉、靈敏度高等優(yōu)勢，具有一定實用價值。