基于MSP430及PROFIBUS的监测子站设计

2009年06月12日 10:06    MSP430
关键词: PROFIBUS , 监测 , 设计
在电力、钢铁、石油、化工等行业中,有着大量的减速机、风机、泵站等机械设备,些设备如果在带病状态下工作,会大大缩减其使用寿命,影响生产,给企业带来经济损失。传统上依靠工作员耳听、手摸的方法发现存在的隐患,受现场环境和诊断者经验的制约,常常会出现漏诊、误诊的现象。同一台设备的两次检查时间间隔较,也不利于异常情况的及时发现。因此,工厂的在线监测就显得十分重要。
  减速机常见的驱动设备之一,其工作是否异常的重要参数是:振动情况、轴承温度、输出轴转速、电机电流电压等。通过振动信号,可以知道齿轮啮合、动平衡是否正常;通过轴承温度,可以知道轴承的间隙、润滑是否良好;通过输出轴的转速和电机电流,可以知道是否过载。子站的主要功能是监测、处理,数据上传,超限报警。
  1.  总体结构

  分布式监控系统一般是在监控中心布置主站,在各个监控点布置子站,通过总线结构将主站和子站连接起来(图1)。子站将各个传感器的信息采集处理后,将一部分重要数据显示在子站的显示设备上,同时将所有数据通过总线上传给主站,主站将各个子站上传的信息分析处理后显示给运行监控人员,实现了对大范围运行设备的在线监测。

                               图1 网络结构
  系统采用德州仪器MSP430F149作为控制器,通过SIMENS公司的SPC3芯片实现与PROFIBUS-DP总线连接。选用标准4~20mA电流信号输出的振动传感器,电机的电流、电压通过转换实现0~3V输出。在轴承位置安装DS18B20温度传感器,实现对轴温的监控(减速机工作的正常温度为50~60℃,一般滚动轴承工作不能超过95℃)。输出轴上安装脉冲输出的转速传感器。MSP430F149 将以上运行信号采集处理后,通过LCD显示,同时上传到总线,向主站报告该子站的运行状况。
  2.  相关介绍
  2.1  MSP430F149微控制器
  MSP430F149是TI公司生产的一种超低功耗、混合信号16位控制器,工作电压1.8~3.6V。该单片机具有丰富的外围功能,内部集成多通道12位A/D转换器、硬件乘法器、60KB的Flash和2KB的RAM,运行环境温度范围为-40℃~+85℃,可以适应各种恶劣的环境,非常适合作为现场监测的终端控制器。
  2.2  PROFIBUS-DP现场总线
  PROFIBUS是一种不依赖生产厂家的、开放式的现场总线,是目前际上通用的现场总线标准之一,以其独特的技术特点、严格的认证规范、开放的标准、众多厂商的支持和不断发展的应用行规,已被纳入现场总线的国际标准IEC61158和欧洲标准EN50170,并于2001年被定为我国的国标JB/T10308.3-2001。PROFIBUS-DP(Decentralized Periphery,分布式外围设备)主要用于自动化系统中单元级控制系统与分散式通信,使用第1层、第2层和用户接口层,其余3~7层未使用,这种精简的结构确保了高速数据传输。
  2.3  SPC3协议专用芯片
  PROFIBUS-DP物理层是RS-485,但通信协议比较复杂。SPC3是SIEMENS公司的专用协议芯片,使用该芯片后可以将复杂的协议撇开。SPC3集成了DP协议中的FDL层,因为SPC3集成了完整的DP总线协议,所以在与主站通信时,单片机使用SPC3芯片就像操作内部RAM,使从站控制器的编程工作量大为减轻。SPC3保障报文的有效性,可满足整个报文的一致性数据交换。总线接口是个可参数化的同步/异步8位接口,内部集成了1.5K的双口RAM,整个RAM采用8字节的段结构方式,所有需要分配地址的BUF指针,必须指向段的开头。DP通信的服务存取点由SPC3自动建立,各种报文信息呈现在用户面前的是不同BUF的内部数据。
  3.  系统硬件设计
  系统的硬件主要由键盘、显示模块、通信模块、系统测量模块组成(图2)。采用3×3行列扫描键盘可以大大节省I/O口的占用。128×64点阵图形LCD可以显示大量信息。为了保存一些设定的参数和运行数据,选用Microchip公司生产的串行存储器芯片24LC02B,它采用I2C总线接口,以256个字节为单位组成一块,页写缓冲区高达8个字节,1百万次擦写。通信模块由SPC3芯片及外围电路组成,由于SPC3采用的是5V供电,而MSP430F149采用3.3V供电,在硬件设计中要考虑3.3V逻辑系统和5V逻辑系统共存,器件对加到输入脚或输出脚的电压通常是有限的,这些引脚由二极管或分离元件接到Vcc,为了避免元器件的损坏和数据的丢失,采用专用的电平转换器SN74LVCC4245A芯片,它是一个8bit宽度的双向I/O电平转换器,BUS B为3.3V数据,BUS A为5V数据连接SPC3芯片,其中DIR决定数据方向。SPC3中断信号X/INT通过电平转换后送入P1.6,为单片机提拱通信中断信号。为了提高通信的抗干扰性,SPC3的内部电路必须与物理接口在电器上隔离,采用高速光耦HCPL7101和SN75ASL176D收发器保障了PROFIBUS总线通信的高可靠性。
  轴温测量采用美国DALLAS公司生产的单总线数字式温度测量芯片的DS18B20,工作电压3.0V~5.5V,测温范围为-55℃~+125℃,具有总线结构,通过P2.0就可以实现对8个温度传感器信号的采集。

                                                        图2  系统接口电路图
  4.  系统软件设计
  系统上电后,首先要对SPC3和LCD进行初始化,配置寄存器。主程序
中根据中断请求分别调用信号采集、键盘显示和通信程序。
  4.1 状态信号采集
  信号采集程序的调用是由定时器中断产生的,由于监测系统不参与实时控制,同时为了避免总线上大量数据的传输,每2秒产生一次中断,执行信号采集。状态信号经过外部电路转换后,进入MSP430单片机时都为模拟电压信号,在程序上主要是A/D转换和滤波。对于温度传感器,由于是采用总线连接,对应不同的地址,调用8次读温度子程序,刷新温度缓存器中的数值,等待显示程序和通信程序的调用。转速测量采用定时器及中断计数的方法。
  4.2   键盘显示
  键盘采用行列扫描方式,当有按键动作时,产生中断信号,执行参数设定、显示、翻页等程序。LCD显示模块内部含有字库,因此不需要进行字模的编写。初始化完成后,定时向显示缓存区送出要刷新的数据。
  4.3  通信接口
  通信接口软件在系统中较为重要,包括三部分:SPC3初始化、输入处理和输出处理。SPC3上电后首先要进行一次初始化,设定SPC3寄存器变量名称、硬件模式、地址及标识号、各个BUF地址及长度、取得BUF指针。当SPC3产生信号给P1.6时,CPU产生中断,执行输入处理程序,获得总线上的指令和数据。子站在执行状态信号采集后,执行一次数据输出处理,向总线发送该子站的状态参数。
  4.4   GSD文件
  编写标准的GSD文件后,该子站就可以作为标准PROFIBUS设备使用,为各种不同的厂家所识别(系统主站为SIEMENS PLC-300)。GSD文件包括厂商和设备名称、软硬件版本号、波特率、监控时间间隔和从站设备通道数量、类型等等。
  5. 结束语
  基于MSP430F149及PROFIBUS-DP总线的减速机在线监测系统,具有测量参数多、精度高,显示灵活,传输距离远,抗干扰能力强等优点。在同等监测标准下,成本远低于其它监测系统。本文以减速机为实例,阐述了具有总线结构的分布式状态监测子站的构建,在电力、石油、化工等领域中具有推广价值。
  本文作者创新观点:提出了一种新的工厂在线监测手段,将MSP430和PROFIBUS-DP总线技术结合在了一起,具有标准的总线接口,通用性很强,适用于远距离高速传输。系统使用时方便、简单,可以直接在LCD上显示数据和信息,在远程监测中有着广阔的应用空间。
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