劉忠超，殷華文，郭抒穎

（1.南陽(yáng)理工學(xué)院 電子與電氣工程學(xué)院，南陽(yáng) 473004；2.北京林業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京 100083）

儀表是工業(yè)控制系統(tǒng)中的核心組成部分，而傳統(tǒng)的控制儀表精度不高、功能單一、通信聯(lián)網(wǎng)功能不強(qiáng)，鑒于此，開(kāi)發(fā)了基于MSP430單片機(jī)的智能儀表，該儀表具備檢測(cè)K型熱電偶、Pt100熱電阻溫度信號(hào)、4～20 mA/1～5 V模擬信號(hào)、繼電器信號(hào)、高速脈沖信號(hào)等多種信號(hào)輸入功能，同時(shí)還具有繼電器控制輸出、變送輸出、上位機(jī)通訊、組網(wǎng)等多種功能。

1 智能儀表硬件設(shè)計(jì)

智能儀表硬件設(shè)計(jì)的核心是控制器的選型和硬件電路的設(shè)計(jì)，該智能儀表主控模塊選用當(dāng)前工業(yè)應(yīng)用中使用最多的超低功耗MSP430單片機(jī)作為控制器[1]；雙向多路開(kāi)關(guān)CD4051作為多路開(kāi)關(guān)選擇器；可編程儀用放大器AD526作為儀用放大器；并行輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLC7528CN作為A/D轉(zhuǎn)換器；同時(shí)基于MAXIM公司的電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232和MAX485，設(shè)計(jì)了光耦隔離型RS-232和RS-485的通訊接口。設(shè)計(jì)的智能儀表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能儀表結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Diagram of intelligent instrument structure

1）數(shù)字量輸入檢測(cè)電路

為了能讓儀表具有簡(jiǎn)易PLC的部分功能，設(shè)計(jì)了8路具有光耦隔離的數(shù)字量輸入電路。數(shù)字量輸入電路如圖2所示。為減少電氣干擾，提高可靠性，使用PC817線性光電耦合器使之前端與負(fù)載完全隔離，圖2中R62和R69組成分壓電路，保護(hù)光耦不被損壞，R71和C38組成RC低通濾波器，濾除干擾。工作原理是當(dāng)外接的按鈕1、2端子接通時(shí)，PC817光耦導(dǎo)通，連接到主控器MSP430相應(yīng)的引腳檢測(cè)到高電平，當(dāng)外接按鈕斷開(kāi)時(shí)，PC817光耦不會(huì)導(dǎo)通，單片機(jī)的檢測(cè)管腳為低電平信號(hào)，即表示外部開(kāi)關(guān)量斷開(kāi)，從而可進(jìn)一步的在程序中處理[2]。

圖2 數(shù)字量輸入電路Fig.2 Digital input circuit

2）采樣放大電路

智能儀表需有檢測(cè)多種輸入信號(hào)的能力，而每種輸入信號(hào)因信號(hào)性質(zhì)不一樣，因此有不同的檢測(cè)電路，在使用時(shí)通過(guò)多路切換開(kāi)關(guān)CD4051來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)信號(hào)的檢測(cè)，其檢測(cè)電路如圖3所示。為節(jié)約成本，該智能儀表A/D轉(zhuǎn)換方式采用分時(shí)復(fù)用技術(shù)，圖4是采用CD4051模擬多路開(kāi)關(guān)的電路圖[3]。圖中CD4051的管腳A、B、C的控制端來(lái)自單片機(jī)發(fā)送的控制信號(hào)，通過(guò)外接不同輸入信號(hào)發(fā)送相對(duì)應(yīng)的地址來(lái)選通相應(yīng)的通道進(jìn)入A/D中進(jìn)行處理。

圖3 信號(hào)檢測(cè)輸入電路Fig.3 Detection signal input circuit

圖4 輸入端多路選擇電路Fig.4 Input multiplexer circuit

由于不同的檢測(cè)信號(hào)其需要進(jìn)行放大的倍數(shù)也不一樣，所以設(shè)計(jì)了增益為1、10、16和50的4種程控放大器，放大器增益倍數(shù)通過(guò)軟件控制MSP430的單片機(jī)管腳來(lái)控制CD4051的A、B、C管腳，從而可以選通相對(duì)應(yīng)的增益通道。程控放大電路如圖5所示。

3）4 ～20 mA 電流輸出電路設(shè)計(jì)

智能儀表4～20 mA電流輸出是其最基本的功能，大多數(shù)儀表直接使用集成芯片來(lái)產(chǎn)生4～20 mA電流，如儀表中經(jīng)常使用的XTR101芯片，但是專用集成芯片價(jià)格較昂貴，為節(jié)約成本，該儀表采用PWM調(diào)制方式輸出電流信號(hào)[3]，其原理如圖6所示。為防止干擾，該電路中數(shù)字量和模擬量之間用TP521光電耦合器進(jìn)行隔離，并使用二極管IN4148進(jìn)行單向保護(hù)。電路中單片機(jī)產(chǎn)生的PWM信號(hào)通過(guò)光耦TP521輸入，并且由R42和C19無(wú)源低通濾波器來(lái)濾除干擾。為了能夠產(chǎn)生恒定電流輸出，使用運(yùn)算放大器OP07和9013三極管按照電流負(fù)反饋連接，運(yùn)算放大器輸出端通過(guò)控制三極管產(chǎn)生恒定的電流信號(hào)，單片機(jī)通過(guò)調(diào)節(jié)PWM信號(hào)的占空比來(lái)產(chǎn)生4～20 mA相對(duì)應(yīng)的電流輸出。

圖5 程控放大電路Fig.5 Programmable amplifying circuit

圖6 4～20 mA電流輸出電路Fig.6 Circuit of 4～20 mA current output

4）繼電器輸出電路設(shè)計(jì)

如圖7所示為繼電器輸出電路，電阻R14為三極管Q2基極的限流電阻，同樣采用PC817光電耦合器來(lái)防止信號(hào)之間的干擾。單片機(jī)產(chǎn)生的通斷控制信號(hào)通過(guò)光耦PC817來(lái)控制三極管Q2的導(dǎo)通，Q2工作在開(kāi)關(guān)模式下，當(dāng)Q2導(dǎo)通時(shí)使繼電器線圈吸合，常開(kāi)觸點(diǎn)閉合。二極管D4為TVS瞬態(tài)抑制單極性二極管，它的作用是泄流，通過(guò)D4放掉繼電器斷開(kāi)時(shí)上線圈中所帶的電荷，防止反向擊穿，其工作電壓為12 VDC，并鉗制線圈電壓不超過(guò)額定電壓[4]。

圖7 繼電器輸出電路Fig.7 Relay output circuit

2 智能儀表軟件設(shè)計(jì)

1）軟件系統(tǒng)介紹

設(shè)計(jì)的智能儀表在運(yùn)行時(shí)要有條不紊地完成初始化、通信、顯示、檢測(cè)、控制、輸出和報(bào)警等相關(guān)任務(wù)，在設(shè)計(jì)的主程序中，單片機(jī)通過(guò)循環(huán)監(jiān)控來(lái)捕捉相應(yīng)的中斷服務(wù)子程序，比如按鍵程序、溫度補(bǔ)償程序、非線性校正程序、通訊處理等。軟件系統(tǒng)功能模塊劃分如圖8所示。

2）監(jiān)控程序

智能儀表軟件系統(tǒng)中的各個(gè)功能模塊采用在主程序中輪詢檢測(cè)等待的方式去執(zhí)行，即每到一定時(shí)間執(zhí)行相應(yīng)函數(shù)。智能儀表上電工作時(shí)首先完成初始化，并打開(kāi)中斷輪詢檢測(cè)標(biāo)志位。程序中功能軟件的監(jiān)控標(biāo)志設(shè)置為定時(shí)信號(hào)和動(dòng)作信號(hào)組成，比如檢測(cè)到時(shí)間到并且A/D轉(zhuǎn)換標(biāo)識(shí)到后執(zhí)行相應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換，各個(gè)標(biāo)志位沒(méi)有到來(lái)時(shí)主程序不斷循環(huán)檢測(cè)等待，直到有相應(yīng)的功能程序標(biāo)識(shí)的到來(lái)，監(jiān)控程序流程圖如圖9所示。

圖8 軟件系統(tǒng)功能模塊Fig.8 Software system function module

圖9 監(jiān)控程序流程圖Fig.9 Monitor program flow chart

3）Modbus通信協(xié)議

Modbus協(xié)議是世界上第一個(gè)真正實(shí)際用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的總線協(xié)議，是由Modicon在1979年發(fā)明的，其可以采用ASCII和RTU 2種模式進(jìn)行傳輸。該智能儀表采用Modbus的ASCII協(xié)議與上位機(jī)進(jìn)行通訊，在消息中的每個(gè)8位字節(jié)都作為2個(gè)ASCII字符發(fā)送。這種方式的主要優(yōu)點(diǎn)是字符發(fā)送的時(shí)間間隔可達(dá)到1 s而不產(chǎn)生錯(cuò)誤，通訊穩(wěn)定[5]。通訊協(xié)議中ASCII信息幀采用的格式如表1所示。

表1 Modbus協(xié)議的ASCII信息幀格式Tab.1 Modbus protocol of ASCII information frame format

起始位為1字節(jié)值為3AH的ASCII碼；設(shè)備地址為 1字節(jié) 2個(gè) ASCII碼，范圍 0～255（即 0～0x0ffH）；標(biāo)志為 1字節(jié) 2個(gè) ASCII碼，即 bit0～bit7，當(dāng) bit0=0為讀，bit0=1為寫，bit1=0時(shí)不打包。bit3bit2=00時(shí)數(shù)據(jù)類型為字節(jié)。bit3bit2=01時(shí)數(shù)據(jù)類型為字。bit3bit2=1x時(shí)數(shù)據(jù)類型為浮點(diǎn)數(shù)。數(shù)據(jù)地址為2字節(jié)4個(gè)ASCII碼即0x0000～0xffff；數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)為1字節(jié)2個(gè)ASCII碼，其值為實(shí)際讀寫的數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)。數(shù)據(jù)就是實(shí)際傳送的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為ASCII碼，個(gè)數(shù)為字節(jié)數(shù)乘2。LRC校驗(yàn)比較簡(jiǎn)單，檢測(cè)了消息域中除了開(kāi)始和結(jié)束的標(biāo)識(shí)外的內(nèi)容，它僅僅是把每一個(gè)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)按字節(jié)疊加后取反加1即可；結(jié)束標(biāo)識(shí)位以回車換行結(jié)束，其為十六進(jìn)制的0x0D和0x0A[6]。

4）專家PID算法

智能儀表具有控制器功能，其在控制算法上采用專家PID，專家PID控制的實(shí)質(zhì)是基于受控對(duì)象和控制規(guī)律的各種知識(shí)，無(wú)需知道被控對(duì)象的精確模型，利用專家經(jīng)驗(yàn)來(lái)設(shè)計(jì)PID參數(shù)。專家PID控制是一種直接型專家控制器。

令e（k）為離散化后的當(dāng)前采樣時(shí)刻的誤差值，e（k-1）、e（k-2）分別表示前 1 個(gè)采樣時(shí)刻和前 2 個(gè)采樣時(shí)刻誤差，M1、M2是設(shè)定的誤差界限，M1＞M2＞0；則有

根據(jù)當(dāng)前采樣時(shí)刻的誤差及其變化率，該智能儀表設(shè)計(jì)的專家PID控制算法按5種情況設(shè)計(jì)：

①當(dāng)∣e（k）∣＞M1時(shí)，表明此時(shí)誤差的絕對(duì)值已經(jīng)很大，無(wú)論誤差變化率趨勢(shì)如何，都應(yīng)該考慮控制器按定值輸出，已達(dá)到能迅速調(diào)整誤差，使誤差以最快的速度減小，同時(shí)避免產(chǎn)生超調(diào)。此時(shí)控制器相當(dāng)于實(shí)施開(kāi)環(huán)控制。

②當(dāng) e（k）Δe（k）＞0 或 Δe（k）=0 時(shí)，表明此刻誤差在朝誤差絕對(duì)值增大的方向變化，或者此時(shí)誤差為某一常數(shù)。

如果|e（k）|＜M2，說(shuō)明此刻雖然誤差朝絕對(duì)值增大的方向變化，但是誤差絕對(duì)值并不是很大，可以考慮施加一般的控制作用，改變誤差變化趨勢(shì)減小誤差，控制器輸出為

③當(dāng) e（k）Δe（k）＜0，Δe（k）Δe（k-1）＞0，或者Δe（k）=0時(shí)說(shuō)明此時(shí)誤差的絕對(duì)值往減小的方向變化，或者已經(jīng)達(dá)到了平衡的狀態(tài)，應(yīng)該使控制器的輸出保持不變。

④當(dāng) e（k）Δe（k）＜0，Δe（k）Δe（k-1）＜0，表明誤差處于極值狀態(tài)，如果此時(shí)可以考慮施加較強(qiáng)的控制作用，即：

⑤當(dāng) e（k）≤ε（精度）時(shí)，表明此時(shí)誤差絕對(duì)值很小，此時(shí)加入積分環(huán)節(jié)，進(jìn)一步減小穩(wěn)態(tài)誤差。

上述算法中 em（k）是誤差 e的第 k個(gè)極值，u（k）是控制器第k次輸出；u（k-1）是控制器第k-1次輸出；k1為增益放大倍數(shù)，k1＞1；k2是抑制系數(shù)，0＜k2＜1；k是控制周期序號(hào)；ε是任意小的正實(shí)數(shù)。

3 智能儀表實(shí)現(xiàn)及測(cè)試

設(shè)計(jì)的智能儀表功能強(qiáng)大，可接多路信號(hào)。該智能儀表性能的測(cè)試主要通過(guò)工業(yè)中常用的溫度控制對(duì)象來(lái)測(cè)試。溫度檢測(cè)使用Pt100熱電阻溫度傳感器，內(nèi)部自編專家PID算法，通過(guò)繼電器控制加熱，系統(tǒng)原理圖如圖10所示。

通過(guò)編寫Modbus通信協(xié)議，在上位PC機(jī)的組態(tài)王軟件中實(shí)現(xiàn)溫度監(jiān)控結(jié)果如圖11所示。

圖10 溫度控制原理圖Fig.10 Temperature control principle diagram

圖11 鍋爐溫度控制曲線圖Fig.11 Boiler temperature control curve

在圖11的溫度測(cè)控中，當(dāng)設(shè)定溫度值由45℃階躍到55℃時(shí)，根據(jù)調(diào)試，把專家PID算法的相關(guān)參數(shù)分別設(shè)置為誤差上限M1根據(jù)控制要求分別設(shè)置為 3.0、1.0、0.8；誤差下限 M2=0.2，增益放大系數(shù)k1=1.5，抑制系數(shù)k2=0.4，ε=0.1。經(jīng)過(guò)專家PID控制調(diào)試最終使其溫度能夠穩(wěn)定在55℃，穩(wěn)態(tài)誤差為±0.18%，而且可以達(dá)到?jīng)]有超調(diào)。

4 結(jié)語(yǔ)

以MSP430單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)的多功能智能儀表可分為信號(hào)采集處理、程序算法控制、上位機(jī)軟件監(jiān)控3部分。該智能儀表功耗低，工作穩(wěn)定可靠，集多信號(hào)檢測(cè)、多形式輸出、顯示、聯(lián)網(wǎng)、存儲(chǔ)、控制等功能于一體，經(jīng)實(shí)際測(cè)試各項(xiàng)功能均能正常實(shí)現(xiàn)，智能化程度高，具有很好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

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