王皆歡，　邱怡岑

(上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所，上海 200135)

0　引　言

MA32XX系列的32點(diǎn)測(cè)量模塊已使用較長(zhǎng)時(shí)間，該測(cè)量模塊立足于滿足當(dāng)時(shí)用戶對(duì)機(jī)艙設(shè)備參數(shù)分布式測(cè)量需求，實(shí)現(xiàn)不同類型傳感器信號(hào)的獨(dú)立采集。32點(diǎn)測(cè)量模塊包含3組放大器，可同時(shí)進(jìn)行3類傳感器信號(hào)的采集，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)使用的不同需求，衍生出各類測(cè)量模塊。測(cè)量模塊可根據(jù)不同船型或不同類型的傳感器測(cè)量的需求，將毫安信號(hào)(4～20 mA)，PT100(0～100 ℃，0～200 ℃，0～600 ℃)，EU2(0～800 ℃)，電壓輸入(0～10 V)及開(kāi)關(guān)量信號(hào)進(jìn)行系統(tǒng)的整合。

此模塊的設(shè)計(jì)思路是將輸入信號(hào)調(diào)制到0～5 V范圍內(nèi)，CPU模塊通過(guò)單片機(jī)內(nèi)置的A/D、外置D/A和脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation, PWM)構(gòu)成的輸出反饋系統(tǒng)，可逐步調(diào)整信號(hào)的零點(diǎn)和量程，調(diào)整結(jié)束后將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并完成信號(hào)數(shù)字濾波、非線性補(bǔ)償及數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。測(cè)量模塊采用自適應(yīng)控制，根據(jù)不同的環(huán)境溫度可調(diào)節(jié)放大電路的零點(diǎn)和量程，以保證測(cè)量模塊在整個(gè)工作環(huán)境范圍內(nèi)正常工作，滿足測(cè)量的精度要求(見(jiàn)圖1)。

圖1　32點(diǎn)測(cè)量模塊硬件框圖

該設(shè)計(jì)使用模擬電路完成測(cè)量模塊故障判斷和模擬電壓反饋的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)標(biāo)定功能，以此實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集的精度要求，但也帶來(lái)了一些問(wèn)題。

1) 零點(diǎn)量程調(diào)節(jié)不便

由于調(diào)節(jié)手段為反饋式動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，通過(guò)不斷改變數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(Digital to Analog Converter, DAC)參考電壓，改變DAC輸出，從而調(diào)整標(biāo)定信號(hào)量程，直至滿足設(shè)定情況位置，零點(diǎn)調(diào)整則通過(guò)PWM反饋完成。因此每當(dāng)進(jìn)行電位器調(diào)節(jié)后，需要一定的時(shí)間進(jìn)行穩(wěn)定，實(shí)時(shí)性相對(duì)較差不利于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。

2) 模擬電路多使用分立器件，反饋調(diào)節(jié)電路因焊接質(zhì)量及電子器件質(zhì)量等原因，在模塊調(diào)試及現(xiàn)場(chǎng)使用過(guò)程中造成了不小的麻煩，對(duì)測(cè)量模塊可靠性造成影響。

3) 由于測(cè)量模塊在未進(jìn)入設(shè)定的標(biāo)定量程范圍內(nèi)不進(jìn)行正常工作，測(cè)量模塊現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行環(huán)境相對(duì)較差，溫度、濕度及振動(dòng)等原因都會(huì)導(dǎo)致標(biāo)定電位器阻值偏差，可能進(jìn)入非工作狀態(tài)，存在誤報(bào)警隱患。

4) 模塊標(biāo)定方式為同類通道統(tǒng)一標(biāo)定，對(duì)于某個(gè)通道因?yàn)椴蓸与娮璨町惢騻鞲衅鬏敵霾町惍a(chǎn)生的測(cè)量偏差無(wú)法進(jìn)行調(diào)節(jié)，采用2線制設(shè)計(jì)的電阻線阻根據(jù)不同環(huán)境需調(diào)整補(bǔ)償值，現(xiàn)場(chǎng)變更操作困難。

針對(duì)以上問(wèn)題，采用Advanced RISC Machine(ARM)架構(gòu)的LPC 1778芯片和高精度A/D轉(zhuǎn)換芯片ADS 1256的硬件架構(gòu)實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集功能，軟件設(shè)計(jì)上引入多任務(wù)系統(tǒng)，結(jié)合CANopen對(duì)象字典的結(jié)構(gòu)[1]實(shí)現(xiàn)模塊信號(hào)標(biāo)定和單通道的局部調(diào)整功能。

1　改型設(shè)計(jì)總體架構(gòu)

改型設(shè)計(jì)在原有功能不變的前提下，完善及擴(kuò)展測(cè)量模塊的各項(xiàng)功能，通過(guò)下位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)測(cè)量模塊的外部信號(hào)標(biāo)定，通過(guò)對(duì)象字典實(shí)現(xiàn)指定通道參數(shù)調(diào)整、實(shí)現(xiàn)波特率的調(diào)整及增加硬件通道定位的調(diào)試模式等。為能完全兼容上一代模塊，改型設(shè)計(jì)在確保所有接口形式不變、通訊協(xié)議不變及外形尺寸不變的前提下，從軟件、硬件兩方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖2　測(cè)量模塊改型設(shè)計(jì)后的硬件框圖

測(cè)量模塊改型設(shè)計(jì)后的硬件框圖見(jiàn)圖2，CPU板通過(guò)接插件與數(shù)據(jù)采集板相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)通信和信號(hào)存儲(chǔ)等功能。數(shù)據(jù)采集板通過(guò)外部接口與外部信號(hào)傳感器相連，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換及控制信號(hào)隔離等功能。

1.1　硬件電路設(shè)計(jì)

測(cè)量基板放棄原有動(dòng)態(tài)調(diào)整測(cè)量的設(shè)計(jì)，新設(shè)計(jì)使用基于ARM Cortex-M3的LPC 1778微控制器及AT 24C02鐵電存儲(chǔ)器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)通信等功能，模數(shù)轉(zhuǎn)換部分使用高精度的ADS 1256芯片，實(shí)現(xiàn)高精度及低噪數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

32路信號(hào)采集通道由五組電子開(kāi)關(guān)CD 4051通過(guò)片選形式，完成各通道采集信號(hào)的切換輸出，3組零點(diǎn)量程標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)接口分別位于前三組CD 4051的起始兩路，根據(jù)采集信號(hào)的不同對(duì)信號(hào)接口稍微進(jìn)行改動(dòng)，即可實(shí)現(xiàn)不同種類信號(hào)的采集功能，其部分信號(hào)接口見(jiàn)圖3。

圖3　信號(hào)采集接口

1) 4～20 mA信號(hào)連接方式。當(dāng)輸入是4～20 mA電流信號(hào)時(shí)，去除電路中的上拉電阻2 000 Ω和下拉電阻250 Ω，使電流在取樣電阻上形成電壓，增加了限流模塊防止進(jìn)行測(cè)量時(shí)的瞬間電流沖擊。

2) 0～10 V信號(hào)連接方式。當(dāng)輸入是0～10 V電壓信號(hào)時(shí)，去除電路中的上拉電阻2 000 Ω和采樣電阻100 Ω，F(xiàn)以0 Ω電阻連接，電壓經(jīng)過(guò)電阻分壓后，可使AD芯片上的電壓在采樣范圍內(nèi)。

3) 熱電偶信號(hào)連接方式。當(dāng)輸入信號(hào)為mV熱電偶信號(hào)時(shí)，去除電路中的上拉電阻2 000 Ω、采樣電阻100 Ω和下拉電阻250 Ω后，直接進(jìn)行測(cè)量。

4) 熱電阻信號(hào)連接方式。當(dāng)輸入信號(hào)為Pt熱電阻信號(hào)時(shí)，可不考慮線阻影響(由軟件補(bǔ)償實(shí)現(xiàn))，去除電路中的采樣電阻100 Ω和下拉電阻250 Ω，分壓后對(duì)AD芯片進(jìn)行測(cè)量。

當(dāng)輸入信號(hào)為開(kāi)關(guān)量信號(hào)時(shí)，通過(guò)熱電阻信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，在軟件配置中識(shí)別。

A/D轉(zhuǎn)換部分主要使用德州儀器的ADS1256 24位高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器(見(jiàn)圖4)，該芯片支持8通道單極輸入采集，該設(shè)計(jì)中使用AIN0～AIN5接口完成對(duì)CD 4051輸出口的接入，采樣速率高達(dá)30 ksps(千次采樣每秒)，非線性度±0.001%，可滿足改型設(shè)計(jì)的測(cè)量模塊采集通道切換時(shí)間的技術(shù)要求，芯片使用串行外設(shè)接口(Serial Peripheral Interface, SPI)通訊接口[2]，應(yīng)用軟件可通過(guò)調(diào)用底層SPI驅(qū)動(dòng)完成對(duì)ADS 1256模數(shù)轉(zhuǎn)換器的各類操作。

1.2　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1.2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

32點(diǎn)改型設(shè)計(jì)測(cè)量模塊使用與原設(shè)計(jì)不同的標(biāo)定和故障處理方式，原設(shè)計(jì)硬件部分實(shí)現(xiàn)的功能將盡可能由軟件實(shí)現(xiàn)。

軟件設(shè)計(jì)總體思路即在保持原用通訊協(xié)議的基礎(chǔ)上，根據(jù)控制器局域網(wǎng)絡(luò)(Controller Area Network, CAN)通訊協(xié)議對(duì)模塊的CAN通訊進(jìn)行應(yīng)用層的封裝，結(jié)合CANopen協(xié)議的形式建立對(duì)象字典，可通過(guò)CAN通訊對(duì)參數(shù)進(jìn)行必要的讀取和修改，實(shí)現(xiàn)標(biāo)定參數(shù)整定等功能。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖5。

圖4　A/D轉(zhuǎn)換電路

圖5　系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖

最上層的模塊應(yīng)用程序主要通過(guò)核心調(diào)度器完成信號(hào)采集、數(shù)據(jù)通信及故障報(bào)警等任務(wù)功能模塊，實(shí)現(xiàn)任務(wù)的優(yōu)先分配、任務(wù)間的內(nèi)容關(guān)聯(lián)及任務(wù)間的數(shù)據(jù)通訊等功能。

驅(qū)動(dòng)層軟件主要由信息采集芯片驅(qū)動(dòng)、SPI總線驅(qū)動(dòng)、IO驅(qū)動(dòng)及CAN接口驅(qū)動(dòng)等部分構(gòu)成。

數(shù)據(jù)采集值的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體通過(guò)SPI總線驅(qū)動(dòng)和采集芯片驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)采集、組裝、存儲(chǔ)及校準(zhǔn)等功能的算法與函數(shù)。數(shù)據(jù)通路自底向上，同時(shí)與網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)交互。開(kāi)關(guān)量及LED等狀態(tài)，依托于IO驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。

圖6　上層任務(wù)模型

數(shù)據(jù)采集任務(wù)包含常規(guī)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)標(biāo)定兩部分，數(shù)據(jù)標(biāo)定過(guò)程規(guī)定了模塊外接信號(hào)的觸發(fā)條件，根據(jù)寄存器標(biāo)志位及外部硬件跳線的不同接插情況進(jìn)行指定輸入類型的采集信號(hào)的零點(diǎn)量程的采集及存儲(chǔ)，常規(guī)采集過(guò)程通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)定值完成A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)運(yùn)算。

CAN通信任務(wù)包含CAN的收發(fā)功能，CAN接收過(guò)程主要實(shí)現(xiàn)對(duì)象字典查詢功能，CAN發(fā)送過(guò)程完成A/D數(shù)據(jù)處理后的封裝及發(fā)送，對(duì)象字典操作的反饋和標(biāo)準(zhǔn)的心跳報(bào)文。

故障報(bào)警任務(wù)實(shí)現(xiàn)初始化過(guò)程和正常運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)硬件故障的指示燈顯示和串口通訊邏輯。

1.2.2標(biāo)定設(shè)計(jì)

1.2.2.1整體標(biāo)定方法

系統(tǒng)在初始化硬件過(guò)程中會(huì)讀取鐵電標(biāo)定標(biāo)志位，如果標(biāo)志位有效則讀取對(duì)應(yīng)標(biāo)定值更新至對(duì)象字典，開(kāi)始常規(guī)數(shù)據(jù)采集任務(wù)。當(dāng)外部信號(hào)需要標(biāo)定時(shí)，需讀取板載跳線標(biāo)定信號(hào)，根據(jù)信號(hào)情況進(jìn)行指定類型通道的標(biāo)定。

具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程是當(dāng)啟動(dòng)標(biāo)定后，讀取選擇通道的零點(diǎn)和量程的輸入信號(hào)，計(jì)算A/D轉(zhuǎn)換值，將對(duì)應(yīng)的值更新至對(duì)象字典，同時(shí)將轉(zhuǎn)換值更新至鐵電存儲(chǔ)器，并刷新對(duì)應(yīng)的標(biāo)志位。具體標(biāo)定流程見(jiàn)圖7。

1.2.2.2局部調(diào)整方法

整體標(biāo)定結(jié)束后，特定種類的信號(hào)量的線性關(guān)系基本確定，需對(duì)特定采集端口進(jìn)行微調(diào)，可采用對(duì)象字典的方式進(jìn)行操作。在對(duì)象字典用戶區(qū)創(chuàng)建一段數(shù)據(jù)空間，定義各通道的零點(diǎn)值、量程值及偏移量補(bǔ)償值等，通過(guò)服務(wù)數(shù)據(jù)對(duì)象(Service Data Objects, SDO)通訊協(xié)議[3]對(duì)特定對(duì)象字典進(jìn)行操作。SDO通訊協(xié)議見(jiàn)圖8。

圖7　標(biāo)定流程圖8　SDO協(xié)議

設(shè)計(jì)中使用數(shù)據(jù)字典索引地址0x3100～0x3200，包含32通道的參數(shù)信息，其中包含每個(gè)單元分配2字節(jié)的高位標(biāo)定值索引、2字節(jié)的低位標(biāo)定值索引、2字節(jié)模塊類型索引和2字節(jié)補(bǔ)償值索引等。

2　設(shè)計(jì)驗(yàn)證

在完成設(shè)計(jì)后對(duì)改型后的測(cè)量模塊進(jìn)行性能驗(yàn)證，測(cè)試目標(biāo)為12路4～20 mA，11路開(kāi)關(guān)量，9路PT 100(0～200 ℃)的32點(diǎn)測(cè)量模塊。其通信結(jié)果見(jiàn)圖9。

圖9　數(shù)據(jù)通信

數(shù)據(jù)刷新及其心跳報(bào)文根據(jù)軟件時(shí)顯示，刷新時(shí)間約為1 s，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.1　對(duì)象字典操作功能

對(duì)目標(biāo)模塊第1個(gè)測(cè)量類型(即4～20 mA)的零點(diǎn)進(jìn)行訪問(wèn)，訪問(wèn)格式為600+NodeId(NodeId ：0x1f-0x1e=0x1)，索引為00， 讀取值為0x1654，與默認(rèn)值相符(見(jiàn)圖10)。

圖10　字典查詢

同樣對(duì)該值進(jìn)行任意數(shù)值寫入操作，可以看到返回值以60開(kāi)頭，說(shuō)明修改成功。

2.2　實(shí)際采集測(cè)試功能

對(duì)測(cè)試目標(biāo)的第一路(4～20 mA)，第十三路(PT100)分別接入12 mA和138.50 Ω(100 ℃)。采集結(jié)果見(jiàn)圖12，第一路電流示數(shù)為0x202，轉(zhuǎn)換實(shí)際顯示值為12.03 mA，第十三路電阻為0x1fe，轉(zhuǎn)換實(shí)際顯示值為99.61 ℃，精度滿足設(shè)計(jì)要求。測(cè)試結(jié)果表明，改型設(shè)計(jì)后的模塊各項(xiàng)功能指標(biāo)均滿足改型要求。

圖11　字典修改

圖12　信號(hào)采集

3　結(jié)　語(yǔ)

通過(guò)對(duì)原有MA32XX 32點(diǎn)測(cè)量模塊進(jìn)行分析，對(duì)原有設(shè)計(jì)進(jìn)行改良和功能擴(kuò)展，數(shù)據(jù)采集端加入限流模塊防止瞬間電流沖擊，改變?cè)袠?biāo)定方式，并在實(shí)現(xiàn)外部標(biāo)定功能的前提下，通過(guò)對(duì)象字典的操作增加單通道整定功能，實(shí)現(xiàn)各采集通道的環(huán)境適應(yīng)性。此外，增加額外功能如波特率配置、通道鎖定及串口通訊等，在原有模塊功能不變的前提下，進(jìn)一步提升了模塊的可擴(kuò)展性及可操作性。改型后的模塊各項(xiàng)性能符合設(shè)計(jì)要求，目前該測(cè)量模塊已通過(guò)測(cè)試驗(yàn)證階段，將逐步投入正常的生產(chǎn)調(diào)試流程中。