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。電流量點對點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困難的缺點已經(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)點越來越明顯。本文實現(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)場儀表及傳感器進行改造的情況下，實現(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。其中，U8A為電流轉(zhuǎn)換電路，通過電阻R13對電流量進行采樣，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，即實現(xiàn)了輸出電壓的調(diào)零。U8D實現(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，通過與上位機的TCP Server通信實現(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，使其進入工作狀態(tài)。在系統(tǒng)進入正常工作狀態(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)采集器通過交換機或路由器接入以太網(wǎng)，多個上位機可以同時監(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)的點對點傳輸方式，本系統(tǒng)具有部署靈活、使用方便等特點。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)過實際使用，能夠極大的降低工業(yè)儀表及傳感器部署及維護的難度。

[1]劉艷,王鎖庭.工業(yè)儀表操作與維護[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.從零開啟大學(xué)生電子設(shè)計之路--基于MSP430 LaunchPad口袋實驗平臺[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2014:9-11.

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