基于WorldFIP現(xiàn)場總線的振動測量儀表開發(fā)

　　1　WorldFIP現(xiàn)場總線概述

　　WorldFIP選擇OSI模型中的物理層,數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。物理層能支持的通信速度為31.25kb/s、1Mb/s及2.5Mb/s。傳輸介質(zhì)為屏蔽雙絞線或光纖。數(shù)據(jù)傳送使用ManchesterⅡ編碼機(jī)制,好處是內(nèi)含時鐘信息。數(shù)據(jù)鏈路層采用緩沖區(qū)數(shù)據(jù)傳送機(jī)制支持變量交換和報文傳送,具有周期和非周期兩種傳送方式。WorldFIP在介質(zhì)訪問控制機(jī)制為令牌方式,總線通信機(jī)制由總線仲裁器管理。它主要行使三種功能:掃描周期變量、掃描非周期變量和報文傳送。WorldFIP現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)中,同一時刻各個站根據(jù)行使功能的不同可分為兩類,即總線仲裁器和生產(chǎn)者/使用者。任何WorldFIP站都具有行使這兩種功能的能力,但是在任何一個給定瞬間,只有一個站可以執(zhí)行總線仲裁功能。應(yīng)用層提供的服務(wù)包括:本地讀寫、遠(yuǎn)程讀寫、指示服務(wù)以及數(shù)據(jù)有效性驗證等。

　　2　儀表的總體設(shè)計

　　本儀表電路原理圖如圖1所示,主要由采集模塊和通信?？靸纱蟛糠纸M成。采集模塊由交、直流數(shù)據(jù)采集電路和鍵相信號整形電路組成。原始振動信號首先經(jīng)過交直流分離分成兩路,交流信號經(jīng)過由MAX291組成的濾波電路和信號調(diào)理電路后,進(jìn)入二次濾波電路,二次濾波電路采用MAX291內(nèi)部的運(yùn)算放大器,這樣可以消除前一級開關(guān)電容濾波器所產(chǎn)生的尖峰脈沖,并且可以對信號的振幅進(jìn)行調(diào)整以方便A/D轉(zhuǎn)換。MAX291的截止頻率可由單片機(jī)控制。A/D轉(zhuǎn)換器選用MAX186,該芯片具有8路模擬輸入及SPI串行輸出,由于68HC12自帶SPI口,因此可方便的與MAX186相連。工作過程中, A/D轉(zhuǎn)換器依次對8個通道進(jìn)行輪回轉(zhuǎn)換, MAX186的采樣速度高達(dá)133kb/s,采樣結(jié)果的相位誤差很小,對數(shù)據(jù)分析影響不大。由于直流分量(間隙電壓)僅反映間隙,設(shè)備運(yùn)行中一般變化不大,而68HC12內(nèi)嵌的8路A/D轉(zhuǎn)換器分辨率達(dá)10位,因此可直接用于直流分量的采集。

　　在鍵相信號整形電路中,脈沖信號電平變化范圍一般在-8~-22V之間,而且由于現(xiàn)場的干擾,此信號不能直接使用,必須經(jīng)過一系列預(yù)處理。預(yù)處理電路主要由隔離電路、限幅電路、反相放大電路、濾波電路、光電耦合電路和單穩(wěn)態(tài)電路組成。最后變換成0~5V標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號,其原理圖如圖2所示。鍵相脈沖到達(dá)后,經(jīng)隔離電路濾去直流成分,交流部分由二極管組成的限幅電路進(jìn)行幅值限定,反相放大器和濾波電路進(jìn)一步調(diào)整脈沖的幅度,并濾去其中的干擾脈沖。光電耦合電路實現(xiàn)單片機(jī)和前向通路之間的隔離,以免單片機(jī)受強(qiáng)電壓和共模干擾的影響。A3為由555構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路,產(chǎn)生5V電壓脈沖供單片機(jī)使用。

　　此外,由于振動測量數(shù)據(jù)采集量大,單片機(jī)內(nèi)部所提供的RAM不能滿足要求,因此必須擴(kuò)展外部存儲器以暫存采集的數(shù)據(jù)。由于68HC12工作在單片模式下,對外不提供地址和數(shù)據(jù)總線,因此,必須通過模擬總線時序?qū)崿F(xiàn)擴(kuò)展存儲器訪問?，F(xiàn)場總線通信控制器選用的是MICROFIP,由于與68HC12的讀寫時序不匹配,因此訪問MICROFIP模塊也只能采用模擬總線時序。這相應(yīng)的增加了軟件的代碼量。其接口電路圖如圖3所示。

　　MICROFIP的讀寫時序通過組態(tài)設(shè)置為Motroro-la風(fēng)格的地址數(shù)據(jù)復(fù)用總線工作時序,其地址數(shù)據(jù)復(fù)用線AD0~AD7與68HC12的端口A相連, PB0與MICROFIP的A8相連,兩芯片復(fù)位引腳相連,上電時MICROFIP隨68HC12一起復(fù)位。MCIROFIP的IRQ腳連接68HC12的IRQ引腳。片選信號CSN與PP5連接,低電平有效。MICROFIP的EORDN和RWN管腳分別與PE7和PE2連接,但此時PE2和PE7不用作特殊用途,只當(dāng)作一般的I/O口使用,均為低電平有效。

　　3　軟件實現(xiàn)

　　儀表的軟件部分采用模塊化軟件設(shè)計技術(shù),包括主程序模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、PWM輸出模塊、轉(zhuǎn)速預(yù)估模塊、EEPROM編程擦除模塊、通信模塊、定時器中斷服務(wù)模塊、外部中斷服務(wù)模塊、模擬總線時序模塊、MICROFIP模擬總線時序模塊、自檢模塊等。其中通信模塊包括MICROFIP初始化模塊,變量讀寫模塊,消息收發(fā)模塊。主程序模塊是系統(tǒng)軟件的核心,其流程如圖4所示。本部分將通過介紹系統(tǒng)主程序模塊來說明儀表的整個工作進(jìn)程。

　　系統(tǒng)上電后,立即開始初始化過程,設(shè)定68HC12工作模式,端口E工作方式,定時器各端口工作方式,看門狗功能,外部中斷響應(yīng)方式,設(shè)定中斷優(yōu)先級,分配堆?？臻g等操作。之后,系統(tǒng)開始對通信控制器MICROFIP進(jìn)行初始化,設(shè)定MICROFIP各控制器的初值。接著,初始化PWM功能塊,并按默認(rèn)值設(shè)定輸出脈沖周期和占空比,此脈沖信號將作為MAX291的輸入時鐘。本設(shè)計是以汽輪機(jī)轉(zhuǎn)軸為假想測量對象,因此其基頻為50Hz,一般前相通路中將濾掉其12.5倍頻以上的高頻成份,而MAX291的輸入時鐘和截止頻率比為100∶1;因此, PWM的輸出時鐘頻率應(yīng)為100*12.5*50=62 500Hz。接下來,系統(tǒng)將連續(xù)查詢采樣允許控制寄存器的值,如禁止采樣,系統(tǒng)將繼續(xù)查詢外部中斷標(biāo)志寄存器,如沒有系統(tǒng)將繼續(xù)查詢采樣允許控制寄存器,如此循環(huán)。如果有外部中斷產(chǎn)生,系統(tǒng)立即進(jìn)入其中斷服務(wù)子程序,讀取MICROFIP中斷狀態(tài)寄存器的內(nèi)容,看上位機(jī)是否有新的組態(tài)設(shè)置要求,如有則開始按要求設(shè)置新的組態(tài)參數(shù),并重新對MICROFIP進(jìn)行初始化。如果沒有新的組態(tài)要求,則系統(tǒng)退出中斷服務(wù)子程序后,直接查詢采樣控制寄存器,等待上位機(jī)的開始采樣命令。收到命令后,開始一次數(shù)據(jù)采集過程,將采集的數(shù)據(jù)送入現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)庫。

　　系統(tǒng)每開始一次數(shù)據(jù)采集,總是對通道8個通道進(jìn)行輪流采集,因此每開始一次采集都有8個數(shù)據(jù)產(chǎn)生,如果某些通道不要求采集,系統(tǒng)依舊維持原有的輪流次序,但是舍棄這些通道對應(yīng)的采集數(shù)據(jù),這樣做的好處是可維持誤差的恒定,有利于以后的誤差分析。如果本周期的最后一次交流采樣完畢后,系統(tǒng)將進(jìn)入直流信號的數(shù)據(jù)采集過程,進(jìn)入此過程之前,系統(tǒng)首先查詢是否有直流采樣的要求,如果沒有,本周期的數(shù)據(jù)采樣完畢;如果有則系統(tǒng)進(jìn)入直流采樣過程,調(diào)用直流數(shù)據(jù)采樣及存儲子程序完成此過程。由于直流信號對應(yīng)渦流探頭的間隙電壓,變化緩慢,相對較長的采樣周期不會影響樣本的精度。

　　交直流采樣都完畢后,系統(tǒng)將檢查是否采用周期數(shù)已達(dá)到要求,如果沒有則開始下一周期的采樣,采樣過程和前一周期的過程一樣,否則重新設(shè)定采樣間隔時間,并允許系統(tǒng)數(shù)據(jù)采樣,同時上傳采集的數(shù)據(jù)給現(xiàn)場總線供上位機(jī)完成數(shù)據(jù)的處理分析。

　　從儀表的整個工作進(jìn)程不難看出,對振動數(shù)據(jù)的采集采用的是整周期采樣方案。設(shè)每通道采樣點數(shù)為K=MN (M為每周期采樣點數(shù), N為采樣周期數(shù)),本設(shè)計中,轉(zhuǎn)速信號的倍頻是通過軟件實現(xiàn)的,利用68HC12定時器輸入捕捉,實時記錄前后兩次鍵相脈沖到達(dá)的時間,并根據(jù)前三轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速估算本次轉(zhuǎn)速,將其M等分后,用此結(jié)果刷新輸出比較定時器的計數(shù)值。開啟此定時器后,定時器輸出端口將輸出一個M倍頻的脈沖波。

　　4　結(jié)論

　?、偎O(shè)計的振動測量儀表采用WorldFIP通信協(xié)議,使得振動信號可以直接引入具有WorldFIP接口的控制系統(tǒng),通過相應(yīng)的OPC模塊,控制系統(tǒng)可以使用或進(jìn)一步處理振動數(shù)據(jù),從而使振動測量可通過控制系統(tǒng)的軟硬件平臺實現(xiàn),降低了硬設(shè)備的投入,簡化了設(shè)備管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

　?、诶梦⑻幚砥鲀?nèi)嵌模塊實現(xiàn)了同步整周期采樣。

　?、劾肕CU內(nèi)嵌的A/D模塊實現(xiàn)了直流分量的采集,減少了器件數(shù)量,降低了功耗。

　　④儀表中使用了內(nèi)部資源豐富的68HC12微處理器,簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu),降低了成本,也提高了可靠性。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]　楊國田,白焰.摩托羅拉68HC12系列微控制器原理、應(yīng)用與開發(fā)技術(shù)[M].北京:中國電力出版社, 2003.

　　[2]　楊國田,張玉·振動測量中同步整周期采樣的一種實現(xiàn)方案[J].發(fā)電設(shè)備, 1998 (1): 25~26.

　　[3]　周益仁,等·現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)[M].北京:國防工業(yè)出版社, 2003.

　　[4]　鄧艾東,許春林,張紅星·振動故障系統(tǒng)中的同步鍵相信號處理[J].風(fēng)機(jī)技術(shù), 2001 (5): 61~63.