基于MSP430及PROFIBUS的監(jiān)測(cè)子站設(shè)計(jì)

　　引 言

　　在電力、鋼鐵、石油、化工等行業(yè)中，有著大量的減速機(jī)、風(fēng)機(jī)、泵站等機(jī)械設(shè)備，些設(shè)備如果在帶病狀態(tài)下工作，會(huì)大大縮減其使用壽命，影響生產(chǎn)，給企業(yè)帶來經(jīng)濟(jì)損失。傳統(tǒng)上依靠工作員耳聽、手摸的方法發(fā)現(xiàn)存在的隱患，受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和診斷者經(jīng)驗(yàn)的制約，常常會(huì)出現(xiàn)漏診、誤診的現(xiàn)象。同一臺(tái)設(shè)備的兩次檢查時(shí)間間隔較，也不利于異常情況的及時(shí)發(fā)現(xiàn)。因此，工廠的在線監(jiān)測(cè)就顯得十分重要。

　　減速機(jī)常見的驅(qū)動(dòng)設(shè)備之一，其工作是否異常的重要參數(shù)是：振動(dòng)情況、軸承溫度、輸出軸轉(zhuǎn)速、電機(jī)電流、電壓等。通過振動(dòng)信號(hào)，可以知道齒輪嚙合、動(dòng)平衡是否正常；通過軸承溫度，可以知道軸承的間隙、潤(rùn)滑是否良好；通過輸出軸的轉(zhuǎn)速和電機(jī)電流，可以知道是否過載。子站的主要功能是監(jiān)測(cè)、處理，數(shù)據(jù)上傳，超限報(bào)警。

　　1.  總體結(jié)構(gòu)

 
　　分布式監(jiān)控系統(tǒng)一般是在監(jiān)控中心布置主站，在各個(gè)監(jiān)控點(diǎn)布置子站，通過總線結(jié)構(gòu)將主站和子站連接起來（圖 1）。子站將各個(gè)傳感器的信息采集處理后，將一部分重要數(shù)據(jù)顯示在子站的顯示設(shè)備上，同時(shí)將所有數(shù)據(jù)通過總線上傳給主站，主站將各個(gè)子站上傳的信息分析處理后顯示給運(yùn)行監(jiān)控人員，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大范圍運(yùn)行設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)。

　　                             圖1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)采用德州儀器的MSP430F149作為控制器，通過SIMENS公司的SPC3芯片實(shí)現(xiàn)與PROFIBUS-DP總線連接。選用標(biāo)準(zhǔn)4～20mA電流信號(hào)輸出的振動(dòng)傳感器，電機(jī)的電流、電壓通過轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)0～3V輸出。在軸承位置安裝DS18B20溫度傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)軸溫的監(jiān)控（減速機(jī)工作的正常溫度為50～60℃，一般滾動(dòng)軸承工作不能超過95℃）。輸出軸上安裝脈沖輸出的轉(zhuǎn)速傳感器。MSP430F149 將以上運(yùn)行信號(hào)采集處理后，通過LCD顯示，同時(shí)上傳到總線，向主站報(bào)告該子站的運(yùn)行狀況。

　　2.  相關(guān)介紹

　　2．1  MSP430F149微控制器

　　MSP430F149是TI公司生產(chǎn)的一種超低功耗、混合信號(hào)16位控制器，工作電壓1.8~3.6V。該單片機(jī)具有豐富的外圍功能，內(nèi)部集成多通道12位A/D轉(zhuǎn)換器、硬件乘法器、60KB的Flash和2KB的RAM，運(yùn)行環(huán)境溫度范圍為-40℃～+85℃,可以適應(yīng)各種惡劣的環(huán)境，非常適合作為現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的終端控制器。

　　2．2  PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線

　　PROFIBUS是一種不依賴生產(chǎn)廠家的、開放式的現(xiàn)場(chǎng)總線，是目前際上通用的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)之一，以其獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)、嚴(yán)格的認(rèn)證規(guī)范、開放的標(biāo)準(zhǔn)、眾多廠商的支持和不斷發(fā)展的應(yīng)用行規(guī)，已被納入現(xiàn)場(chǎng)總線的國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158和歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170,并于2001年被定為我國的國標(biāo)JB/T10308.3-2001。PROFIBUS-DP（Decentralized Periphery，分布式外圍設(shè)備）主要用于自動(dòng)化系統(tǒng)中單元級(jí)控制系統(tǒng)與分散式通信，使用第1層、第2層和用戶接口層，其余3～7層未使用，這種精簡(jiǎn)的結(jié)構(gòu)確保了高速數(shù)據(jù)傳輸。

　　2．3  SPC3協(xié)議專用芯片

　　PROFIBUS-DP物理層是RS-485，但通信協(xié)議比較復(fù)雜。SPC3是SIEMENS公司的專用協(xié)議芯片，使用該芯片后可以將復(fù)雜的協(xié)議撇開。SPC3集成了DP協(xié)議中的FDL層，因?yàn)镾PC3集成了完整的DP總線協(xié)議，所以在與主站通信時(shí)，單片機(jī)使用SPC3芯片就像操作內(nèi)部RAM，使從站控制器的編程工作量大為減輕。SPC3保障報(bào)文的有效性，可滿足整個(gè)報(bào)文的一致性數(shù)據(jù)交換。總線接口是個(gè)可參數(shù)化的同步/異步8位接口，內(nèi)部集成了1.5K的雙口RAM，整個(gè)RAM采用8字節(jié)的段結(jié)構(gòu)方式，所有需要分配地址的BUF指針，必須指向段的開頭。DP通信的服務(wù)存取點(diǎn)由SPC3自動(dòng)建立，各種報(bào)文信息呈現(xiàn)在用戶面前的是不同BUF的內(nèi)部數(shù)據(jù)。

　　3.  系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)的硬件主要由鍵盤、顯示模塊、通信模塊、系統(tǒng)測(cè)量模塊組成（圖2）。采用3×3行列掃描鍵盤可以大大節(jié)省I/O口的占用。128×64點(diǎn)陣圖形LCD可以顯示大量信息。為了保存一些設(shè)定的參數(shù)和運(yùn)行數(shù)據(jù)，選用Microchip公司生產(chǎn)的串行存儲(chǔ)器芯片24LC02B，它采用I2C總線接口，以256個(gè)字節(jié)為單位組成一塊，頁寫緩沖區(qū)高達(dá)8個(gè)字節(jié)，1百萬次擦寫。通信模塊由SPC3芯片及外圍電路組成，由于SPC3采用的是5V供電，而MSP430F149采用3.3V供電，在硬件設(shè)計(jì)中要考慮3.3V邏輯系統(tǒng)和5V邏輯系統(tǒng)共存，器件對(duì)加到輸入腳或輸出腳的電壓通常是有限的，這些引腳由二極管或分離元件接到Vcc，為了避免元器件的損壞和數(shù)據(jù)的丟失，采用專用的電平轉(zhuǎn)換器SN74LVCC4245A芯片，它是一個(gè)8bit寬度的雙向I/O電平轉(zhuǎn)換器，BUS B為3.3V數(shù)據(jù)，BUS A為5V數(shù)據(jù)連接SPC3芯片，其中DIR決定數(shù)據(jù)方向。SPC3中斷信號(hào)X/INT通過電平轉(zhuǎn)換后送入P1.6，為單片機(jī)提拱通信中斷信號(hào)。為了提高通信的抗干擾性，SPC3的內(nèi)部電路必須與物理接口在電器上隔離，采用高速光耦HCPL7101和SN75ASL176D收發(fā)器保障了PROFIBUS總線通信的高可靠性。

　　軸溫測(cè)量采用美國DALLAS公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字式溫度測(cè)量芯片的DS18B20，工作電壓3.0V~5.5V，測(cè)溫范圍為-55℃~+125℃，具有總線結(jié)構(gòu)，通過P2.0就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)8個(gè)溫度傳感器信號(hào)的采集。

　　                                                      圖2  系統(tǒng)接口電路圖

　　4.  系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)上電后，首先要對(duì)SPC3和LCD進(jìn)行初始化，配置寄存器。主程序
中根據(jù)中斷請(qǐng)求分別調(diào)用信號(hào)采集、鍵盤顯示和通信程序。

　　4．1 狀態(tài)信號(hào)采集

　　信號(hào)采集程序的調(diào)用是由定時(shí)器中斷產(chǎn)生的，由于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不參與實(shí)時(shí)控制，同時(shí)為了避免總線上大量數(shù)據(jù)的傳輸，每2秒產(chǎn)生一次中斷，執(zhí)行信號(hào)采集。狀態(tài)信號(hào)經(jīng)過外部電路轉(zhuǎn)換后，進(jìn)入MSP430單片機(jī)時(shí)都為模擬電壓信號(hào)，在程序上主要是A/D轉(zhuǎn)換和濾波。對(duì)于溫度傳感器，由于是采用總線連接，對(duì)應(yīng)不同的地址，調(diào)用8次讀溫度子程序，刷新溫度緩存器中的數(shù)值，等待顯示程序和通信程序的調(diào)用。轉(zhuǎn)速測(cè)量采用定時(shí)器及中斷計(jì)數(shù)的方法。

　　4．2   鍵盤顯示

　　鍵盤采用行列掃描方式，當(dāng)有按鍵動(dòng)作時(shí)，產(chǎn)生中斷信號(hào)，執(zhí)行參數(shù)設(shè)定、顯示、翻頁等程序。LCD顯示模塊內(nèi)部含有字庫，因此不需要進(jìn)行字模的編寫。初始化完成后，定時(shí)向顯示緩存區(qū)送出要刷新的數(shù)據(jù)。

　　4．3  通信接口

　　通信接口軟件在系統(tǒng)中較為重要，包括三部分：SPC3初始化、輸入處理和輸出處理。SPC3上電后首先要進(jìn)行一次初始化，設(shè)定SPC3寄存器變量名稱、硬件模式、地址及標(biāo)識(shí)號(hào)、各個(gè)BUF地址及長(zhǎng)度、取得BUF指針。當(dāng)SPC3產(chǎn)生信號(hào)給P1.6時(shí)，CPU產(chǎn)生中斷，執(zhí)行輸入處理程序，獲得總線上的指令和數(shù)據(jù)。子站在執(zhí)行狀態(tài)信號(hào)采集后，執(zhí)行一次數(shù)據(jù)輸出處理，向總線發(fā)送該子站的狀態(tài)參數(shù)。

　　4．4   GSD文件

　　編寫標(biāo)準(zhǔn)的GSD文件后，該子站就可以作為標(biāo)準(zhǔn)PROFIBUS設(shè)備使用，為各種不同的廠家所識(shí)別（系統(tǒng)主站為SIEMENS PLC-300）。GSD文件包括廠商和設(shè)備名稱、軟硬件版本號(hào)、波特率、監(jiān)控時(shí)間間隔和從站設(shè)備通道數(shù)量、類型等等。

　　5. 結(jié)束語

　　基于MSP430F149及PROFIBUS-DP總線的減速機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具有測(cè)量參數(shù)多、精度高，顯示靈活，傳輸距離遠(yuǎn)，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。在同等監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)下，成本遠(yuǎn)低于其它監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。本文以減速機(jī)為實(shí)例，闡述了具有總線結(jié)構(gòu)的分布式狀態(tài)監(jiān)測(cè)子站的構(gòu)建，在電力、石油、化工等領(lǐng)域中具有推廣價(jià)值。

　　本文作者創(chuàng)新觀點(diǎn)：提出了一種新的工廠在線監(jiān)測(cè)手段，將MSP430和PROFIBUS-DP總線技術(shù)結(jié)合在了一起，具有標(biāo)準(zhǔn)的總線接口，通用性很強(qiáng)，適用于遠(yuǎn)距離高速傳輸。系統(tǒng)使用時(shí)方便、簡(jiǎn)單，可以直接在LCD上顯示數(shù)據(jù)和信息，在遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中有著廣闊的應(yīng)用空間。

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