【正文】 plifier gain setting program, ADC transition program, DAC transition program and processing subprogram by adopting assemble language of MCS—51 single chip and modularization program design method, and also designs corresponding munication protocol. Keywords Intelligent； Transducer； Communication； Singlechip； Fieldbus?？刂葡到y(tǒng)的各功能環(huán)節(jié)在信息的傳送、管理和操作上緊密配合，形成了高度復(fù)雜的分散型過(guò)程控制系統(tǒng)。這樣就使常規(guī)的模擬儀表日薄西山。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與軟件技術(shù)的高速發(fā)展給開放系統(tǒng)帶來(lái)了曙光。目前，在控制領(lǐng)域中，智能控制理論與技術(shù)是一個(gè)研究熱點(diǎn)，這種研究“熱”無(wú)疑將會(huì)使智能控制技術(shù)的應(yīng)用水平得到較快的提高。這種控制系統(tǒng)的發(fā)展又使智能系統(tǒng)成 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 2 為當(dāng)今控制系統(tǒng)發(fā)展的熱點(diǎn)。同時(shí)世界上一些主要的儀表制造廠相繼研制成功了帶微處理機(jī)構(gòu)的各種智能變送器，開創(chuàng)了“智能式”變送器的新階段。對(duì)自動(dòng)化的依賴性越來(lái)越大，變送器用量不斷增多，要求不斷提高。使用數(shù)字通信的信道復(fù)用技術(shù)和低功耗電路，使多個(gè)變送器可共用一條通信總線并進(jìn)行雙向通信，大大減少了現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)引線 [15]。隨后美國(guó)的Rosemount， Foxboro 等一些公司在 1986 年美國(guó)儀表學(xué)會(huì) (1SA)的會(huì)議上爭(zhēng)相推出了一些稱為 Smart 變送器的新型智能變送器系列。如果采用這種數(shù)字式集成化測(cè)量與控制方式，就能消除許多與模擬電路有關(guān)的誤差源，因而能達(dá)到更高的性能標(biāo)準(zhǔn)。另外由于智能變送器有環(huán)境溫度 及靜壓補(bǔ)償，不受日夜、冬夏溫差變化的影響，具有很好的重復(fù)性。 完善的自診斷功能 ,通過(guò)通信器可查出變送器自身診斷的故障結(jié)果信息。變更測(cè)量范圍時(shí)，不需要把變送器從過(guò)程線管線上拆下來(lái)，也不需要對(duì)變送器送入差壓信號(hào)或壓力信號(hào)，只需要通過(guò)SFC 鍵盤的簡(jiǎn)單操作就可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)定、變更和校準(zhǔn)，就像我們用遙控器對(duì)電視機(jī) 或錄像機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)距離操縱一樣。診斷顯示共有 27 種型式，通過(guò)這些顯示，立即可以識(shí)別問(wèn)題所在區(qū)段。如上所述智能變送器具有很多優(yōu)點(diǎn)，因此它最適用于測(cè)量范圍變化較大、環(huán)境條件較差而要求測(cè)量精度高和采用數(shù)字通信的大型控制系統(tǒng)及特殊應(yīng)用場(chǎng)合。 對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)總線尚未普及的情況，智能變送器可用于高空，塔頂或有毒有害氣體環(huán)境，人員不宜接近的場(chǎng)合，可減少維護(hù)人員的工作量及死亡的可能性。由于其更高的性能價(jià)格比，智能變送器不僅在二十一世紀(jì)的數(shù)字化時(shí)代，而且在現(xiàn)場(chǎng)總線時(shí)期也是大有可為的，必定有美好的應(yīng)用前景 [1]?，F(xiàn)場(chǎng)變送器將檢測(cè)信號(hào)變換為 4～ 20mADC 信號(hào)，經(jīng)雙絞線送入控制室內(nèi)的控制器中，經(jīng)控制運(yùn)算之后，將其輸出變換為 4～ 20mADC 信號(hào)，傳輸給現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行器件，完成過(guò) 程控制。 HART 通信協(xié)議參照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織 (ISO)制定的“開放系統(tǒng)互聯(lián)模型 (OSI)”，簡(jiǎn)化使用了其第 7層，即物理層、 數(shù)據(jù)鏈路層及應(yīng)用層。另外，數(shù)字信號(hào)的應(yīng)用，使現(xiàn)場(chǎng)智能變送器部分地采用了“明天的技術(shù)”，將 PID 調(diào)節(jié)、流量積算、設(shè)定值程序發(fā)生、曲線設(shè)定等功能下放到 HART 智能變送器中，實(shí)現(xiàn)控制功能下放。 HART 協(xié)議采用了 4～ 20mA DC 信號(hào)和數(shù)字信號(hào)進(jìn)行信息傳輸，與傳統(tǒng)的4～ 20mA DC 信號(hào)兼容，實(shí)現(xiàn)了雙向數(shù)字通信，可進(jìn)行總線式連接而節(jié)省電纜，比 4～ 20mA DC 信號(hào)傳輸方式的控制系統(tǒng)有了很大進(jìn)步。數(shù)字化無(wú)可置疑的優(yōu)點(diǎn)，導(dǎo)致了取代 4~20mA DC 的強(qiáng)烈要求，促使發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛推出了各自的數(shù)字總線和現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)。 盡管現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展不如想象中快，但最終其標(biāo)準(zhǔn)是必將建成的。不同傳輸方式的數(shù)字化變送器框圖如圖 12 所示。 本論文的主要工作 在充分了解國(guó)內(nèi)外變送器發(fā)展動(dòng)態(tài)的前提下，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了現(xiàn)場(chǎng)總線通信協(xié)議，研制了相應(yīng)的硬件裝置，完成了軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，進(jìn)行了系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)。隨著高參數(shù)、大容量設(shè)備的增加和過(guò)程工藝的復(fù)雜．對(duì)自動(dòng)化的依賴越來(lái)越大，變送器用量不斷增多．要求不斷提高。 圖 21 變送器工作原理圖 智能變送器采用 CPU 后，不僅可對(duì)溫度、濕度、流量、位移等物理 量進(jìn)行測(cè)量與變送，還能大大提高系統(tǒng)的可靠性與精度， 實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用 。 圖 22 硬件原理設(shè)計(jì)框圖 由傳感器將非電量信號(hào)變換為電量信 號(hào) 進(jìn) 行 放大、濾波等變換電路 CPU 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理 將 過(guò)接口電路 進(jìn) 行 顯示、信號(hào)遠(yuǎn)傳 CPU TLC 25 43 增益調(diào)節(jié)電路 增益調(diào)節(jié)電路 傳感器 傳感器 看門狗、存儲(chǔ)器電路 DAC0832 V/I 光隔 RS485 接口 鍵盤、液晶顯示電路 4~20mA xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 9 單片機(jī)選擇 因 MCS— 51 系列單片機(jī)已被國(guó)內(nèi)用戶廣泛認(rèn)可和應(yīng)用，貨源充足，資料豐富，仿真工具種類繁多且成熟，因此設(shè)計(jì)選用 ATMEL 公司生產(chǎn)的 80C52 單片機(jī)，其本身具有 8051CPU 內(nèi)核，片內(nèi) 256 字節(jié) RAM、特殊功能寄存器 SFR、時(shí)鐘頻率 、 3 個(gè) 8 位并行 I/O 口、 2 個(gè) 16 位定時(shí)計(jì)數(shù)器、全雙工串行口、布爾處理器 、 4 層優(yōu)先級(jí)中斷結(jié)構(gòu) ， 兼容 TTL 和 CMOS 邏輯電平 。在多傳感器應(yīng)用系統(tǒng)中，給運(yùn)放電路設(shè)計(jì)、調(diào)試、維修帶來(lái)了很大困難。從理論上講改變集成運(yùn)算放大器 (運(yùn)放 )的反饋電阻或輸入電阻，即可改變放大器的增益 。缺點(diǎn)是多路模擬開關(guān)的導(dǎo)通電阻影響放大器的增益。非易失性數(shù)控電 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 10 位器克服了模擬電 位器的主要缺點(diǎn)，無(wú)噪聲，壽命長(zhǎng)，阻值可程控改變，可設(shè)定阻值掉電記憶。 AD623 允許使用單個(gè)增益設(shè)置電阻進(jìn)行增益編程，以得到更好的用戶靈活性，且符合 8 引腳的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)配置。 AD623 具有較寬的共模輸入范圍，它可以放大具有低于低電平 150mv 的共模電壓的信號(hào)。差分輸入為： xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 11 =(1+ ) （ 2— 1） 然后差分電壓通過(guò)輸出放大器轉(zhuǎn)變?yōu)閱味穗妷海摲糯笃饕材芤种迫魏喂材］斎腚妷阂鸬妮敵鲂盘?hào)中的（共模）電壓。由于所有的放大 器都是電壓反饋性放大器，所以 AD623 的帶寬隨增益的增大而減小。 AD623 被設(shè)計(jì)為使用 %～1%容限的電阻提供精確的增益。每個(gè)電位器包括一個(gè)電阻陣列、一個(gè)滑動(dòng)端計(jì)數(shù)寄存器以及 4 個(gè)數(shù)據(jù)寄存器?；瑒?dòng)端計(jì)數(shù)寄存器的內(nèi)容控制滑動(dòng)端在電阻陣列中的位置。這些陣列可以串聯(lián)起來(lái)成為具有 12 190 或 253 個(gè)抽頭的電阻元件。一九九八年以來(lái)開始在我國(guó)推廣使用。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，各種高精度、低功耗、可編程、低成本的 A/D 轉(zhuǎn)換器不斷推出，使得控制系統(tǒng)的電路更加簡(jiǎn)潔，可靠性更高。 AD 轉(zhuǎn)換時(shí)間為 10 微秒，采樣率為 66Kbps，具有單 +5V 電源工作的方式，且提供 3 路內(nèi)置自測(cè)方式。 CS 由低到高的變化將在一個(gè)設(shè)置時(shí)間內(nèi)禁止 DATA INPUT 和 I/O CLOCK。在最后的 I/O CLOCK 下降沿之后， EOC 由高電平變?yōu)榈碗娖讲⒈３值睫D(zhuǎn)換完成及數(shù)據(jù)準(zhǔn)備傳輸 。最大輸入電壓范圍取決于兩端電壓差 。 在 TLC2543 的 CS 變低時(shí)開始轉(zhuǎn)換和傳送過(guò)程， I/O CLOCK 的前 8 個(gè)上升沿將 8 個(gè)輸入數(shù)據(jù)位鍵入輸入數(shù)據(jù)寄存器，同時(shí)它將前一次轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)的其余11 位移出 DATA OUT 端，在 I/O CLOCK 下降沿時(shí)數(shù)據(jù)變化 。其中前四位為模擬通道地址，控制 14 通道模擬多路器從 11 個(gè)模擬輸入和 3 個(gè)內(nèi)部自測(cè)電壓中，選通一路送到采樣保持電路，該電路從第 四個(gè) I/O CLOCK 脈沖的下降沿開始對(duì)所選信號(hào)進(jìn)行采樣，直到最后一個(gè) I/O CLOCK 脈沖下降沿。在 DATA OUT 短串行輸出 12 或 16 為各數(shù)據(jù)，當(dāng)插入 /CS 高電平脈沖控 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 14 表 21 TLC2543 真值表 PUNCTION SELECT INPUT DATA BYTE ADDRESS BITS L1 L0 LSBF BMP D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 (LSB) (MSB) Select input channel AIN0 0 0 0 0 AIN1 0 0 0 1 AIN2 0 0 1 0 AIN3 0 0 1 1 AIN4 0 1 0 0 AIN5 0 1 0 1 AIN6 0 1 1 0 AIN7 0 1 1 1 AIN8 1 0 0 0 AIN9 1 0 0 1 AIN10 1 0 1 0 Select voltage （ Vref+Vref） )/2 1 0 1 1 Vref） 1 1 0 0 Vref+ 1 1 0 1 Output data length 8 bits 0 1 12 bits X 0 16 bits 1 1 Output data format MSB first 0 LSB first 1 Unlpolar 0 Blpoar 1 制器 件工作時(shí)， 第一個(gè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)在 /CS 下降沿；當(dāng) /CS 保持為低時(shí) ,第一個(gè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)在 EOC 的上升沿，后續(xù)數(shù)據(jù)在 I/O CLOCK 下降沿依次輸出，這個(gè)數(shù)據(jù)串是前一次轉(zhuǎn)換的結(jié)果。其引腳如圖 26 所示。輸出分為單極型輸出和雙極性輸出。具有多路轉(zhuǎn)換，采樣保持，及 V/I 變換功能。地址譯碼具有禁止功能，可根據(jù)CPU 給出的地址信號(hào)，方便的選擇其輸入通道，從而使輸入與輸出相連通。即使輸入電壓等于電源電壓時(shí)，也可以將輸入直接耦合到輸出端。X5045 是一種集成看門狗、電壓監(jiān)控和串行 EPROM 三種功能于一身的可編程電路。該信號(hào)可避免系統(tǒng)微處理器在電壓不足或振蕩器未穩(wěn)定的情況下工作。而當(dāng) Vcc 返回并超過(guò) Vtrip 達(dá) 200ns 時(shí)，系統(tǒng)重新開始工作。 X5045 可提供最少為 10 萬(wàn)次擦 寫和 100 年的數(shù)據(jù)保存期，并具有串行外圍接口（ SPI）和軟件協(xié)議的特點(diǎn)，允許工作在簡(jiǎn)單的四總線上。用戶可停止時(shí)鐘，然后再啟動(dòng)它，以便在它停止的地方恢復(fù)操作。狀態(tài)寄存器的格式如下： 表 23 Status Register(Default = 00H) 7 6 5 4 3 2 1 0 0 0 WD1 WD0 BL1 BL0 WEL WIP WIP 是易失性只讀位，用于聲明器件是否忙于內(nèi)部易失性寫操作。 WD0， WD1 位用于選擇看門狗的超時(shí)周期。該操作由 CS 變高結(jié)束。電路原理如圖 211 所示。 顯示器模塊如圖 212 所示： VDD+ 3. 3V0WR22V s sGNDRD24CS25RS26R E T27D B 028D B 129V E E+ 3. 3 VB L AI N TB U S Y35D B 736D B 637D B 538D B 439D B 340D B 241C O M P O N E N T _ 1V C C 圖 212 顯示器接口電路 鍵盤接口電路設(shè)計(jì) 電路圖如圖 213 所示。 ：按下該鍵，說(shuō)明參數(shù)輸入完畢，將通道參數(shù)存入 X5045 存儲(chǔ)器中。 本章小結(jié) 綜上所述，硬件設(shè)計(jì)特點(diǎn)有以下幾方面： 。 顯示器 使信息顯示清晰易懂。在設(shè)計(jì)監(jiān)控程序時(shí)，在通信、定時(shí)采集數(shù)據(jù)、鍵盤掃描、數(shù)據(jù)顯示等功能中，為及時(shí)響應(yīng)其它儀 器通信要求，通信功能的優(yōu)先級(jí)別應(yīng)最高，次之為定時(shí)采集數(shù)據(jù)，優(yōu)先級(jí)別最低為數(shù)據(jù)顯示，各作業(yè)之間具有明顯優(yōu)先級(jí)的差別，所以監(jiān)控程序采用作業(yè)優(yōu)先調(diào)度型，優(yōu)先級(jí)高者先運(yùn)行 [6]。程序設(shè)計(jì)流程如圖 32 所示 。即連續(xù)采樣 7次，將其累加求和同時(shí)找出其中的最大值和最小值，再?gòu)睦奂雍椭袦p去最大值開始 A=5 K=5000/A Rf=100KΩ /(K1) 送入 A,串行送出 結(jié)束 K=1000 Y N 讀高 四 位二進(jìn)制數(shù)，并輸入下一個(gè) I/O 周期地址和控制字 讀低