基于PSoC單片機的燃氣變頻輸配與精確計量實現(xiàn)

摘要：介紹了PSoC單片機實現(xiàn)的燃氣變頻輸配與精確計量。從硬軟件設(shè)計的簡潔易用性、系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性、開發(fā)生產(chǎn)成本的低廉性等方面，重點闡述了PSoC單片機測控體系的巨大優(yōu)勢。

在燃氣的變頻輸配與計量方面，以普通單板機／單片機組成的大流量范圍的燃氣計量儀表和工控機實現(xiàn)的一器多控自動變頻調(diào)速輸配系統(tǒng)廣為應(yīng)用，有力地提高了計量精度并節(jié)約了大量的能源。但是用“單板機／單片機+外圍器件”計量燃氣，系統(tǒng)復(fù)雜，穩(wěn)定性差；用工控機變頻輸配燃氣，造成資源浪費。從提高系統(tǒng)穩(wěn)定可靠性、簡化硬軟件設(shè)計、降低產(chǎn)品成本等角度出發(fā)，結(jié)合現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，非常需要一種構(gòu)成系統(tǒng)簡單、靈活易用的器件，去改造上述兩個體系，并盡可能把它們合二為一。選用Cypress公司新近推出的一系列PSoC單片機進行上述技術(shù)改進，不僅可以很好達到預(yù)期目的，并且還可以有效提高系統(tǒng)測控的實時性能。

1 PSoC單片機及其特點

PSoC即Programmable System On Chip。Cypress公司的PSoC系列單片機CY8C25xxx／26xxx，片內(nèi)有一個高速內(nèi)核、Flash快速閃存和SRAM數(shù)據(jù)內(nèi)存，以及設(shè)計者可配置的模擬模塊和數(shù)字模塊：

(1)CPU內(nèi)核，8位哈佛結(jié)構(gòu)，速度可達24MHz；且含一乘加器MAC，能執(zhí)行帶符號8x8乘法和32位加法運算；

(2)4～16KB片內(nèi)Flash閃存及256B SRAM，可通過串口在系統(tǒng)編程(1SSP)Flash閃存，F(xiàn)lash具有可加密保護功能；

(3)12個PSoC模擬模塊可靈活配置成6～13位A／D轉(zhuǎn)換器、可編程增益放大器(PGA)、采樣保持功能、可編程濾波器、差分比較器、溫度傳感器等； PSoC系列單片機將傳統(tǒng)的單片機系統(tǒng)集成在一顆芯片里，用戶模擬和數(shù)字陣列的可配置性是其最大特點。

(4)8個數(shù)字模塊可靈活配置成定時／計數(shù)器、脈寬調(diào)制器(PWM)、循環(huán)冗余校驗塊(CRC)、串行通信塊(UARTS或SPI)及復(fù)雜的時鐘源等；

(5)4～44個通用I／O口，可編程為上／下拉輸出、集電極開路輸出、強輸出，可用作邊沿／電平觸發(fā)的中斷輸入或Smith觸發(fā)器TTL輸入；

(6)專用的中斷控制器，2級中斷優(yōu)先級，中斷源：通用I／O、電源監(jiān)控單元、Sleep定時器、8個PSoC數(shù)字模塊和4個模擬列；

(7)24／48MHz的片內(nèi)主振蕩器和32．768kHz片內(nèi)低速振蕩器；WatchDog／Sleep定時器、可編程的電源電壓檢測器、采樣抽取器、片內(nèi)電壓參考源等專用外設(shè)；可選用的模塊端口(E2PROM、LCD、I2C等)；

(8)全靜態(tài)CMOS工藝，3～5．5V DC工作電壓，專用的開關(guān)式電壓泵，可使工作電壓降到1V，真正的高速低壓性能；

(9)配套的低廉開發(fā)工具：在線仿真器、評估板和集成開發(fā)環(huán)境PSoC Designer，其PSoC Designer內(nèi)嵌匯編器、C編譯器、器件資源配置器和調(diào)試器。

2 變頻輸配與大流量范圍計量的機理

2．1 一器多控變頻燃氣輸配的機理

燃氣輸配主要是維持氣源端的壓力。壓力不足時，逐步加開輸配機組，升高壓力到設(shè)定值；反之，壓力過高時，逐步減停機組，降低壓力到設(shè)定值。由于大功率交流電機反復(fù)啟停的巨大耗能和器件沖擊，所以引入了變頻調(diào)速器。為進一步降低成本，通常采用一臺變頻器控制多臺交流電機，即所謂的“一器多控”，其機理如下：加壓時，變頻啟動并加速一臺電機，達到最大速度時，壓力仍沒有增上來，則把這臺電機轉(zhuǎn)為工頻運行，轉(zhuǎn)而對下一臺電機

做變頻啟動并加速，如此逐步變頻啟動加速并做工頻切換，直到把壓力提上來；反之，減壓時，則逐步做變頻切換并變頻減速停機，直到把壓力降到要求值。

2．2 大流量范圍燃氣計量的機理

孔板式差壓流量計在不變節(jié)流件開孔直徑下擴展量程比，主要是采用增設(shè)差壓量程切換單元的方法：在流量小、差壓低時，使用小差壓量程檢測計算；反之，使用大差壓量程檢測計算。檢測計量流程如圖1所示。圖1中參數(shù)T、P、△P、d、D、K、Z、η、β、ρ、ε、α0、rRe、M分別表示溫度、壓力、差壓、孔板開口直徑、計量管段直徑、介質(zhì)等熵指數(shù)、氣體壓縮系數(shù)、介質(zhì)粘度、d／D、密度、流速系數(shù)、流出系數(shù)、管道雷諾數(shù)、流量。

3 PSoC單片機測控系統(tǒng)的構(gòu)建

3．1 整體方案的設(shè)計

整體設(shè)計方案如圖2所示，說明如下：

(1)數(shù)據(jù)采集，采用1～5V的三通道11位A／D轉(zhuǎn)換器，擬定采樣率7．8ksps；壓力作頻繁采樣，以增強變頻輸配控制的實時性；差壓與溫度只在計量計算需要時采樣；

(2)輸出通道，采用一8位D／A轉(zhuǎn)換器控制變頻器，若干工／變頻切換控制信號，一手動／自動變頻切換控制信號，D／A輸出為0～5V DC信號，切換控制信號具有驅(qū)動能力；

(3)人機接口，使用日立HD44780LCD點陣模塊顯示狀態(tài)參數(shù)、報警種類及鍵盤操作等，使用一個6位A／D轉(zhuǎn)換器作鍵盤輸入識別以減少對I／O口的占用；

(4)存儲關(guān)鍵性數(shù)據(jù)，采用串行E2PROM；外界通信采用異步串行接口UART,并以此實現(xiàn)在系統(tǒng)串行編程ISSP；

(5)使用乘加器加速CPU速度；使用看門狗保證程序正常運行；使用實時時鐘記錄流量或故障統(tǒng)計的時刻；使用定時器產(chǎn)生所需工／變頻切換時間和流量累計時間；使用OSC振蕩器產(chǎn)生系統(tǒng)時鐘等。

上述方案，選用Cypress PSoC系列單片機，圖2中虛線部分均可由一片單片機實現(xiàn)，這里選用CY8C26443(28Pin Dual inline)；否則，采用普通單板機／單片機，則各個模塊均要設(shè)法構(gòu)造，還要考慮把它們設(shè)計連成一體。

3．2 鍵盤輸入電路的設(shè)計

鍵盤輸入，通過一I／O口，由一6位A／D轉(zhuǎn)換器識別。這里選用8個按鍵，用以實現(xiàn)參數(shù)輸入、時間核對、記錄查詢、通信等功能，電路如圖3所示。圖3所示各個電阻值，據(jù)A／D轉(zhuǎn)換特點和常用電阻規(guī)格系列確定。