PSoC單片機(jī)及其茌燃?xì)庾冾l輸配與流量計(jì)量中的應(yīng)用

摘要：介紹了PSoC單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的變頻輸配與精確計(jì)量。從硬軟件設(shè)計(jì)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(diǎn)闡述了PSoC單片機(jī)測控體系的巨大優(yōu)勢。

在變頻輸配與計(jì)量方面，以普通單板機(jī)／單片機(jī)組成的大流量范圍的計(jì)量儀表和工控機(jī)實(shí)現(xiàn)的一器多控自動(dòng)變頻調(diào)速輸配系統(tǒng)廣為應(yīng)用，有力地提高了計(jì)量精度并節(jié)約了大量的能源。但是用“單板機(jī)／單片機(jī)+外圍器件”計(jì)量燃?xì)?，系統(tǒng)復(fù)雜，穩(wěn)定性差；用工控機(jī)變頻輸配燃?xì)猓斐少Y源浪費(fèi)。從提高系統(tǒng)穩(wěn)定可靠性、簡化硬軟件設(shè)計(jì)、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(gè)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(jī)進(jìn)行上述技術(shù)改進(jìn)，不僅可以很好達(dá)到預(yù)期目的，并且還可以有效提高系統(tǒng)測控的實(shí)時(shí)性能。

1 PSoC單片機(jī)及其特點(diǎn)

PSoC即Programmable System On Chip。Cypress公司的PSoC系列單片機(jī)CY8C25xxx／26xxx，片內(nèi)有一個(gè)高速內(nèi)核、Flash快速閃存和SRAM數(shù)據(jù)內(nèi)存，以及設(shè)計(jì)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(dá)24MHz；且含一乘加器MAC，能執(zhí)行帶符號(hào)8x8乘法和32位加法運(yùn)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(hù)功能；

(3)12個(gè)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(jī)將傳統(tǒng)的單片機(jī)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(diǎn)。

(4)8個(gè)數(shù)字模塊可靈活配置成定時(shí)／計(jì)數(shù)器、脈寬調(diào)制器(PWM)、循環(huán)冗余校驗(yàn)塊(CRC)、串行通信塊(UARTS或SPI)及復(fù)雜的時(shí)鐘源等；

(5)4～44個(gè)通用I／O口，可編程為上／下拉輸出、集電極開路輸出、強(qiáng)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(shí)器、8個(gè)PSoC數(shù)字模塊和4個(gè)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(shí)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(jì)量的機(jī)理

2．1 一器多控變頻燃?xì)廨斉涞臋C(jī)理

燃?xì)廨斉渲饕蔷S持氣源端的壓力。壓力不足時(shí)，逐步加開輸配機(jī)組，升高壓力到設(shè)定值；反之，壓力過高時(shí)，逐步減停機(jī)組，降低壓力到設(shè)定值。由于大功率交流電機(jī)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(jìn)一步降低成本，通常采用一臺(tái)變頻器控制多臺(tái)交流電機(jī)，即所謂的“一器多控”，其機(jī)理如下：加壓時(shí)，變頻啟動(dòng)并加速一臺(tái)電機(jī)，達(dá)到最大速度時(shí)，壓力仍沒有增上來，則把這臺(tái)電機(jī)轉(zhuǎn)為工頻運(yùn)行，轉(zhuǎn)而對下一臺(tái)電機(jī)

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

2．2 大流量范圍燃?xì)庥?jì)量的機(jī)理

孔板式差壓流量計(jì)在不變節(jié)流件開孔直徑下擴(kuò)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(shí)，使用小差壓量程檢測計(jì)算；反之，使用大差壓量程檢測計(jì)算。檢測計(jì)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(jì)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(jī)測控系統(tǒng)的構(gòu)建

3．1 整體方案的設(shè)計(jì)

整體設(shè)計(jì)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(qiáng)變頻輸配控制的實(shí)時(shí)性；差壓與溫度只在計(jì)量計(jì)算需要時(shí)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(hào)，一手動(dòng)／自動(dòng)變頻切換控制信號(hào)，D／A輸出為0～5V DC信號(hào)，切換控制信號(hào)具有驅(qū)動(dòng)能力；

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

(4)存儲(chǔ)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(shí)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(yùn)行；使用實(shí)時(shí)時(shí)鐘記錄流量或故障統(tǒng)計(jì)的時(shí)刻；使用定時(shí)器產(chǎn)生所需工／變頻切換時(shí)間和流量累計(jì)時(shí)間；使用OSC振蕩器產(chǎn)生系統(tǒng)時(shí)鐘等。

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

3．2 鍵盤輸入電路的設(shè)計(jì)

鍵盤輸入，通過一I／O口，由一6位A／D轉(zhuǎn)換器識(shí)別。這里選用8個(gè)按鍵，用以實(shí)現(xiàn)參數(shù)輸入、時(shí)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(gè)電阻值，據(jù)A／D轉(zhuǎn)換特點(diǎn)和常用電阻規(guī)格系列確定。