16通道開關信號采集卡的研制

摘要： 給出以LPC2131 ARM單片機為核心的16通道開關信號采集卡的硬、軟件設計。

關鍵詞： 開關信號；采集卡；ARM

引言

在大型工業(yè)控制系統(tǒng)中，各級設備的啟動、停止，都對整個系統(tǒng)的運行狀況有著一定的影響，對這些裝置開關量信號的采集、動作時序的記錄也顯得尤為重要。所以，有必要設計一種開關量信號采集卡，來對這些信號進行采集，以對設備運行狀態(tài)、生產(chǎn)事故的檢測和分析、查詢提供依據(jù)。

本文介紹的16通道開關信號采集卡采用飛利浦LPC2131 ARM單片機為核心，以0.5ms的采樣周期，可對16路開關量輸入信號進行采集，對開關量的跳變波形及發(fā)生時間進行實時測量，并將數(shù)據(jù)上傳至上位機歷史數(shù)據(jù)庫，其分辨率為1ms。同時，可通過與上位機軟件的配合對歷史數(shù)據(jù)進行全方位查詢，以分析系統(tǒng)運行情況。

測量卡件留有UART通訊接口，與控制器聯(lián)網(wǎng)，將采集的數(shù)據(jù)輸送到控制器處理后，再發(fā)送到工作站顯示狀態(tài)，并同時記錄事件發(fā)生的時間和狀態(tài)，將記錄的數(shù)據(jù)存入工作站歷史數(shù)據(jù)庫。

信號采集卡
采集卡在卡件主面板上以16通道LED燈指示通道信號狀態(tài)，同時在通道與通道之間，通道與底板之間實現(xiàn)隔離，并實現(xiàn)了與現(xiàn)場的電磁屏蔽。以保證測量到的信號不受干擾。采集卡模塊規(guī)格如表1所示。

同時，采集卡通過UART通訊接口，通訊物理層使用CAN的總線驅(qū)動芯片TJA1040，與控制器聯(lián)網(wǎng)，將所采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到控制器中。

采集卡硬件設計

16通道開關量信號采集卡硬件電路由信號采集電路、單片機系統(tǒng)、通訊接口電路、外接引腳、人機接口五部分組成，其硬件電路結構示意圖如圖１所示。

圖1 開關量測量卡件硬件結構圖

開關量信號采集電路

開關量信號采集電路是實現(xiàn)將現(xiàn)場的各路開關量信號采集送入處理芯片內(nèi)，實際設計中采用飛利浦LPC2131 ARM單片機。

信號采集電路的測量原理為：現(xiàn)場16路開關量信號接入卡件測量端子，由于考慮到現(xiàn)場信號的波動和干擾，為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠地運行，防止各類現(xiàn)場及電源干擾對系統(tǒng)的影響，通道中采用了光電耦合器，將卡件內(nèi)部與現(xiàn)場輸入信號進行隔離，從而實現(xiàn)信號的準確測量。實際設計中，采用了PS2701光電耦合器，卡件測量通路的結構框圖如圖2所示。

圖2  開關量信號采集電路

后來，由于考慮到信號反轉(zhuǎn)的簡易性，將光電耦合器改為PS2705，實現(xiàn)了信號反轉(zhuǎn)亦可的功能，所以實際測量電路進一步簡化為圖3。

圖3  簡化開關量信號采集電路

經(jīng)過光電耦合器隔離轉(zhuǎn)化后的信號，通過雙向總線驅(qū)動器與處理芯片的數(shù)據(jù)總線相連接，將數(shù)據(jù)送入處理芯片LPC2131中進行處理。

單片機系統(tǒng)

處理芯片選用飛利浦LPC2131，它是基于一個支持實時仿真和嵌入式跟蹤的32位ARM7TDMI-STM CPU的微控制器，并帶有32kB的嵌入的高速Flash存儲器。128 位寬度的存儲器接口和獨特的加速結構使32位代碼能夠在最大時鐘速率下運行。同時，LPC2131對代碼規(guī)模有嚴格控制，可使用16 位Thumb模式將代碼規(guī)模降低超過30%，而性能的損失卻很小。

LPC2131的較小的封裝和極低的功耗使其可理想地用于小型系統(tǒng)中，如訪問控制和POS 機。寬范圍的串行通信接口和片內(nèi)8kB 的SRAM 使LPC2131非常適用于通信網(wǎng)關、協(xié)議轉(zhuǎn)換器、軟modem、聲音辨別和低端成像，為它們提供巨大的緩沖區(qū)空間和強大的處理功能。多個32 位定時器、1個或2個10位8路ADC、10 位DAC、PWM 通道和47個GPIO以及多達9個邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷使其特別適用于工業(yè)控制系統(tǒng)。

單片機系統(tǒng)以LPC2131為核心，片內(nèi)自帶８Ｋ閃速存儲器，因而無需擴展外部ROM；要實現(xiàn)對開關量有關歷史數(shù)據(jù)的追憶，有關信息必須易存儲且不容易丟失，在系統(tǒng)失電后可以有效的保存數(shù)據(jù)。其測量的數(shù)據(jù)信息包括開關量發(fā)生的年、月、日、時、分、秒、毫秒以及當時各路通道的開關量狀態(tài)。

圖4單片機系統(tǒng)電路框圖

同時，由于在系統(tǒng)運行中各種干擾等因素的影響，往往會引起程序運行出現(xiàn)死循環(huán)后跑飛現(xiàn)象，系統(tǒng)中還采用了簡單的硬件ＷＡＴＣＨＤＯＧ電路。

通訊接口電路

為了使測量卡件能夠有效的將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給控制器，卡件設計了UART電路。通過串口，卡件可根據(jù)上位機的操作命令，完成有關的數(shù)據(jù)傳送、參數(shù)調(diào)整和時鐘校對等任務。

卡件采用TJA1090通訊芯片，它是專為串行通訊模式設計的，輸出端還接有穩(wěn)壓管保護電路，接口電路如圖5所示。

圖5 通訊接口電路

卡件模塊規(guī)格及其外接電路引腳

卡件通過專用引腳與卡件底板相連接，以傳輸采集到的信號。卡件外接電路引腳如圖6所示。

圖6外接電路引腳圖

人機接口

卡件采用串口通訊與控制器通訊，再將測量的信號上傳到上位機，由上位機的組態(tài)畫面顯示，人機界面友好，數(shù)據(jù)可用于系統(tǒng)組態(tài)、歷史數(shù)據(jù)查詢等操作，同時可以實現(xiàn)過程控制SOE查詢，通過與其配套使用的SOE軟件，可實現(xiàn)去除抖動、削峰、削谷等功能，實現(xiàn)了SOE事故追憶和查詢，其精度可達到1ms級。

采集卡軟件設計

卡件軟件設計采用功能模塊結構。全部軟件包括主程序、中斷服務子程序等。其中主程序用來巡回檢測和執(zhí)行上位機送來的命令。中斷服務子程序分為溢出中斷子程序和串行口中斷子程序，前者用于開關量跳變信號的采集，后者用于接收上位機發(fā)來的數(shù)據(jù)。

主程序

卡件帶電后，進入主程序。首先判斷卡件是否為上電復位，如果不是上電復位，則通過死機恢復處理后直接進入巡回檢測階段；如果是上電復位，則先進行卡件自檢及初始化，包括設置堆棧指針，清內(nèi)存，設置時間常數(shù)等，然后允許中斷，進入正常的巡回處理程序，可以實現(xiàn)參數(shù)設置，開關量跳變時間、狀態(tài)采集等功能。如果在主程序中檢測到程序中定義的接收數(shù)據(jù)標志位置位，表明單片機已接收到上位機發(fā)出的數(shù)據(jù)，接收數(shù)據(jù)過程由串行口中斷子程序來完成。根據(jù)上位機的數(shù)據(jù)，測量卡件作出相應的響應，或回送數(shù)據(jù)，或參數(shù)設置。

中斷服務子程序

信號采集服務子程序主要完成發(fā)生動作的開關量信號的采集，由溢出中斷來實現(xiàn)，每0.5ms中斷一次。

通訊服務子程序主要指的是對上位機數(shù)據(jù)的接收子程序，由串行口中斷來實現(xiàn)。而發(fā)送回上位機的數(shù)據(jù)大多為開關量記錄信息，數(shù)據(jù)量較大，主要在主程序中完成。同時，可以設置通訊時波特率的大小，此項在卡件參數(shù)設置中可實現(xiàn)。

結語

目前該卡件已在江蘇省南通天生港電廠＃10、＃11機組脫硫監(jiān)控系統(tǒng)中投入使用。各項性能指標皆達到原設計要求，運行可靠，狀況良好，可廣泛適用于化工、冶金、電力等行業(yè)工業(yè)過程中實現(xiàn)開關量的采集，事故追憶等功能。

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