专利名称：现场总线式智能模拟量数据采集装置的制作方法
技术领域：
本实用新型是一种基于profibus-Dp现场总线技术的8路差分式4-20mA标准模拟量信号的智能采集装置，属于现场总线控制的技术领域。
背景技术：
现场总线技术是电子、仪器仪表、计算机技术和网络技术的发展结果，是工业自动化事业的进展需要，也是技术发展的必然。现场总线使得现场仪表之间、现场仪表和控制室设备之间构成网络互连系统，实现全数字化、双向、多点数字通信。
现场总线的另一个重要优点是控制功能的下载，控制功能由过去的控制室设备完成转变为基本上由智能化的现场仪表来承担，控制功能彻底分散，更易于组成大型的开放式系统，进而实现从最高决策层到设备底层的综合管理和控制。
中国计算机学会工业控制计算机专业委员会早已关注现场总线技术的发展并认为这是工业自动化装置产业界面临的一次重大变革性挑战和机遇。
现场总线控制系统是基于底层控制网络的开放式、数字化、多点通信的控制系统。他将微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们各自都具有数字计算和数字通信的能力，然后采用可进行简单连接的双绞线等作为总线，把多个测量控制仪表连成网络系统，并按公开、统一、规范的通信协议，在位于现场的多个微机化测量控制设备之间以及现场仪表与监控计算机之间，实现数据传输与信息交换，形成各种适应实际需要的自控系统。现场总线的技术特点适应了工业控制系统向分散化、网络化、智能化发展的方向，给自动化系统的最终用户带来更大的实惠和更多方便，并促使目前生产的自动化仪表、集散控制系统(DCS)、可编程控制器(PLC)产品面临体系结构、功能等方面的重大变革，导致了工业自动化产品的又一次更新换代，因而现场总线已成为世界范围的自控技术热点、被誉为跨世纪的自控新技术。
发明内容
技术问题本实用新型的目的是提供一种管理效率更高、管理能力更强、抗干扰能力更好、监控精度更优的现场总线式智能模拟量数据采集装置。
技术方案本实用新型主要解决生产过程现场测量中若干相对集中的4-20mA标准模拟量信号的数据采集问题，为基于profibus-Dp现场总线分布式数据采集系统的集成实现提供一种更高性价比的产品。
该装置中的多路电阻取样电路的信号取自现场信号，电阻取样电路的输出端分别接多路放大电路的输入端，放大电路的输出端接A/D转换电路，A/D转换电路、看门狗电路、地址译码电路、从站地址设置器、SPC3协议控制器内存扩展器分别与中央控制器相接，SPC3协议控制器还与485通讯控制器相接，保护电路的一端接485通讯控制器，保护电路的另一端接现场总线。中央控制器即CPU电路“U32”的“32～39”端分别接A/D转换电路“AD1”的“7～14”端、从站地址设置器“U9”的“3、5、7、9、12、14、16、19”端、SPC3协议控制器“U11”的“11、12、15、16、19、20、21、22”端、内存扩展器“U4”的“19～11”；中央控制器即CPU电路“U32”的“9”端接看门狗电路“U10”的“12”端；中央控制器即CPU电路“U32”的“25、26、27、28”端接地址译码电路“U2”的“1、2、3、4”端。电阻取样电路中的8路输出分别对应接放大电路的输入端，放大电路的8路输出端“CH0～CH7”分别对应接A/D转换电路“AD1”的“16～22”端。485通讯控制器“U5”的“2”端、“U6”的“2”端、“U7”的“6”端接SPC3协议控制器“U11”的“27、26、30”端。
有益效果本实用新型提供了一种基于profibus-Dp现场总线技术的8路差分式4-20mA标准模拟量信号的智能采集装置，使profibus-Dp现场总线分布式数据采集系统的集成实现更加灵活和方便。
其特点是集电源、CPU、通信控制、信号调理、模数转换、数据处理、状态指示等于一体，大大降低了仪器的制造成本和安装、调试、运行维护等成本。
实施本实用新型具有管理效率更高、管理能力更强、抗干扰能力更好、监控精度更优的特点。
通信控制器采用了西门子SPC3协议控制器协议芯片。SPC3协议控制器可独立完成全部PROFIBUS-DP通信功能，包括数据的成帧、发送、接收、差错处理、数据还原等。这样既可以加速通信协议的执行，也可以减少接口模板微处理器中的软件程序。
在防雷击和抗干扰方面我们设计相应的网络电路。在不影响原信号收、发的条件下，以保护接收和发送回路的元器件。
数据采集处理，8路标准模拟信号4-20mA分别经相应的25Ω精密取样电阻后得到0.1-0.5伏的电信号，并送入差分电路，经10倍放大后获得1-5V的电压信号，送至A/D转换器AD197，AD197根据内部CPU指令采用分时切换方式对8路1-5V的信号采用轮询式转换，获得相应8路标准模拟信号的数字值，并存入CPU相应的工作单元，CPU针对每路的历史采样值与当前采样值依据数字滤波器模型计算出相应的真值(即滤波)，并存入相应单元等待主站系统的访问。
差分放大器选用BURR-BROWN公司的PGA202程控仪表放大器，该芯片无需外围芯片，数字可编程控制增益为1，10，100，1000。PGA202的增益控制输入端与TTL、CMOS电平兼容，可以直接和微处理器接口。1脚、2脚为增益数字选择输入端，根据增益为10的要求1脚接固定电平“1”、2脚固定电平“0”。3脚、13脚为正、负供电电源端，6脚、9脚为偏置调整端，5脚、10脚为输出滤波端，在该两端各连接一个电容，可获得不同的截止频率。
图1是本实用新型的总体结构框图。其中有电阻取样电路1、放大电路2、A/D转换电路3、看门狗电路4、地址译码电路5、中央控制器6、从站地址设置器 SPC3协议控制器8、内存扩展器9、485通讯控制器10相接、保护电路11。
图2、图3是本实用新型的电原理图。
具体实施方式
本实用新型的现场总线式智能模拟量数据采集装置，其特征在于该装置中的多路电阻取样电路1的信号取自现场信号，电阻取样电路1的输出端分别接多路放大电路2的输入端，放大电路2的输出端接A/D转换电路3，A/D转换电路3、看门狗电路4、地址译码电路5、从站地址设置器7、SPC3协议控制器8内存扩展器9分别与中央控制器6相接，SPC3协议控制器8还与485通讯控制器10相接，保护电路11的一端接485通讯控制器10，保护电路11的另一端接现场总线。
本实用新型分三大部分1.CPU及外围电路这一部分主要包括89C52单片机、地址译码电路、内存扩展电路、看门狗电路、从站地址拨码设置电路等电路。
地址译码电路采用外设与外部数据RAM统一编址的方式，高位地址线经A12～A14经3-8译码器后形成片选信号输出，译码器的使能端接地址线A16，因此共有8路片选信号XCS0至XCS7输出。
外部RAM采用芯片62256，共32K，片选信号端经反相器反相后与地址线A15相连，因此外部RAM的地址范围为8000H～FFFFF。
由MAX705组成的看门狗复位电路可以保证单片机系统在程序“跑飞”时能够可靠复位，MAX705的复位脉冲输出有正脉冲和负脉冲两种方式，当复位脉冲为负脉冲时，需要外接反相器后再连接到单片机的复位端。在正常情况下，P1.x引脚不超过1.6s就向WDI端发出“喂狗”信号，程序陷入死循环后，“喂狗”信号无法发出，当死循环运行时间超过1.6s时，MAX705的看门狗输出WDO将变低并触发MR，复位信号从RESET端输出。
从站地址的设定由拨码器得到，拨码器的状态选择位通过产生相应的高低电平信号连接到74LS244的输入端，当片选信号XCS0有效时，从站地址由数据总线输出。
2.现场总线通信部分这一部分，通信控制器采用了西门子SPC3协议控制器协议芯片。SPC3协议控制器可独立完成全部PROFIBUS-DP通信功能，包括数据的成帧、发送、接收、差错处理、数据还原等。这样既可以加速通信协议的执行，也可以减少接口模板微处理器中的软件程序。总线存取由硬件驱动，数据传送来自SPC3协议控制器内的一个双口RAM，与应用对象之间的通信采用数据接口，数据的交换独立于总线周期，数据传输速率得到了大大的提高，最大值可达12Mb/s。通信主板的设计可以采用外设与外部数据RAM统一编址的方式，高位地址线经A12～A14经3-8译码器后形成片选信号输出。
SPC3协议控制器协议芯片内部含1.5k的RAM，地址范围为×000H～×5FFH，可以为该芯片分配1000H--1FFFH的地址空间；外部扩展32K的RAM芯片62256，其地址空间可以分配为8000H--FFFFH。可将剩余的口线和片选信号线引至从板接口。
SPC3协议控制器协议芯片输出通过RS-485通讯控制器接口电路与PROFIBUS-DP总线进行通讯。在该电路中有两片光电隔离芯片HCPL0721，用于高速通信信号的隔离；符合RS485通讯控制器标准SN75176的驱动芯片用作支持12M波特率的驱动。使用9针Sub D插座，提供必须的A-line，B-line，VP，GND和RTS信号。
此外在防雷击和抗干扰方面我们设计相应的网络电路。在不影响原信号收、发的条件下，以保护接收和发送回路的元器件。
3.数据采集与处理部分8路标准模拟信号4-20mA分别经相应的25Ω精密取样电阻后得到0.1-0.5伏的电信号，并送入差分电路，经10倍放大后获得1-5V的电压信号，送至A/D转换器AD197，AD197根据内部CPU指令采用分时切换方式对8路1-5V的信号采用轮询式转换，获得相应8路标准模拟信号的数字值，并存入CPU相应的工作单元，CPU针对每路的历史采样值与当前采样值依据数字滤波器模型计算出相应的真值(即滤波)，并存入相应单元等待主站系统的访问。
信号采样电路中的MAX197是一种通用A/D转换芯片，可以和多种微机接口。在此选用89C52单片机与其联接，使89C52的P0.0～P0.7与MAX197的D0～D7相连。选用XCS2作片选信号，因而MAX197的地址为2000H。选择MAX197为软件设置低功耗工作方式，所以置SHDN脚为高电平，本模块采用内部基准电压，所以REF、REFDJ均通过电容接地。用P3.0脚用做判读高、低位数据的选择线，直接与HBEN脚相连。MAX197的INT脚与用户接口中的XINT相连，作为转换识别信号。
差分放大器选用BURR-BROWN公司的PGA202程控仪表放大器，该芯片无需外围芯片，数字可编程控制增益1，10，100，1000；增益误差(增益为10时)为0.05％；共模抑制比为80～94dB；频率响应(增益为10时)为1MHz。PGA202的增益控制输入端与TTL、CMOS电平兼容，可以直接和微处理器接口。1脚、2脚为增益数字选择输入端，根据增益为10的要求1脚接固定电平“1”、2脚固定电平“0”。3脚、13脚为正、负供电电源端，6脚、9脚为偏置调整端，5脚、10脚为输出滤波端，在该两端各连接一个电容，可获得不同的截止频率。
具体的接法是中央控制器6即CPU电路“U32”的“32～39”端分别接A/D转换电路“AD1”的“7～14”端、从站地址设置器“U9”的“3、5、7、9、12、14、16、18、”端、SPC3协议控制器“U11”的“11、12、15、16、19、20、21、22”端、内存扩展器“U4”的“19～11”；中央控制器6即CPU电路“U32”的“9”端接看门狗电路“U10”的“12”端；中央控制器6即CPU电路“U32”的“25、26、27、28”端接地址译码电路“U2”的“1、2、3、4”端。电阻取样电路1中的8路输出分别对应接放大电路2的输入端，放大电路2的8路输出端“CH0～CH7”分别对应接A/D转换电路“AD1”的“16～23”端。485通讯控制器“U5”的“2”端、“U6”的“2”端、“U7”的“6”端接SPC3协议控制器“U11”的“27、26、30”端。
权利要求1.一种现场总线式智能模拟量数据采集装置，其特征在于该装置中的多路电阻取样电路(1)的信号取自现场信号，电阻取样电路(1)的输出端分别接多路放大电路(2)的输入端，放大电路(2)的输出端接A/D转换电路(3)，A/D转换电路(3)、看门狗电路(4)、地址译码电路(5)、从站地址设置器(7)、SPC3协议控制器(8)内存扩展器(9)分别与中央控制器(6)相接，SPC3协议控制器(8)还与485通讯控制器(10)相接，保护电路(11)的一端接485通讯控制器(10)，保护电路(11)的另一端接现场总线。
2.根据权利要求1所述的现场总线式智能模拟量数据采集装置，其特征在于中央控制器(6)即CPU电路“U32”的“32～39”端分别接A/D转换电路(3)“AD1”的“7～14”端、从站地址设置器(7)“U9”的“3、5、7、9、12、14、16、18”端、SPC3协议控制器(8)“U11”的“11、12、15、16、19、20、21、22”端、内存扩展器(9)“U4”的“19～11”；中央控制器(6)即CPU电路“U32”的“9”端接看门狗电路(4)“U10”的“12”端；中央控制器(6)即CPU电路“U32”的“25、26、27、28”端接地址译码电路(5)“U2”的“1、2、3、4”端。
3.根据权利要求1所述的现场总线式智能模拟量数据采集装置，其特征在于电阻取样电路(1)中的8路输出分别对应接放大电路(2)的输入端，放大电路(2)的8路输出端“CH0～CH7”分别对应接A/D转换电路(3)“AD1”的“16～23”端。
4.根据权利要求1所述的现场总线式智能模拟量数据采集装置，其特征在于485通讯控制器(10)“U5”的“2”端、“U6”的“2”端、“U7”的“6”端接SPC3协议控制器(8)“U1”的“27、26、30”端。
专利摘要现场总线式智能模拟量数据采集装置是一种基于profibus－Dp现场总线技术的8路差分式4－20mA标准模拟量信号的智能采集装置，该装置中的多路电阻取样电路1的信号取自现场信号，电阻取样电路1的输出端分别接多路放大电路2的输入端，放大电路2的输出端接A/D转换电路3，A/D转换电路3、看门狗电路4、地址译码电路5、从站地址设置器7、SPC3协议控制器8内存扩展器9分别与中央控制器6相接，SPC3协议控制器8还与485通讯控制器10相接，保护电路11的一端接485通讯控制器10，保护电路11的另一端接现场总线。实施本实用新型具有管理效率更高、管理能力更强、抗干扰能力更好、监控精度更优的特点。
文档编号G06F17/40GK2662361SQ20032012361
公开日2004年12月8日 申请日期2003年12月31日 优先权日2003年12月31日
发明者方彦军, 刘如成, 孙健 申请人:南京师范大学