专利名称：水力机组振动摆度在线监测系统的通讯控制器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种水力机组振动摆度在线监测系统的通讯控制器，属于水力发电设备中的监测设备。
背景技术：
目前用于水力发电机振动摆度监测的大多采用DCS(分散控制系统)系统结构，由模数转换设备采集现场模拟信号，并输入至上位机进行数据分析，主要问题是1、测量速度慢，当测点增加时难以实现实时监测；2、抗干扰能力差，模拟信号在长距离传输时难以保证信号质量；3、系统结构灵活性差，可扩展能力非常弱。
经国际联机检索DIALOG系统的EI、INSPEC、NTIS、PASCAL、JICST、FLUIDEX、MCGraw-Hill Companies、Water Resource、Eiectric powerDatabase等数据库，相关文献介绍的是电力设备的计算机在线振动监测，对水电厂及火电厂的火力发动机、发电机、透半机、泵等旋转设备的振动进行在线监测、诊断、分析、进行严格的评估和故障诊断，为维修提供决策；其中1、Rehabilition of core jomts on hydro generator with vibrationmonitoring results//INSPEC(B2000-05-8310-059)、2、A new pc-basedon-line shaft vibration monitoring system for hydro turbine-generatorsets//INSPEC(B9606-8310-009)均对水力发电电力设备的轴进行在线监测诊断，并进行自动记录；特别是3、Users demand get more interoperabilityfrom IT. McGroaw-Hill publications介绍的Lonworks现场总线技术在基于计算机的管理监测系统中的应用，其中介绍了在Ontario hydro中的应用。对Lonworks总线技术计算机管理监测系统的应用有介绍，但未指出在水轮机设备振动在线监测的应用，所检文献中均未具体涉及到小波分析。
技术方案本实用新型的针对目前国内水电厂所使用的振摆监测系统的现状，对DCS系统结构以及其他诸多现场总线的缺点和局限，将Lonworks总线技术计算机管理监测技术应用于水轮机设备振动在线监测，作到小波分析，并力图解决下列技术问题1、明显提高测量速度，实现大数据量的传输；2、突破模拟量传输的距离和精度的局限，大幅提高信号传输的抗干扰能力；3、可方便地实现更新换代，即改善结构，增强扩展能力。
本实用新型的技术方案是该水力机组振动摆度在线监测系统的通讯控制器由神经元芯片电路、存储器读写电路、收发器电路组成，具体连接是神经元芯片U1的数据输出引脚cp0、cp1分别与收发器U3的RXD和TXD引脚连接，神经元芯片U1的A13-A15地址线经过U7C、U7A组成的编码电路与RAM存储器U4的片选CE连接；ROM存储器U5的片选引脚CE接地，U1的16条电址线经过U6、U7编码电路与U4和U5的读写引脚WE和OE的连接，U1的A0～A15 16位地址线与存储器的地址线连接；收发器包括收发芯片U3、隔离电路和接口电路；前端接口电路J2与U1的I/O接口连接，收发芯片U3的输出通过隔离电路与双绞线接口J1相连接。
所述的水力机组振动摆度在线监测系统的通讯控制器，其神经元芯片采用Neuron 3150。
所述的水力机组振动摆度在线监测系统的通讯控制器，其收发芯片U3采用FTT-10A。
本实用新型用于系统充分利用水力机组振动摆度在线监测系统，实现了Lonworks现场总线技术提供的强大的硬件平台，很好的实现了如下有益效果1、通信速率可达1.25MB/s(130米)或78KB/s(2700米)。传输介质为双绞线。高速、远距离的数据传输保证了系统能够实现快速的大数据量吞吐，使系统实时性非常强；2、Lonworks现场总线技术可将通讯节点置于测点附近，测点(通讯节点)到上位机以及测点(通讯节点)之间采用双绞线传输数字信号，因此在抗干扰方面具有模拟信号传输无法比拟的优越性；Lonworks现场总线的扩展能力非常强，每个信道支持连接3.2万个节点，使本系统的可扩展潜力非常大
图1是本实用新型硬件逻辑框图、图2是通讯控制器硬件原理图。图中元件如下标号 型号名称描述U1 TMPN3150Neuron 3150神经元芯片U2 HAS5-5-NAC/DC电源模决。In220VAC；Out5VDCU3 FTT-10A 自由拓扑双绞线收发器U4 IS61C256AH 32K RAMU5 AT29C51264K Flash ROMU6 74F32N 四或门U7 74F00 四与非门U8 10M 10MHz晶振J1 CON2双绞线接口J2 CON18 18脚I/O接口J3 CON3220VAC输入接口J4 CON2+5VDC输出接口系统硬件结构包括神经元芯片电路、存储器读写电路、收发器电路组成，具体如附图1所示，神经元芯片电路包括神经元芯片U1、电源模块U2、时钟电路U8，存储器读写电路包括RAM U4、ROM U5和U6、U7组成的编码电路，收发器电路包括自由拓扑双绞线收发器U3、D1-D8等组成的隔离电路、双绞线接口J1、I/O接口J2等接口电路。
具体实施方式
本实用新型用于系统实现了以Lonworks为基础的数据采集和传输的结构各部分具体工作原理如下1、A/D转换神经元芯片以Neuron3150神经元芯片为控制核心完成A/D转换，Neuron3150是本产品中数据采集和传输的核心控制芯片。Neuron 3150有两种可并行工作的I/O对象，一种是并行I/O对象，一种是多总线I/O对象。并行I/O对象适合与处理器进行连接，多总线I/O对象即可与处理器又可与其它设备相连接。考虑现场对数据的要求及性价比等因素，采用了多总线工作方式。多总线I/O对象有八根地址/数据复用线和三根控制线，三根控制线分别是锁存信号、读信号和写信号。这种I/O对象可使神经元芯片控制所有的读写操作，这样减轻了协议的工作负担并向用户提供了一个易用的接口。
使用该方案进行数模转换时使用多总线工作方式，地址线和数据线复用，用锁存器锁存地址。当地址信号选通多路模拟开关的一个通道时，模拟信号从该通道输入，多路模拟开关的输出接一个射极跟随器与A/D芯片连接。由神经元芯片控制8位数据线实现12位A/D转换结果的获取。
2、Lonworks通讯控制节点本实用新型的通讯控制器适于Lonworks通讯控制节点用于控制和传输从A/D转换获得的数据。各节点间以双绞线连接成为一个全开放的Lonworks子网。Lonworks通讯控制节点采用本实用新型的通讯控制器，它以Neuron3150神经元芯片为核心，扩展了Flash、RAM、clock、Transceiver(收发器)、EPLD(译码器)等外围元器件，完成将现场获取的数字信号向Lon网传输的任务。其结构图如附图1所示，工作原理见附图2。
其中Flash ROM用于在线修改用户程序，在作为产品实际应用时，将FlashROM改为EPROM或用12V改写的Flash ROM，防止用户程序丢失。
收发器选用FTT-10A自由拓扑双绞线收发器，该收发器可以连接到任何基于Neuron芯片的控制系统。FTT-10A收发器由一个隔离变压器和一个集成的78kbps微分曼切斯特编码收发器组成，收发器管脚与Neuron芯片的通信端口(CP)和时钟线、+5V电源及双绞线网络线相连。FTT-10A收发器自动检测输入时钟频率在5、10、20MHz。收发器安装时只具有一种安装位置。当无电源供给时收发器输出呈高阻状态，当收发器电源下降时不会影响网络通信。
控制模块由于全部采用低功耗CMOS元器件，耗电量很低。整个控制板正常工作电流只为50mA。
1)元器件连接关系通讯节点的硬件连接仍以Neuron 3150神经元芯片为核心，下面就围绕Neuron 3150描述通讯节点具体的硬件连接。
U1--U2220VAC的3条输入线分别接入U2的1、2、3号引脚，并由4、5号引脚向外输出+5VDC电源，+5VDC接入U1的VDD(7、20、22、26、40、41号引脚)。
U1--U3U1的cp0、cp1(28、29号引脚)分别与U3的RXD和TXD(4、5号引脚)连接，用于数据传输。
U1--U4、U5U1的A0～A15为16位地址线，用于存储器寻址，其寻址空间分配0xFFFF 1KB保留用于存储器映像0xFC000xFBFF 2.5KB保留0xF2000xF1FF 0.5KB片内EEPROM0xF0000xEFFF 2KB片内RAM0xE8000xE7FF 2KB保留未用0xE0000xDFFF 24KB外部扩展RAM0x80000x7FFF 32KB外部扩展ROM0x000016条地址线经过EPLD编码与U4、U5的地址线和读写控制引脚连接，有效访问32KROM(映射为寻址空间0x0000～0x7FFF)和24KRAM(0x8000～0xDFFF)用于存放临时变量，并保证不会访问到其他不需要的存储空间。
U1的D0～D7为8位数据线。Neuron3150在利用16位地址线对U4、U5所分配的存储空间进行有效寻址后，经由D0～D7进行数据传输。
U1--U6、U7U6和U7组成CPLD逻辑编码电路，使得Neuron 3150能利用16位地址线对32K ROM和24K RAM进行有效寻址，同时保正用户无法对片内其他保留空间进行无效的非法访问。
U1--U8U8连接U1的CLK1和CLK2(23、24号引脚)，其作用是向U1提供10MHz的工作基准时钟。
U1--J2U1的A0～A15为16位地址线，用于存储器寻址，U1--J4J4的1号引脚连接U1的VDD引脚(7、20、22、26、40、41、44号引脚为U1提供+5VDC工作电压。J4的2号引脚连接U1的VSS(8、9、19、21、25号引脚)为U1提共数字地。
U2--U3U2的5号引脚接U3的VCC(1号引脚)，为U3提供+5VDC工作电源，U2的4号引脚连接U3的GND(8号引脚)，为U3提供数字地。U3的T1、T2引脚(7、9号引脚)为模拟引脚，分别经过二极管组电路接地，用于对U3进行静电保护。
U2--U4U2的5号引脚连接U4的VCC(28号引脚)，为U4提供+5VDC工作电源。U2的4号引脚连接U4的GND(14号引脚)，为U4提供数字地。
U2--U5U2的5号引脚连接U5的VCC(32号引脚)，为U5提供+5VDC工作电源。U2的4号引脚连接U5的VDD(16号引脚)，为U5提供数字地。
U2--U6、U7U2的5号引脚为U6和U7提供+5VDC高电平作为逻辑1，进入逻辑运算；U2的4号引脚为U6和U7提供数字低电平作为逻辑0，进入逻辑运算；U2--U8U2的4号引脚为U8提供数字地低电平，即公共端。
U2--J3、J4U2为AC/DC单元，由J3的1、2、3号管脚接进220VAC电源，向J1的1、2号引脚分别输出+5VDC和公共地线。
U3--U8U3的CLK(6号引脚)与U8的任意引脚连接，由U8为U3提供工作时钟基准。
U3--J1U3的NETA(2号引脚)和NETB(3号引脚)为双绞线通讯接口，在经过整流和滤波后通过J1的1、2号两个引脚与其它Lon网设备连接。
U4、U5、U6、U7；U4和U5为存储器件，由U6和U7组成的CPLD逻辑编码电路进行地址空间、片选信号及读写信号的控制，以实现对32K ROM和24KRAM的有效寻址。
工作原理通讯控制节点以Neuron 3150芯片为工作核心，外围扩展了I/O接口、片外存储器、电源、基准时钟和网络收发五个模块。
a)I/O接口工作原理I/O接口主要是与前端A/D转换模块进行通讯。其工作模式是采用MAXBUS方式的并行A/D方案，IO0～IO7是数据/地址复用总线；IO8～IO10是与A/D芯片的握手和控制信号线，分别用于锁存、读和写控制。
首先由Neuron 3150向数据线写11位数据，其中IO0～IO7为地址数据，IO8～IO10用于启动A/D，接着由IO0～IO7总线读取数据，由于A/D转换速度快于Neuron 3150的I/O操作，且转换结果数据也送至IO0～IO7总线。此时Neuron 3150在从IO0～IO7读数据时，IO0～IO7总线上已经锁存着A/D转换后的结果。由于A/D芯片是12位精度的，所以必须在8位数据总线上按先低8位后高4位的顺序分两次传输数据。
b)片外存储器访问方式Neuron3150可支持32KFlashROM和24KRAM的配合使用，通过A0～A15地址线时其进行寻址。
1U4为32KRAM，其片选CE由下式给出该式定义U4的0x0000～0x5FFF存储空间映射至Neuron3150的0x8000～0Xdfff寻址空间，而U4的0x6000～0x7FFF则不会被访问到。
1 U5为64K Flash ROM，其片选引脚与Neuron 3150的A15引脚连接，因此只能访问U5的0x0000～0x7FFF空间，映射为Neuron 3150的0x0000～0x7FFF寻址空间。
c)电源设置AC/DC电源模块将220V 50Hz交流电转换为+5V直流电并向其他器件提供电源和数字高电平。
d)基准时钟由U8为Neuron 3150和FTT-10A提供10MHz工作基准时钟。
e)网络收发由FTT-10A双绞线收发器控制Neuron 3150与Lon网之间的数据传输，数据传输速度为78Kbps。
节点工作流程为a)时钟为Lonworks节点提供工作时间基准。
b)Flash ROM中存放用户程序，RAM中存放系统工作时的数据和一些变量，它们的地址空间是连续的；c)IO是由A/D转换输入的现场测量结果，由Neuron3150通过EPLD编码器访问相应的存储空间，并通过数据线进行读写操作，将数据存入RAM等待下一步操作；d)最后由Neuron 3150控制FTT-10A收发器将数据流以某种数据帧格式向Lon网发送；由于节点连接非常方便，因此可以类似本产品的结构组成不同规模的监测系统。
LonTalk协议转换模块本实用新型的数据通讯遵循LonTalk协议(在3150芯片内)，该协议支持多种通讯媒体，多种网络拓朴结构，符合国际标准化组织ISO制定的开放系统互联OSI基准模式，具有完整的七层协议。LonTalk协议采用分级式的编址模式，共分三级域、子网和节点地址。域是第一级地址，它是发布在一个或多个信道上的一系列节点的集合，一个子网最多包括127个节点，每个域最多可包括255个子网。每个子网中的所有节点必须在同一个信道上或由网桥联接的两个信道上。普通计算机并不提供LonTalk协议接口，因此我们向用户提供一个LonTalk协议向RS232串口通讯协议的廉价解决方案，该工作由LonTalk协议转换模决完成。
权利要求1.一种水力机组振动摆度在线监测系统的通讯控制器，由神经元芯片电路、存储器读写电路、收发器电路组成，具体连接是神经元芯片U1的数据输出引脚cp0、cp1分别与收发器U3的RXD和TXD引脚连接，神经元芯片U1的A13-A15地址线经过U7C、U7A组成的编码电路与RAM存储器U4的片选CE连接；ROM存储器U5的片选引脚CE接地，U1的16条地址线经过U6、U7编码电路与U4和U5的读写引脚WE和OE的连接，U1的A0～A15 16位地址线与存储器的地址线连接；收发器包括收发芯片U3、隔离电路和接口电路；前端接口电路J2与U1的I/O接口连接，收发芯片U3的输出通过隔离电路与双绞线接口J1相连接。
2.根据权利要求1所述的水力机组振动摆度在线监测装置，其特征是神经元芯片采用Neuron 3150。
3.根据权利要求1或2所述的水力机组振动摆度在线监测装置，其特征是收发芯片U3采用FTT-10A。
专利摘要本实用新型提供一种水力机组振动摆度在线监测系统的通讯控制器,由神经元芯片电路、存储器读写电路、收发器电路组成,神经元芯片U1的数据输出引脚cp0、cp1分别与收发器U3的RXD和TXD引脚连接,神经元芯片U1的A13—A15地址线经过U7C、U7A组成的编码电路与RAM存储器U4的片选CE连接;ROM存储器U5的片选引脚CE接地,U1的16条地址线经过U6、U7编码电路与U4和U5的读写引脚WE和OE的连接,U1的A0～A15 16位地址线与存储器的地址线连接;收发器包括收发芯片U3、隔离电路和接口电路;前端接口电路J2与U1的I/O接口连接,收发芯片U3的输出通过隔离电路与双绞线接口J1相连接。
文档编号H04B17/00GK2518263SQ0127333
公开日2002年10月23日 申请日期2001年12月13日 优先权日2001年12月13日
发明者黄天戍, 黄绵华, 周磊, 于晓东 申请人:武汉武水电力有限公司