专利名称：WorldFIP接口型机车用能耗记录仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及机车网络控制，尤其涉及一种基于WorldFIP的标准网络通过测 量电流和电压来测量电功率的机车耗能记录装置。
背景技术：
目前，用于机车能耗测量记录的方法，是基于传统的控制方式，通过电压、 电流传感器接收设备的电压和电流值，然后将这些测值通过硬线直连的方式送 到司机室内，并与仪表相连，从而显示或记录能耗情况。由于这种方法需要将 每个设备分别接入，设备越多所需的接线量越大，故使搭建的测能系统也越复 杂，造成系统构成成本增加，可靠性降低，操作、维护及检修工作也相对繁琐。 如今，很多机车在控制上实现了网络化，记录能耗需测量的电压电流信息，也 和其他数据一样在网络上传输，这就为使用一种设备从网络上直接得到所需电 流电压的相关信息，并依此计算其电功率提供了可能，从而克服了传统测量方 式所带来的问题，为能耗测量开辟了一个新方向。
WorldFIP(World Factory Instrumentation Protocol),是符合EN50170标准的 一种面向工业控制的现场总线，提供现场设备和控制器以及控制器之间的数字 化连接。相对于其他的国际现场总线标准，WorldFIP在技术上的特点和优势如 下
1) 可靠性高。WorldFIP具有极强的抗干扰能力；能完全满足IEC关于电磁 兼容性的EMC标准；支持电缆冗余，大部分协议固化在硬件上，稳定性强。
2) 实时性好。生产者一消费者模式和总线仲裁器的调度方式保证了在一条 总线上传递大量信息的同时，不会干扰实时变量的通信。
3) 协议单一。WorldFIP现场总线不论低速还是高速，只有一套通信协议， 所以不需要任何网桥或网关，低速与高速网络的衔接只用软件完成。
4) 可与Internet透明连接。由于WoridFIP能分别处理实时数据和消息， 满足了 Internet通信与实时自动化通信互不干扰的要求。因此WoridFIP是连接
总线和Internet的当然之选。
由于WoridFIP网络是国际上许多大公司采用的一种技术，使用范围广泛， 而机车的能耗测量又是一项较重要的工作，因此基于WoridFIP网络的WoridFIP 接口型机车用能耗记录仪既顺应发展趋势又具有很强的实用性。
发明内容
本发明的目的是提供一种WoridFIP接口型机车用能耗记录仪。当WoridFIP 网络应用于机车上时，几乎所有数据都是通过网络进行传输的，机车运行的电 压电流等信息也不例外，它们由网络系统的主控制器发送到WoridFIP网上(此 过程由网络自主完成)，所述能耗记录仪则直接从网上读取电压电流信息并进行 记录。
本发明的技术解决方案是这样实现的
一种WoridFIP接口型机车用能耗记录仪，其特征在于包括C8051F040构 成的主控制器模块、MICROFIP构成的WoridFIP协议控制模块、由LCM12864ZK 型液晶显示屏和控制键盘构成的数据显示控制单元、以及WoridFIP专用总线收 发器和供电单元，所述的WoridFIP专用总线收发器通过内侧接口与WoridFIP 协议控制模块的信号收发和控制引脚相连；所述的WoridFIP协议控制模块通过 地址总线A0-A8和数据总线D0-D8以及读写控制线RD/WR、片选信号CS、选 通信号ALE与主控制器模块相连；所述的数据显示控制单元的数据线DT0-DT7 与主控模块的P3 口相连，键盘控制接口与P2.0-P2.4弓l脚相连；所述的主控制 器模块主要通过P6和P7 口与WoridFIP协议控制模块通信，通过P2和P3 口与 数据显示控制单元交换信息；所述的供电单元将+5V电压送到WoridFIP专用总 线收发器和数据显示单元的VCC引脚，将+3.3V电压送入主控模块和WoridFIP 协议控制模块的电源引脚，供电单元的参考地输出GND则与板内所有GND信 号相连，与正电压构成回路；WoridFIP总线上传输的信号通过WoridFIP专用总 线送入到WoridFIP协议控制模块，经解码后，将数据转入主控制器，数据在主 控模块内进行解析、处理、存储，最后以8位并口数据的形式发送给数据显示 控制单元。
所述的WoridFIP专用总线收发器包括WoridFIP专用的总线收发芯片 FIELDRIVE、接口隔离芯片FIELDTR以及具有三态输出的驱动芯片74LVC244; 所述各模块通过内部总线电连接。
所述的供电单元电路包括电源转换芯片AS1117M3-3.3和MIC5207，以及隔 离芯片BO505T。
一种所述WorldFIP接口型机车用能耗记录仪的控制方法，其控制过程包括 系统初始化和主控制器状态设置的步骤，其特征在于还包括下述步骤
(1) 协议控制器MICROFIP初始化；
(2) 端口信息配置；
(3) 读取电压电流信息；
(4) 计算能耗；
(5) 显示存储信息；
(6) 判断有否按键信息，并在下述步骤中进行选择
(7) 无按键信息，则返回系统初始化；
(8) 有按键信息，则进行键盘处理；
(9) 返回系统初始化。
与现有技术相比较，本发明的优点在于能直接从网络上取出电流电压信息 进行记录，并依其值计算出电功率，从而改变了传统的基于传感器的控制方式。
本发明有7幅附图，其中
图l是本发明的结构框图2是本发明的电路结构图3是本发明的主控制器芯片C8051F040电路图4是本发明的FIP协议控制器MICROFIP电路图5是本发明的总线收发器FIELDRIVE及隔离变压器FIELDTR构成的 WorldFIP接口电路图6是本发明的液晶显示屏与显示屏控制键盘的接口电路图； 图7是供电单元部分电路图8是本发明的程序框图。
具体实施例方式
如图1-图7所示的一种WorldFIP接口型机车用能耗记录仪，硬件组成包括 主控制器模块、WorldFIP协议控制模块、数据显示控制单元以及WorldFIP专用
总线收发器和供电单元，见图1所示。硬件的作用主要是为各模块电路提供物
理连接，接收或截留WorldFIP总线中的电压、电流信号并负责信号物理传输过 程，同时为设备提供工作电源。
所述能耗记录仪包括两路WorldFIP信号通路，总线信号通过WorldFIP专用 总线收发器采集到系统内部，其中FIP隔离变压器FIELDTR2可防止外部信号 对系统的干扰，隔离后的信号送入专用收发芯片FIELDTR2的12、 18管脚，经 电平转换后送入驱动芯片SN74LVC244A的12、 14、 16、 18管脚，信号经驱动 后再送入MICROFIP协议控制芯片。WorldFIP信号通路为双向设计，信号也可 从系统内部向WorldFIP总线发送。系统的主控模块与MICROFIP协议控制芯片 之间通过数据总线、地址总线互传数据，并连有ALE、 CS、 RD、 WR等控制信 号，保证正确的传输时序。主控模块将转换后的数据通过P3 口传输到显示控制 单元的DT0-DT7数据引脚内。与二者相连的S1-S5键控制显示单元的/RST、PSB、 SCLK、 R/W和CS信号并通过TO旋钮控制显示屏的明亮度。
FIP隔离变压器FIELDTR是将WorldFIP网络的外电路信号经过磁隔离送入 总线收发器，或将总线收发器的信号经高频隔离变压器送至WorldFIP网络，它 的隔离电压达3000Vrms， EMC满足IEC61000-4标准。
FIP总线收发芯片F正LDRIVE是一个集成的线路工具，为WorldFIP协议 控制器和高频隔离变压器提供电气接口，它将协议控制器送来的数字信号转换 成曼彻斯特信号，然后将功率驱动后的信号送至高频隔离变压器，或将高频隔 离变压器送来的曼彻斯特网络信号解码成数字信号，送入协议控制器。
FIP协议控制器MICROFIP是一种通信微控制器，按功能分为控制部分、 双口存储器、用户接口、 PIA、 PIB 口和订户号输入口、 UART (要求符合NFC 或是IEC标准的帧结构和FCS计算)、介质冗余管理。内置的通信协议与 WorldFIP标准兼容，可提供周期性缓冲传输和数据链路层报文服务，也支持应 用层更新和提示机制。另外还能支持和管理介质冗余，无需外加芯片。
C8051F040主控制器是整个设备的核心部分，完成了能耗记录的功能控制。 C8051F040是完全集成的混合信号片上系统型MCU，具有64个数字I/O弓l脚， 片内采用Silicon Lab的专利CIP-51微控制器内核。每个MCU都可在工业温 度范围(-45°CilJ+85°C)工作，工作电压为2.7 3.6V。由于能耗记录仪的应用
需要，要求设备具有存储数据的功能，当系统暂时掉电时，FLASH存储器除了
用于存储程序代码之外还可以用于非易失性数据存储。这就有效的保证了应用 的安全可靠。
LCM12864ZK型液晶显示屏的字型ROM内含8192个16*16点中文字型和 128个16*8半宽的字母符号字型；电源操作范围宽(2.7Vto5.5V)，低功耗设 计可满足产品的省电要求；同时与单片机等微控器的接口界面灵活(三种模式: 并行8位/4位，串行3线/2线)。
供电单元包括几种等级的电源芯片及保护电路，负责整个系统的供电。产 生的电压等级包括隔离的+5V电压、+3.3V电压和+2.5V电压。
软件的作用是根据现场应用要求，控制WorldFIP协议控制芯片的工作时序， 将WorldFIP数据在主控芯片中进行处理、存储，将数据送入显示屏并处理人机 接口的键盘扫描工作。
权利要求
1.一种WorldFIP接口型机车用能耗记录仪，其特征在于包括C8051F040构成的主控制器模块(6)、MICROFIP构成的WorldFIP协议控制模块(5)、由LCM12864ZK型液晶显示屏(7)和控制键盘(8)构成的数据显示控制单元、以及WorldFIP专用总线收发器(1)和供电单元(9)，所述的WorldFIP专用总线收发器(1)通过内侧接口与WorldFIP协议控制模块(5)的信号收发和控制引脚相连；所述的WorldFIP协议控制模块(5)通过地址总线A0-A8和数据总线D0-D8以及读写控制线RD/WR、片选信号CS、选通信号ALE与主控制器模块(6)相连；所述的数据显示控制单元的数据线DT0-DT7与主控模块的P3口相连，键盘控制接口与P2.0-P2.4引脚相连；所述的主控制器模块(6)主要通过P6和P7口与WorldFIP协议控制模块(5)通信，通过P2和P3口与数据显示控制单元交换信息；所述的供电单元将+5V电压送到WorldFIP专用总线收发器(1)和数据显示单元的VCC引脚，将+3.3V电压送入主控模块和WorldFIP协议控制模块的电源引脚，供电单元的参考地输出GND则与板内所有GND信号相连，与正电压构成回路；WorldFIP总线上传输的信号通过WorldFIP专用总线送入到WorldFIP协议控制模块(5)，经解码后，将数据转入主控制器(6)，数据在主控模块(6)内进行解析、处理、存储，最后以8位并口数据的形式发送给数据显示控制单元。
2、根据权利要求l所述的WorldFIP接口型机车用能耗记录仪，其特征在 于所述的WorldFIP专用总线收发器(1)包括WorldFIP专用的总线收发芯片 FIELDRIVE (3)、接口隔离芯片FIELDTR (2)以及具有三态输出的驱动芯片 74LVC244 (4);所述各模块通过内部总线电连接。
3、 根据权利要求2所述的WorldFIP接口型机车用能耗记录仪，其特征在 于所述的供电单元电路包括电源转换芯片AS1117M3-3.3和MIC5207，以及隔离 芯片BO505T。
4、 一种如权利要求1所述WorldFIP接口型机车用能耗记录仪的控制方法， 其控制过程包括系统初始化和主控制器状态设置的步骤，其特征在于还包括下 述步骤 (1) 协议控制器MICROFIP初始化；(2) 端口信息配置；(3) 读取电压电流信息；(4) 计算能耗；(5) 显示存储信息；(6) 判断有否按键信息，并在下述步骤中进行选择:(7) 无按键信息，则返回系统初始化；(8) 有按键信息，则进行键盘处理；(9) 返回系统初始化。
全文摘要
本发明公开了一种WorldFIP接口型机车用能耗记录仪。包括主控制器模块、WorldFIP协议控制模块、WorldFIP专用总线收发器、数据显示控制单元和供电单元。WorldFIP信号从总线收发器接收，经协议控制器和主控制器模块的处理后，发送给数据显示单元，完成能耗记录和显示的功能。
文档编号G05B19/418GK101367384SQ200810013190
公开日2009年2月18日 申请日期2008年9月11日 优先权日2008年9月11日
发明者涛 吴, 董笑辰, 马晨普 申请人:中国北车股份有限公司