专利名称：基于现场可编程外围芯片的分析仪器智能测控平台的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种可以衍生出多种化学分析仪器的电子电路，尤其是一种基于现场可编程外围芯片的分析仪器智能测控平台。
背景技术：
过程分析仪器面向各种工业流程和环境保护，需求繁多。市场表现为.要求分析仪器多品种，小批量。这导致仪器设计各自的单片机系统，不仅重复性工作多，开发周期长。目前过程分析仪器结构上采用各种中小规模集成电路搭建仪器，集成化程度不高。一方面造成设备体积大，另一方面容易引入电磁干扰。各种分析仪器的互换性不高。给仪器生产和技术服务带来困难，对市场需求变化不能及时做出调整，从而影响产品的竞争力。利用单片机可以与PSD(现场可编程外围芯片)结合的功能。如CN01145588.8现场可编程器件的编程辅助控制装置包括编程控制器和接受编程的现场可编程器件，该编程控制器含有一组合编码信号输出端)；该现场可编程器件含有编程控制信号输入端、时钟信号输入端和数据信号输入端，还有一将组合编码信号分解成相应独立成份信号的解码单元，其联接该组合编码信号输出端和该现场编程器件中的三个输入端中的与分解独立成份相对应的输入端。本发明具有结构简单、工作可靠的优点，解决了FPGA编程时需要控制信号线过多的问题。但未见有基于现场可编程外围芯片的分析仪器智能测控平台。
发明内容
本发明目的是构建一个可以根据市场需要在一个相对稳定的单片机硬件系统的核心的基础上方便快捷的衍生出新型智能分析仪器。简化硬件电路，使系统的设计、修改和扩展都变得十分灵活方便。
本发明目的是这样实现的基于现场可编程外围芯片的分析仪器智能测控平台，包括单片机与PSD、只读存储器构成，单片机与PSD、只读存储器之间通过系统总线相互连接，通过PSD实现对外围输入输出设备的配置，PSD连接数据采集模块，数据采集模块为A/D转换器，A/D转换器输入端连接数据采集通道，而A/D转换器的输出连接PSD数据总线，A/D转换器控制端口连接PSD扩展输入/出输出口；设有远程通讯在线监控模块，通过PSD产生串行信号Txd和Rxd和控制信号trcon的扩展输入输出口经过光耦接通讯芯片(MAX485)，通讯芯片(Max485)通过trcon来进行控制；模拟量趋势输出电路由单片机输出口产生PWM信号和HSO信号，经过高频光电隔离和电压电流(V/I)转换电路，输出4～20mA的趋势输出，通过调节占空比实现对输出的控制。在此结构上，通过硬件模块选择就可以构建出各种系列过程分析仪器。
现场可编程外围芯片是一种特别适用于单片机的器件，它集成了EPROM、SRAM、通用输入输出接口和多种可编程逻辑器件译码PLD、通用PLD、外设PLD、还集成了电源管理、中断控制、定时器等功能部件。这些功能使它可以取代绝大多数传统分析仪器中除单片机外的芯片。因而可以和单片机结合在一起简化分析仪器的结构。由于PSD中含有大量的可编程逻辑器件，所以可以通过他们方便的控制外部设备，实现按用户要求灵活配置系统硬件资源，组合成为不同类型分析仪器的嵌入式硬件系统。
单片机与PSD、只读存储器之间通过系统总线相互连接。通过PSD实现对外围输入输出设备的配置。PSD连接数据采集模块。数据采集模块为A/D转换器，A/D转换器输入端连接数据采集通道，而A/D转换器的输出连接PSD数据总线，A/D转换器控制端口连接PSD扩展输入/出输出口。
A/D转换将样品成分传感器的模拟信号连接A/D转换器端口；高精度温控设备的温度检测和仪器在线下的信号连接A/D转换器端口作自动标定；或将仪器正常运行下若干设备控制和自诊断模拟信号连接A/D转换器端口提供数据采集，可分析仪机内的工作温度控制、环境压力、环境温度的检测、电源值的检测等。
设远程通讯在线监控模块，通过PSD产生串行信号Txd和Rxd和控制信号trcon的扩展输入输出口经过光耦接到MAX485。Max485通过trcon来进行控制。
模拟量趋势输出电路。该电路由单片机输出口产生PWM信号和HSO信号，经高频光电隔离芯片和V/I转换电路输出4～20mA的趋势输出，即通过调节占空比来实现对输出的控制。
串行存储器由单片机通过PSD的可扩展输入输出口连接来进行存取数据。用于存放厂方设置和仪器的基本参数。
本发明硬件特征为选用先进的Microchip单片机及PSD作为变送器的核心器件，配合A/D、D/A及LCD显示器，构成嵌入式单片微机系统。该系统对来自不同分析仪器的测量信号进行放大调整，经系统计算处理转换为相应的测量结果。该结果可直接在智能变送器的LCD上以数字形式或运行曲线显示，也可通过串行网络与上位机进行数据通信，同时输出隔离后的直流标准模拟信号。设计将确保在硬件系统设计上的先进性，同时具有较长的产品寿命，且易于硬件升级更新。
单片机现场可编程外围芯片PSD的原理及应用现场可编程外围芯片(PSD)是一种特别适用于单片机系统的器件，它集成了EPROM、SRAM、通用I/O口和多种可编程逻辑器件译码PLD、通用PLD、外设PLD，还集成了电源管理、中断控制、定时器等功能部件。它能与当今流行的多种8位和16位单片机、微处理器总线直接接口。采用PSD组成系统会大大简化硬件电路，分析仪表的特点是多品种，小批量。所以本发明硬件平台模块化功能强，不仅可以适用于当前的仪表，也可以在较小的改动软件甚至只需用键盘改变一些参数的情况下用于其他类型的仪表。不仅通道数是可选的，连各组分的名称，所用单位都可以通过键盘来选择。多种校准和补偿公式也可以通过键盘输入，真正做到不针对某个特定组分，不依赖于某个特定的传感器使系统的设计、修改和扩展都变得十分灵活方便。
本发明的有益效果是，可以在基本不改动本核心电路的前提下方便的衍生出各种用户需要的分析仪器，同时减少产品开发周期。由于核心电路采用双片结构，芯片数量少，集成程度高，因此系统抗干扰性能好，结构简单，体积小。配套的平台软件可以方便的生成用户所需要的智能分析仪器的监控原程序，从而简化软件系统的设计。
四、附图与说明
图1为本发明平台硬件结构图。
图2为本发明数据采集模块图3为本发明远程通讯模块图4为本发明模拟输出电路五具体实施方式
如图1所示单片机与PSD、只读存储器之间通过系统总线相互连接。单片机实现基本的控制功能。只读存储器用来存放监控程序。PSD实现对外围设备的灵活配置。PSD芯片内包含如图所示的电源管理、Flash存储器、扩展输入输出口、静态随机存储器。其中电源管理可以按用户要求实现便携机型对耗电量的控制，同时它还保证PSD芯片内的静态随机存储器在系统出现电源故障时由外接电池供电，防止丢失数据。Flash存储器提供图形用户界面，中英文字库的存放空间。静态随机存储器为程序运行的计算处理和过程数据提供读写空间。扩展输入输出口可以由程序控制灵活管理配置外部其它芯片，从而实现灵活的按用户的要求在基本该动核心电路的基础上，通过编写PSD控制程序就可以实现对外设的添加和删除，灵活的组合出用户需要的分析仪器。亦可以如使用ST公司(WSI公司)生产的PSD(单片机可编程外围芯片)产品。这是一种特殊的PLD，如PSD8xx，PSD9xx，集成了PLD，EPROM，Flash，并支持ISP(在线编程)，价格偏贵一点，但集成度高，用于配合单片机工作。
可以通过PSD控制的有以下部分。
(一)、数据采集模块为了能和其他任意成分检测传感器方便的互连，本发明的数据采集模块统一被规划为0～5V的标准电信号送入A/D转换器。A/D转换分为三大类一类将样品成分传感器的模拟信号转换为数字信号，以供单片机系统处理。一类用于高精度温控设备的温度检测和仪器在线下的自动标定。最后一类则为仪器正常运行下若干设备控制和自诊断提供数据采集，如分析仪机内的工作温度控制、环境压力、环境温度的检测、电源值的检测等。
数据转换通道的连接如图2所示。
由于每个A/D转换芯片都有多个转换通道，而且也可以通过PSD的扩展输入输出口来添加其他A/D转换芯片，以实现多通道，多检测器的使用。
(二)、远程通讯为了实现在线监控，本平台提供了远程通讯功能。这种功能是通过如图3所示的电路来用RS-485通讯协议来实现的。其原理为通过程序控制PSD的扩展输入输出口来产生串行信号Txd和Rxd和控制信号trcon。使txd发送串行数据，经过光耦接到MAX485的发送器即第4脚。Rxd接到MAX485的接收器的输出脚上。Max485通过trcon来进行控制。当trcon为低电平时经过光耦后，将485的2，3脚拉高(光耦导通时候，三极管上电导通则Vcc接到485的2，3脚上，所以为高。)使能发送器，禁止接受器。保证了半双工的工作。同理，trcon＝1时候D502截止，此时max485的2，3脚经过下拉电阻R505接到地上，所以2，3脚为低电平，从而禁止发送器，使能接受器。从而实现RS-485的远程通讯。
(三)、模拟输出在线分析仪器的主要功能是为计算机控制系统提供实时的分析结果。本发明提供模拟量趋势输出。其电路如图四所示。该电路由单片机通过PSD的可扩展输出口产生PWM信号和HSO信号，通过调节占空比来实现对输出的控制。PWM的输出值与电路输出毫安值的关系如下 (四)、串行存储器由单片机通过PSD的可扩展输入输出口来进行存取数据。串行存储器具有加密，掉电保持。该部分用于存放不同分析监测器组合时的硬件信息、厂方设计以及重要的分析仪器参数，可以在用户设置发生错误时恢复出厂时的设置，提高在线运行下的可靠性。
(五)、显示与键盘该部分也是通过接连PSD的扩展输入输出口来实现显示分析结果，提供友好的人机交互界面，提供对仪器的操作和设定。
(六)、其他部分由于PSD的可扩展输入输出接口很多，可以通过对PSD编程的方式对输入输出接口进行灵活的配置。所以可以进一步利用此接口实现其他功能。比如采样系统的阀门流路控制等功能。
权利要求
1.基于现场可编程外围芯片的分析仪器智能测控平台，包括单片机与PSD、只读存储器构成，其特征是单片机与PSD、只读存储器之间通过系统总线相互连接，通过PSD实现对外围输入输出设备的配置，PSD连接数据采集模块，数据采集模块为A/D转换器，A/D转换器输入端连接数据采集通道，而A/D转换器的输出连接PSD数据总线，A/D转换器控制端口连接PSD扩展输入/出输出口；设有远程通讯在线监控模块，通过PSD产生串行信号Txd和Rxd和控制信号trcon的扩展输入输出口经过光耦接通讯芯片(MAX485)，通讯芯片(Max485)通过trcon来进行控制；模拟量趋势输出电路由单片机输出口产生PWM信号和HSO信号，经过高频光电隔离和电压电流(V/I)转换电路，输出4～20mA的趋势输出，通过调节占空比实现对输出的控制。
2.由权利要求1所述的基于现场可编程外围芯片的分析仪器智能测控平台，其特征是设有串行存储器，并由单片机通过PSD的可扩展输入输出口连接串行存储器，进行存取数据。
3.由权利要求1所述的基于现场可编程外围芯片的分析仪器智能测控平台，其特征是设有将样品成分传感器的模拟信号连接A/D转换器端口；高精度温控设备的温度检测和仪器在线下的信号连接A/D转换器端口作自动标定；或将仪器正常运行下若干设备控制和自诊断模拟信号连接A/D转换器端口提供数据采集，可实现对分析仪机内的工作温度控制、环境压力、环境温度的检测、电源值的检测。
全文摘要
基于现场可编程外围芯片的分析仪器智能测控平台，包括单片机与PSD、只读存储器构成，PSD与只读存储器之间通过系统总线相互连接，PSD实现对外围输入输出设备，PSD连接数据采集模块，数据采集模块为A/D转换器，A/D转换器输入端连接数据采集通道，而A/D转换器的输出连接PSD数据总线，A/D转换器控制端口连接PSD扩展输入/出输出口；设有远程通讯在线监控模块，模拟量趋势输出电路由单片机输出口产生PWM信号和HSO信号，经过高频光电隔离和电压电流(V/I)转换电路，输出4～20mA的趋势输出，通过调节占空比实现对输出的控制。本发明在基本不改动本核心电路的前提下方便衍生出各种用户需要的分析仪器。
文档编号G06F12/00GK1725174SQ20051004034
公开日2006年1月25日 申请日期2005年6月1日 优先权日2005年6月1日
发明者程明霄, 高喜奎, 李明, 徐淮明 申请人:南京工业大学, 南京南分分析仪器有限责任公司