基于Neuron芯片的现场采集节点设计

资源类型:pdf 资源大小:168.00KB 文档分类:工业技术 上传者:李岗

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【作者】 黄天戍  黄维  孙轶  任清珍 

【关键词】现场总线 Neuron芯片 水轮机组 

【出版日期】2005-04-25

【摘要】介绍了一种在水轮机组振动摆度监测系统中,现场数据采集节点的设计方法。它采用了Lonworks现场总线技术,基于Neuron芯片的特点,使现场节点的数据采集工作高效并行同步进行,且易于扩展。

【刊名】电测与仪表

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0引言水轮机组振动摆度监测系统,可通过对运行中的水轮机组的振动、摆度、压力脉动等表征其稳定性的参数进行在线实时监测,从而获取各种稳定性参数数据,并根据这些数据分析机组当前的运行状态,以及监视机组缺陷的缓慢变化过程,以便为机组状态检修提供良好的稳定性参数依据,同时也为机组的运行调度提供可靠的信息。本文设计的现场采集节点应用在水轮机组信号采集的现场,信号来自于在水轮机的主轴、座环、顶盖、蜗壳等多处安装的运动传感器的输出信号。系统中的传感器应采用满足电力行业国家标准的标准传感器,即应满足电源:±12V、+24V;输出信号:直流电流:4~20mA;直流电压:0~+10V。现场监测层位于系统的最底层,它负责对现场信号的采集、存储和传送。它由现场监测单元构成,每个现场监测单元由多个现场数据采集节点和一个传输节点组成。由于采用了现场总线技术,现场监测节点可以靠近测点布置,节点间通过现场总线连接,利用其专用的通信协议传送数字信号。因而,具有信号调理电路简单、抗干扰能力强、现场布线简单和易扩展等优点。1数据采集方式在本设计中选择通用的程序控制数据采集方式。程序控制数据采集方式由硬件和软件两部分构成。可以通过修改程序或选择不同的采集程序以满足不同采集任务的要求。程序控制数据采集通常可改变的参数有:①采集点;②采样率;③数据字节;④格式。程序控制数据采集的采样通道地址可以随意选择,控制多路传输门开启的通道地址码由存储器中读出的指令确定。2神经元芯片选择在本设计中我们选用TMPN3150,可使用64KB寻址空间中的42KB空间作为程序存储区,它支持外部存储器,与其他设备的互连是通过它的11个IO口,即IO0~IO10。这些管脚可以根据不同的外部设备IO的要求,灵活配置输入输出方式。3AD转换接口方式选择并行口的工作方式有3种,即主模式(master)、从A模式(slave_A)和从B模式(slave_B),并行口的传输总第42卷第472期电测与仪表Vol.42No.4722005年第4期ElectricalMeasurement&InstrumentationApr.2005图1现场采集节点结构图2外部存储器接口电路速率可达3.3Mbps。不同的模式下,IO8~IO10这3根控制信号线的意义不同。若选择slave_A模式,即从A模式,IO8为片选信号线(CS),IO9为读写信号线(RW),IO10为握手信号线(HS)。从A模式中,认为Neu-ron芯片为从机(slave),微处理器为主机(master),主机和从机之间的数据传输通过虚拟的写令牌传递协议(virtualwritetoken-passingprotocol)实现。主机和从机交替地获得写令牌(writetoken),只有拥有写令牌的一方可以写数据(不超过255个字节),或者不写任何数据传送一个空令牌。传送的数据要遵从一定的格式,即在要传送数据的前面加上命令码和传送数据的长度。在从A模式中Neuron芯片的握手协议以及令牌传递的实现是自动的,NeuronC编程语言提供有几个函数和事件,这使得Neuron芯片的编程实现起来很方便。但是对微处理器,要求编程人员必须通过编程使微处理器能执行Neuron芯片的握手令牌传递算法。本文选用SlaveA模式。4内存映象方法由于采用Neuron芯片的IO接口来实现AD转换,很难达到水电站机组状态监测信号数据采集的要求,因此本文决定利用控制节点保留的E000-E7FF的2KB地址空间,作为AD1674的端口地址,采用内存映象的方法直接读取AD1674的数据。所谓内存映像的方法读取AD的转换数据是指将保留的存储器地址空间分配给AD转换芯片使用,从而可通过存储器的地址来访问AD转换芯片。本文利用Lonworks内存映象方法设计的节点采样速度远高于采用串行方法设计的采集节点,而且节省了Neuron芯片的全部11个IO引脚,这11个IO口既可用于开关量的采集和控制,也可用于扩展。从而提高了整个采集节点的性能。5现场采集节点硬件及软件设计每个现场采集节点主要由Lonworks控制模块和AD转换模块构成。Lonworks控制模块包括Neuron3150芯片、Lonworks双绞线网络收发器(FTT-10A)、程序存储器(Flash)、数据存储器(SRAM)和门电路等元器件,完成将现场采集的数字信号向on网传输的任务;AD转换模块将传感器输出的0~10V电压信号或4~20mA的电流信号转换为数字量,并向3150芯片输出。由于对快变量要求的采集速度很高,3150芯片并不对数据进行处理,数据处理由上层服务器完成。AD转换模块采用AD1674芯片,现场采集节点采用内存映像的方法读取AD1674的转换数据。其结构如图1所示。5.1Neuron芯片与外部存储器接口设计Neuron3150芯片上无ROM,但是它允许寻址的外接存储区空间高达59392字节。它主要用于:(1)存储应用程序和数据(43008个字节);(2)存储Neuron芯片的固件和预留区(16384个字节)。3150芯片的外接存储器总线有8根双向数据线,16根地址线和2根由Neuron芯片驱动的控制输出线。FLASHROM选用AT29C512,我们给其分配的地址空间为0000-7FFF,其中,0000-3FFF的16KB空间用于系统固件;4000-7FFF的16KB空间用于用户程序代码。数据存储器RAM选用ISSI公司的IS61C256AH-15N,给其分配26KB地址空间为8000~E7FF;E000~E7FF的2KB地址空间用于外部设备的内存映像IO的空间。Neuron3150和外部存储器的接口电路如图2。由于采用FLASH,可以在线修改下载用户程序,非常方便。5.2Neuron芯片通信设计Neuron芯片有一振荡器,使用外接晶体或陶瓷共振器电路来产生输入时钟CLK1。我们选用10MHz晶-63-总第42卷第472期电测与仪表Vol.42No.4722005年第4期ElectricalMeasurement&InstrumentationApr.2005振。对于10MHz的输入时钟频率,时钟产生电路的元器件值为电阻R=270Ω,电容C=30pF;水轮机组振动摆度监测的实时性要求很高,本系统采用显示报文的方式与上位机通信。但是上位机无法通过DDEServer来反映报文的变化情况,因此可以用一个LonworksRS232转换接口来取代昂贵的网络适配器或网卡,把LonTalk协议的显示报文转换为RS232格式的数据,通过串口送到上位机,这样既提高了数据的传输速度又节省了开支。LonworksRS232转换接口实际上是一个特殊的Lonworks节点,由它完成与PC机的串口通信以及与Neuron芯片3150的并口通信。它是监测系统的另一重要组成,本文主要介绍数据采集节点的设计,对通信接口的介绍省略。5.3Neuron与AD芯片接口设计5.3.1AD选型(1)精度要求:由AD输入级至最原始被测电流信号级经过了20:1的变比(传感器固有变比),故要保证最终的读数精确到小数点后一位,变换到原始信号级精度为:0.1V20=5mV,在10V量程下,由10V2N<5mV可以计算出N取12比较合适。也就是说,如果我们选择12位AD,那么AD的1LSB=10V212=2.24mV,基本满足需要。(2)速度要求:采样对象为三相电流和零序电流,频率为工频50Hz,根据保护算法,一个周期中采样12个点,这样每秒需采样50×12=600次。(3)根据信号特征,选择输入AD转换器的输入信号范围,是单极性还是双极性,以及信号的驱动能力等。还要考虑参考电压是内部的还是外部的,是固定的还是可调的。综合上述原因,AD转换芯片选用了AnalogDe-vice公司的产品,型号为AD1674JN。5.3.2Neuron芯片与AD芯片接口的硬件设计数据采集常用的接口部件主要包括多路模拟开关、AD转换器、接口控制逻辑电路等。现场监测节点采集8路模拟信号,通道的选择由3150芯片的数据线DB0、DB1、DB2控制,通道号从0x00~0x07。用Neuron芯片的地址线A2、A11、A12、A13、A14、A15以及读写线RW粩来控制AD转换及锁存器的跟随保持。AD转换电路如图3所示,通过地址译码后,AD1674转换数据的高8位地址为E006H,低4位数据地址为E007H,先读数据的高8位,再读数据的低4位。输入的模拟量为0~10V时转换前后的12位数码为二进制原码,此12位数码表示一个正数码,其数码与模拟电压值的对应关系为模拟电压值=数码(12位)×10(V)4096(V)即:1LSB=2.44mV5.4现场采集节点的软件设计神经元芯片的编程用NeuroC语言,它以ANSIC为基础,专为神经元芯片而设计,同时加入通信、时间调度、分布数据对象和IO功能。下面的程序代码可实现通过神经元芯片的数据线读取AD1674转换后的数据;typedefstruct狖unsignedshortintinitialAD:8;unsignedshortint:8;unsignedint:8;unsignedint:8;unsignedintstartAD:8;unsignedint:8;unsignedshortintdataH:8;unsignedshortintdataL:8;狚Analog_To_Digital;constAnalog_To_DigitapAD1674=(Analog_To_Digita)0xE000;AD转换基地址(下转第11页)-64-AD转换子程序unsignedlonganalog_to_digital(unsignedshortChannel)狖unsignedinttemp;unsignedlongdigital_out;pAD1674->initialAD=Channel;选择多路选通芯片通道Channel为:0x00H~0x07HpAD1674->startAD=Channel;启动AD转换,digital_out=pAD1674->dataH;AD转换数据的高8位temp=pAD1674->dataL;AD转换数据的低4位digital_out=((digital_out<<4)&0x0ff0);digital_out=digital_out|((temp>>4)&0x0f);12位AD转换结果return(digital_out);狚6结论本文设计的基于Neuron芯片的现场采集节点(上接第64页)抗干扰能力强,现场布线简单,易于扩展。不但可以用在水电站水轮机组监测系统中,而且可以应用在其它工业环境中。基于Neuron芯片的现场采集节点设计@黄天戍$武汉大学电子信息学院!武汉430072 @黄维$武汉大学电子信息学院!武汉430072 @孙轶$武汉大学电子信息学院!武汉430072 @任清珍$武汉大学电子信息学院!武汉430072现场总线;;Neuron芯片;;水轮机组介绍了一种在水轮机组振动摆度监测系统中,现场数据采集节点的设计方法。它采用了Lonworks现场总线技术,基于Neuron芯片的特点,使现场节点的数据采集工作高效并行同步进行,且易于扩展。[1]杨育红.LON网络控制网络技术及应用[M].西安电子科技大学出版社,1999. [2]阳宪惠.现场总线技术及其应用[M].清华大学出版社,1999. [3]王仲生.智能检测与控制技术[M].西北工业大学出版社,2000. [4]吴坚,陈辉堂.基于LONW ORKS现场总线技术的多路数据采集系统设计[J].微计算机信息,2002,18(4).

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