智能测量前端(IDCB)控制仪

摘要：本文分析了893分布式智能测控网络(893-IDCN)的应用现状，指出其缺点。针对这些问题，以新型W77E58单片机为核心，设计完成了智能测量前端(IDCB)控制仪。经试验运行表明，本系统可以完成893的通讯控制功能，且性能良好。最后给出该控制仪的改进方案并分析其应用前景。

关键字：智能测量前端；控制仪；数据处理；网络时钟

一．前言

安全性和经济性一直是电站锅炉所追求的目标，机组在安全运行的基础上，总是力求最大的经济性。对锅炉而言，就是保持锅炉始终在效率最高的区域安全运行；同时为了掌握锅炉的运行特性，了解锅炉的煤耗等，就有必要在线监测锅炉的各项损失和锅炉效率等参数，并据此进行锅炉燃烧调整，保持锅炉在最佳参数下运行，提高锅炉运行的经济性。所以需要一种可靠性高，通用性和功能性较强，且系统运行相对稳定的分布式测控系统。所以893分布式智能测控网络(893-IDCN)在目前电力、化工、石油等工业现场和其他恶劣条件下被广泛应用。

二．893分布式智能测控网络（893-IDCN）

893-IDCN分布式智能数据采集网络采用总线型拓扑结构，测量任务由具有不同测量功能的智能测量前端(IDCB)完成，通过插在主机机箱内的通讯适配卡和主机进行通讯。整个系统具有很强的抗干扰能力，能在恶劣条件下，对测点多而分散的模拟量、数字量信号进行连续高精度测量和控制。所以，893-IDCN分布式智能数据采集网络在电力系统被广泛应用（沈阳热电厂，潍坊电厂，上海石洞口电厂等）。但是在实际使用的时候发现该网络有很大的缺点：

 
　　（1）采用总线网络拓扑结构，与上位机的通讯均有赖于工控机的通讯转换，每组建一个893-IDCN分布式智能数据采集网络一般要使用数台乃至更多数量的工控机或便携机，网络结构系统如图1。而相应的主机在以RS-422A半双工异步通讯规范进行工作时仅能够完成本主机与网络中的各个智能测量前端(IDCB)，以及与网络中的其他主机信息交换的任务。极大的浪费了设备资源，增加了系统投入。

（2）智能测量前端(IDCB)一般都安置在现场，工控机往往只能安置在主控室里。当技术人员要对IDCB进行参数设计和调试时，必须要在控制室和现场之间不断查看，否则不能及时了解现场情况的变化，对于操作人员是很不方便的。

三．智能测量前端(IDCB)控制仪的设计：

由于以上缺点极大的制约了893-IDCN分布式智能数据采集网络的应用。为完成智能测量前端(IDCB)的现场设置，以及能实时进行数据交换，完成各个IDCB与上位机的联系，设计了智能测量前端(IDCB)控制器。
 
硬件设计：

本系统主要由以下几部分构成：数据处理模块，与上位机通讯模块，与智能测量前端(IDCB)通讯模块，数码显示模块，键盘操作模块。根据具体的功能要求设计的控制仪的系统框图如下：

1．数据处理模块

单片机选用中国台湾华邦电子公司（WinBond）推出的高速、高集成、增强型MCS-51系列高性能的单片机W77E58。该芯片改进了传统处理器的时序，机器周期与时钟之比可以由软件来控制。最快时一个机器周期仅需4个时钟，最慢时一个机器周期需1024个时钟。在同样的时钟频率下，当时钟与机器周期之比等于4时，W77E58的指令速度比传统的51单片机提高了1.5～3倍（平均2.5倍）。其工作时钟最高为40MHz，最低可以为0，因此W77E58可以在空闲方式和掉电方式下正常工作。W77E58片内的可多次编程的程序存储器为32kB，还具有1kB的片内数据存储器。在大程序量和稍大数据量的应用时，不需要扩展外部程序外储器和数据存储器，因而多余的I/O口被用作键盘操作模块。增强型51系列单片机W77E58可与标准的8052兼容，内含4个8位I/O口、3个16位计数器和两个全双工串行通信接口。非常适合要求高速、双串口、外围简洁、低成本系统应用的高性能单片机系统。本系统主要利用了它的双串口结构来建立上位机与智能测量前端(IDCB)的联接。

2．与上位机的通讯模块

上位机有两个9针串行通讯口COM1和COM2，采用RS-232C串行通讯标准，功能引脚如表。由于RS-232C接口采用的是负逻辑，其逻辑电平与TTL电平不能兼容，因此选用MAX232CWE来进行电平转换，实现与TTL电路的双向连接。该芯片是MAXIM公司生产的低功耗、单电源双RS-232C发送/接收器，适用于各种EIA-232E和V.28/V.24的通信接口。MAX232CWE内部有一个电源电压变换器,可以把输入的+5Ｖ电源变换成RS-232C输出电平所需±10V电压，所以采用此芯片的串行通信系统只需单一+5V电源。外围用4个1uF钽电容作为内部电源转换电容，一个0.1uF的作为去耦电容。MAX232CWE的引脚T1IN、T2IN、R1OUT、R2OUT为接TTL/CMOS电平的引脚，引脚T1OUT、T2OUT、R1IN、R2IN为接RS-232C电平的引脚，因此W77E58的串口1发送引脚TxD接入T1IN；R1OUT接W77E58的串口1接收引脚RxD，与之对应的T1OUT通过DB9接头引入上位机的串行接口RxD，R1IN接的发送端TxD。

3．与智能测量前端(IDCB)的通讯模块

GAL器件是在PAL器件基础上发展起来的逻辑芯片，是美国Lattice公司推出的一种可电改写、可重复编程、可加密的新型可编程逻辑器件。它可以代替74系列的TTL器件和CD4000系列的CMOS芯片，在功能上相当于4－12个中小规模的集成电路。目前,市场上供应最多、用户应用最广的是GAL16V8和GAL20V8。它们内部都有8个输出逻辑宏单元(OLMC)，即I/O端口；对GAL16V8是12～19脚，GAL20V8是15～22脚。OLMC的各种组态形式的实现是由其结构控制字来控制的。同步位SYN=1或0用以控制OLMC具有组合型或寄存器型输出功能。AC(0)是8个单元公用的，AC1(n)则是每个单元单独具有的。SYN、AC(0)和AC1(n)三位数用以控制OLMC的5种工作模式〔2、3〕。本设计中选用GAL16V8来完成输入输出选通控制。一片为1：4分路转换，另一片为4：1的读入切换，通道选择信号均由（P1.7、P1.6）控制。

75176为双向传输，且满足ANSI的EIA/TIA－422A标准和ITU通讯标准的的芯片。RS－422A标准是一种平衡方式传输，平衡传输就是指双端发送和双端接收，所以具有良好的远距离传输抗干扰的特性。串口2(P1.2,P1.3)分别通过两片GAL后与75176相连就可以构成一对多的通讯模块。采用RJ45联结头将更方便现场操作。

4．数码显示模块，键盘操作模块

显示控制芯片选用74HC595，该芯片具有8位串行输入并行输出功能，且驱动能力强功耗低。将P1.0、P1.1、P1.4、P1.5分别与74HC595的SER、SRCLK、RCLK、SRCLR连接组成4位七段数码管显示模块，选位信号由P0.4、P0.5、P0.6、P0.7提供。采用动态显示模式。

键盘操作模块由剩余口线组成，根据需要可以获得5×5的键盘网格。
 
软件设计：

程序设计采用分层设计的思想，分为应用程序和系统程序。应用程序实质是一组子程序集，它们的主要作用是对智能测量前端(IDCB)进行设置和控制，但它们的实现仅是通过键盘操作后在系统内存中组织一组数据发给相应的IDCB，完成对多个前端的分时控制。系统驱动程序的作用就是数据交换，即接收数据和发送数据，它们直接对硬件操作，采用查询的方式实现上位机与控制器的数据交换。由于控制器的内存有限，不能进行大数据量的交互传输，所以在实际运行中，完成本次数据传送任务后从智能测量前端(IDCB)所读入数据将覆盖原数据区。由于有这样的要求所以整个系统的同步将十分重要。

在智能数据采集网络中，控制器及每一个智能测量前端(IDCB)都有自己的实时时钟，网络时钟的精确同步是整个测控系统稳定准确运行的前提，在本系统中，时钟同步原理如下：以控制器时钟为准，每2ms发生一次定时中断，由定时中断子程序执行同步任务。在定时中断子程序中，每2ms将（0FH）减1，每100ms将（0EH）减1，每1s将（0DH）减1。子程序的任务就是寻找相应的智能测量前端(IDCB)，确认其时钟周期是否满足运行要求，如不同步则让其进入等待状态，直至完成对所有智能测量前端(IDCB)的同步设置。

与上位机的通讯数据块数据依次为：数据头、数据地址、数据个数位、采样数据组、校验位即数据组的累加和。上位机每收到一组数据，均要进行累加和校验，然后将校验结果和单片机发来的校验位相比较，若两者不等则校验失败，上位机给控制器发重发命令，若两者相等则校验正常，给控制器发确认信号，并准备接收下一组采样数据。

与智能测量前端(IDCB)的通讯较复杂。因为数据存储空间有限，所以对智能测量前端(IDCB)的操作需分段进行，包括开始段、前端地址发送段、操作码发送段、参数块发送段、结束段。传输从开始段进行，因为每个数据段均有头尾标志，只有当控制器收到本段相应的确认信号后，才继续下一段数据传输操作，当完成结束段操作后，与IDCB的通讯结束。

四．结束语：

经试验测试，该系统功能基本满足智能测量前端(IDCB)的工作参数设置以及通讯要求，并有良好的性能表现。由于采用RS-232C通讯接口标准，其最大传输距离一般在15米以内，且发送端与接收端之间有公共信号地，不能使用双端信号，因此，共模噪声会耦合到信号系统中，所以应根据现场要求将RS-232C转换为RS-485串口通讯接口标准方便更可靠的远距离传输。在显示和处理部分有待扩展，以获得更好的人机接口，更优的运行效果。