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基于 MSP430F147 的网络化通风机监测仪的设计与实现

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基于MSP430F147的网络化通风机监测仪的设计与实现

李海港 张 倩/中国矿业大学信电学院

摘要 针对煤矿安全生产中的具体要求,以 MSP430 高性能单片机为核心,采用网络化通信技术对通风机的电气性能和机械性能进行监测。
关键词 通风机;网络化;监测仪; MSP430
中图分类号: TH43;TP216 文献标识码:B
文章编号: 1006-8155(2007)04-0052-04
Design and Achievement of Networked Instrumentation for Fans Based on MSP430F147
Abstract: According to the practical equirements of safe production in coal-mine, this paper centers on MSP430 high performance single-chip microcomputer and adopts the technique of networked communication to monitor the electric and mechanical performances of fans. This design project is especially suitable for middle-small coal-mine.
Key words : fan ; networked ; instrumentation ; MSP430

0  引言

  通风机作为煤矿的重要机电设备,其安全运行对于保障煤矿的安全生产起着至关重要的作用。目前,各个煤矿都运用计算机技术,管理煤矿各个生产环节。通风机监测系统是煤矿信息化系统的一个重要组成部分。通风机监测系统现在已经比较成熟的技术方案是基于工控机上运行组态软件,对通风机的各项性能进行监测[1] 。这种技术方案的不足之处是:系统运行必须有工控机,这样造成系统成本会很高。对中小型矿井来说,这个缺点尤其明显。而中小型矿井又是引起安全事故频发的重要原因。鉴于此,提出了一种新的技术方案:用高性能单片机组建网络化监测系统,本文主要阐述了基于 MSP430F147 的网络化通风机监测仪的设计与实现。

  本设计方案尤其适用于中小型煤矿。

1  网络化通风机监测仪的硬件构成

1.1 系统方案框图

  网络化通风机监测仪 采用三级分布式监测技术,也就是说,最低层是由各个专用的模块,实现具体功能,例如电量模块、温度模块、振动测量模块及报警模块等,然后在二级由高性能单片机实现对最低层各模块的管理, MSPF147与各模块之间采用RS485通讯,进行数据交换,见图1。

  在二级的高性能单片机实现对低层各模块数据进行集成,第三级是基于ARM7DMI内核的S3C44B0X的嵌入式处理器平台,在该平台上利用大容量NANDflash存储器,存储风机运行性能参数的历史数据,对数据进行必要的数据处理及统计工作。对风机的运行状态进行预测,并且嵌入 TCP/IP协议栈,使之连接Internet,利用Internet技术把各矿的风机的工作特性参数汇总到地方煤炭管理局,为管理部门对矿方的安全生产提供了强有力的判断依据。

1.2  负压和流量的监测

  煤矿主通风机的流量监测是一项比较困难的工作,主要有两个原因:其一,煤矿主通风机通常直径较大,对于大型煤矿主通风机直径d≥2m ;对小型煤矿主通风机直径d ≥1m,风道的截面积通常也较大,通常S≥ 5m2,这时购买流量计成品来监测流量很显然是不现实的。一是买不到如此大口径的流量计,二是即使买到,价格也是非常昂贵,令人无法接受;其二,流量监测要求有足够长而直、风流平稳的风道,在这样的风道中安装流量监测装置,能够比较准确地测得流量。然而在煤矿主通风机进口前或出口后恰恰缺少足够长而直、风流平稳的风道,这给煤矿主通风机的流量监测带来了很大的困难。本系统采用工程法,该方法具有简单实用、价廉物美的特点,即以某种方法采集流量信号,测得的

 流量是Qm ,而这时实际流量是Q ,则有修正系数为 k=Qm/Q实 ,所以通过模拟试验或现场校准的方法求得k的变化规律,是煤矿主通风机流量监测首要解决的问题。系统经引压装置,把压力信号通过1151型差压变送器,输出4~20mA 的电流信号,把该电流信号送入 MSP430F147单片机系统进行处理。

1.3  振动的监测

  振动监测对风机的机壳或轴承的垂直和水平方向的振动烈度进行有效监测(振动速度有效值),采用磁电感应式传感器,把风机的振动机械能转换为电量大小,即可测量速度,若经过微分或积分网络,便可以测量加速度或位移。在传感器中,当结构参数确定后,感应电动势与线圈相对磁场的运动速度成正比,传感器的输出是毫伏级信号,先要经过信号调理电路把该信号变换为0~2.5V的直流信号,送入 MSP430F147 系统中。

2  MSP430F147单片机系统

  TI公司的MSP430系列单片机是一种超低功耗的混合信号控制器[2] ,其中包括一系列器件,它们针对不同的应用而由各种不同的模块组成。 以TI公司的 MSP430F147为核心,配合A/D转换模块、液晶显示模块、键盘设定模块及两路RS485通信模块等组成仪器数据采集、负压流量计算、振动参数运算、与低层各个智能模块的通信,完成仪器工作的核心部分。

2.1 A/D转换模块

  主要完成风机负压、流量各两路模拟信号的采集,还有 10路振动信号。

2.2  液晶显示模块

  主要完成风机运行参数的就地实时显示,如风压、风量、风机电机的电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、温度、风机运行机号等,还有配合键盘对仪器工作参数的设定。

2.3  键盘设定模块

  完成仪器正常工作之前,系统参数的设定,主要有风压量程设定、风量量程设定、电压互感器变比、电流互感器变比、一号风机风量修正系数设定、二号风机风量修正系数设定、485通讯地址设定、风机运行号设定等8个参数的设定。

2.4  通信模块

  共有两个485通信口,其中串口0是430与上层控制器进行通讯,串口1负责与低层的智能电量模块,温度巡检仪通信,汇总低层的监测参数。

2.5  数据采集电路(图2)

  本电路主要是对1151型差压变送器、振动变送器的4~20mA电流信号进行采样,MSP430F147片内集成了12位ADC。ADC 参考电压源选择,外接电压基准2.5V,ADC的模拟通道输入电压要求必须在0~2.5V之间,所以,在采集之前先要进行I/V变换,通过精密采样电阻进行变换,电阻阻值为110欧姆。把4~20mA电流变换成0.44~2.2V,此电压范围符合ADC12模块正常工作的基本条件。每台仪器中,对应4路1151差压变送器、10路振动变送器,总共需要模拟通道是14路;而MSP430F147的ADC12模块,只有8路模拟通道,所以,要进行扩展。扩展选用的是CD4051常用的8路模拟多路开关。CD4051 的导通电阻大约是200欧姆,在4051和ADC12模块之前加了一级电压跟随器,提高了ADC12的输入阻抗,这样有助于提高ADC12的采样精度,在电压跟随器后是一个小电阻(51欧姆)和一个3V的稳压管的串联组合。当前面的运放LM358工作不正常时,电压升高将导致MSP430F147芯片遭受冲击,加上稳压管将电压钳位在3V,对后面的MSP430F147起到保护的作用。MSP430F147含有片内基准电压源,但本设计中没有选择使用片内电压基准,因为,外界环境变化很大,对片内基准影响比较大,刚开始的时候是采用片内基准,但效果不是很理想,换成外接电压基准后,采样精度明显提高,抗干扰能力增强。 W1是1K电位器是对电压基准进行微调,用6位半电压表调整到2.5000V 。

2.6 通信电路

  MSP430F147有两个USART ,USART1用来和低层两个电量模块、一个温度巡检仪的通信,USART0 用于上层 ARM7 芯片进行通信。注意:异步串行口采用的是中断方式通信,USART0的中断优先级高于 USART1。所以,UASRT0用来响应高层32位处理器的请求,低层通信的优先级低,两者不能搞反了。本设计中,设置了USART1的波特率是2400bps , USART1 的波特率是 4800bps 。以优化普通光耦电路参数的设计,使之能工作在最佳状态。但这样,由于增加了硬件成本,本设计采用普通光耦 TLP521-4 ,通过试验测定波特率在 4800bps , 485 通信电路见图 3 。

3  仪器系统的软件实现

  在硬件系统设计完成后,主要工作转移到软件编程上。软件的实现式和设计结构很大程度上决定了整个系统的最终功能特性。任何一个硬件结构都有它所对应的最佳软件实现方式,编程要遵循这个方法。本软件在IAR Embedded Workbench IDE V2.10集成开发环境下调试完全通过 (图4) 。

3.1 Flash 在应用中编程模块

  系统正常工作时,需要设定一些默认值,并且这些默认值要有掉电不丢失功能,幸运的是,在 MSP430F147芯片中,有两段信息存储器,每段128字节,主存储器的程序可以在线操作信息段存储器,对信息段的擦除与写入是通过3个控制寄存器FCTL1、FCTL2、FCTL3的操作完成的。系统工作参数有:风压量程、风量量程、电压变比、电流变比、一号风量修正系数、二号风量修正系数、风机运行号、485通信地址等8个参数。把这8个参数存储在信息段B中。起始地址为0X1000,结束地址为0X107F。对Flash操作是通过flash_clear( )、flash_read()、flash_write( )3个接口函数完成的。

3.2   LCD 多级菜单实现模块

  本设计所使用的LCD是160×80点阵的液晶屏幕,可显示16×16点阵的汉字5行10列。菜单为多级嵌套形式,主要完成对某个测点各方面的设置或查询,可以通过“ 向下 ”、“ 确认 ”、“ 返回 ”3个键来实现对菜单的选择。具体功能:
   “ 向下 ”键:在本层菜单的项目中向下移动进行选择;
  “ 确认 ”键:确认本层的菜单设置,进入下级菜单;
  “ 返回 ”键:取消本层的菜单设置,返回上层菜单。

  根据需求,首先建立一个数据结构,并定义一个结构变量 KeyStruct ,结构变量就是把多个不同类型的变量结合在一起形成一个组合变量,该结构中共有 5个结构元素,分别是4个字符型,一个函数指针变量。4个字符型分别为当前及各个案件的索引号,也就是操作的状态号,最后一个指针变量指向需要执行的函数操作。这样就可以做一个结构数组,在结构数组里为每一个菜单项编制一个单独的函数,并根据菜单项编制一个单独的函数,并根据菜单的嵌套顺序排好本菜单项的索引号,以及本级菜单的上、下卷动的索引号和上、下级菜单的索引号[3]
typedef struct
{
BYTE KeyCuIndex ; // 当前状态索引号
BYTE KeyDnIndex ; // 按下“ 向下 ”键时转的状态索引号
BYTE KeyCrIndex ; // 按下“ 确认 ”键时转的状态索引号
BYTE KeyBackIndex ; // 按下“ 返回 ”键时转的状态索引号
void ( *CurrentOperate )(); // 当前状态应该执行的功能操作
}KeyStruct ;
用户输入数字时是一位一位输入的,每一位的输入都对应着屏幕上的一个显示位置( x 坐标, y 坐标)。此外,程序还需要记录该位置输入的值,所以有效组织用户数字输入的最佳方式是定义一个结构体,将坐标和数值捆绑在一起。
/* 用户数字输入结构体 */
typedef struct tagInputNum
{
  BYTE byNum; /* 接收用户输入赋值 */
  BYTE xPos; /* 数字输入在屏幕上的显示位置x坐标 */
  BYTE yPos; /* 数字输入在屏幕上的显示位置y坐标 */
}InputNum, *LPInputNum;

  那么接收用户输入就可以定义一个结构体数组,用数组中的各位组成一个完整的数字: InputNum inputElement[NUM_LENGTH]; /* 接收用户数字输入的数组 */
  将数字每一位输入的坐标和输入值捆绑后,在数字键处理函数中就可以较有结构的组织程序,使程序显得很紧凑。

4  结论

  本文为中小型矿井风机监测系统提供了一种切实可行的 ,低成本的设计方案。该系统方案有助于提供煤矿安全生产的自动化管理水平,预防事故发生。 所设计的风机监测仪经过调试运行,在山西、河南等矿务局已经应用于实际生产活动中,取得了比较好的经济效益。

参考文献

[1]沈建明,万玲娟,胡亚非.煤矿主通风机监测数据远传模块的设计[J].流体机械,2003,31(12):37-38,36.
[2]魏小龙. MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例[M].北京:北京航空航天大学出版社,2002.
[3] 胡大可.MSP430 系列单片机C语言程序设计与开发[M].北京:北京航空航天大学出版社,2003.

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  评论人:肉牛   打分:0 分  发表时间:2015-6-8 17:48:27
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  评论人:肉牛   打分:0 分  发表时间:2015-6-5 18:37:51
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  评论人:西门塔尔牛   打分:0 分  发表时间:2015-6-4 10:17:13
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  评论人:西门塔尔牛   打分:0 分  发表时间:2015-5-6 3:50:58
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  评论人:西门塔尔牛   打分:0 分  发表时间:2015-5-1 14:39:01
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