基于MSP430及PROFIBUS的监测子站设计

2万 · 2013-10-31 18:24

在电力、钢铁、石油、化工等行业中，有着大量的减速机、风机、泵站等机械设备，些设备如果在带病状态下工作，会大大缩减其使用寿命，影响生产，给企业带来经济损失。传统上依靠工作员耳听、手摸的方法发现存在的隐患，受现场环境和诊断者经验的制约，常常会出现漏诊、误诊的现象。同一台设备的两次检查时间间隔较，也不利于异常情况的及时发现。因此，工厂的在线监测就显得十分重要。
　　减速机常见的驱动设备之一，其工作是否异常的重要参数是：振动情况、轴承温度、输出轴转速、电机电流、电压等。通过振动信号，可以知道齿轮啮合、动平衡是否正常；通过轴承温度，可以知道轴承的间隙、润滑是否良好；通过输出轴的转速和电机电流，可以知道是否过载。子站的主要功能是监测、处理，数据上传，超限报警。

2万 · 2013-10-31 18:25

1. 总体结构

　　分布式监控系统一般是在监控中心布置主站，在各个监控点布置子站，通过总线结构将主站和子站连接起来（图1）。子站将各个传感器的信息采集处理后，将一部分重要数据显示在子站的显示设备上，同时将所有数据通过总线上传给主站，主站将各个子站上传的信息分析处理后显示给运行监控人员，实现了对大范围运行设备的在线监测。

　　图1 网络结构
　　系统采用德州仪器的MSP430F149作为控制器，通过SIMENS公司的SPC3芯片实现与PROFIBUS-DP总线连接。选用标准4～20mA电流信号输出的振动传感器，电机的电流、电压通过转换实现0～3V输出。在轴承位置安装DS18B20温度传感器，实现对轴温的监控（减速机工作的正常温度为50～60℃，一般滚动轴承工作不能超过95℃）。输出轴上安装脉冲输出的转速传感器。MSP430F149 将以上运行信号采集处理后，通过LCD显示，同时上传到总线，向主站报告该子站的运行状况。

2万 · 2013-10-31 18:25

　2.  相关介绍
　　2．1  MSP430F149微控制器
　　MSP430F149是TI公司生产的一种超低功耗、混合信号16位控制器，工作电压1.8~3.6V。该单片机具有丰富的外围功能，内部集成多通道12位A/D转换器、硬件乘法器、60KB的Flash和2KB的RAM，运行环境温度范围为-40℃～+85℃,可以适应各种恶劣的环境，非常适合作为现场监测的终端控制器。
　　2．2  PROFIBUS-DP现场总线
　　PROFIBUS是一种不依赖生产厂家的、开放式的现场总线，是目前际上通用的现场总线标准之一，以其独特的技术特点、严格的认证规范、开放的标准、众多厂商的支持和不断发展的应用行规，已被纳入现场总线的国际标准IEC61158和欧洲标准EN50170,并于2001年被定为我国的国标JB/T10308.3-2001。PROFIBUS-DP（Decentralized Periphery，分布式外围设备）主要用于自动化系统中单元级控制系统与分散式通信，使用第1层、第2层和用户接口层，其余3～7层未使用，这种精简的结构确保了高速数据传输。

2万 · 2013-10-31 18:25

　2．3 SPC3协议专用芯片
　　PROFIBUS-DP物理层是RS-485，但通信协议比较复杂。SPC3是SIEMENS公司的专用协议芯片，使用该芯片后可以将复杂的协议撇开。SPC3集成了DP协议中的FDL层，因为SPC3集成了完整的DP总线协议，所以在与主站通信时，单片机使用SPC3芯片就像操作内部RAM，使从站控制器的编程工作量大为减轻。SPC3保障报文的有效性，可满足整个报文的一致性数据交换。总线接口是个可参数化的同步/异步8位接口，内部集成了1.5K的双口RAM，整个RAM采用8字节的段结构方式，所有需要分配地址的BUF指针，必须指向段的开头。DP通信的服务存取点由SPC3自动建立，各种报文信息呈现在用户面前的是不同BUF的内部数据。
　　3. 系统硬件设计
　　系统的硬件主要由键盘、显示模块、通信模块、系统测量模块组成（图2）。采用3×3行列扫描键盘可以大大节省I/O口的占用。128×64点阵图形LCD可以显示大量信息。为了保存一些设定的参数和运行数据，选用Microchip公司生产的串行存储器芯片24LC02B，它采用I2C总线接口，以256个字节为单位组成一块，页写缓冲区高达8个字节，1百万次擦写。通信模块由SPC3芯片及外围电路组成，由于SPC3采用的是5V供电，而MSP430F149采用3.3V供电，在硬件设计中要考虑3.3V逻辑系统和5V逻辑系统共存，器件对加到输入脚或输出脚的电压通常是有限的，这些引脚由二极管或分离元件接到Vcc，为了避免元器件的损坏和数据的丢失，采用专用的电平转换器SN74LVCC4245A芯片，它是一个8bit宽度的双向I/O电平转换器，BUS B为3.3V数据，BUS A为5V数据连接SPC3芯片，其中DIR决定数据方向。SPC3中断信号X/INT通过电平转换后送入P1.6，为单片机提拱通信中断信号。为了提高通信的抗干扰性，SPC3的内部电路必须与物理接口在电器上隔离，采用高速光耦HCPL7101和SN75ASL176D收发器保障了PROFIBUS总线通信的高可靠性。

2万 · 2013-10-31 18:26

轴温测量采用美国DALLAS公司生产的单总线数字式温度测量芯片的DS18B20，工作电压3.0V~5.5V，测温范围为-55℃~+125℃，具有总线结构，通过P2.0就可以实现对8个温度传感器信号的采集。

　　图2 系统接口电路图

2万 · 2013-10-31 18:26

4. 系统软件设计
　　系统上电后，首先要对SPC3和LCD进行初始化，配置寄存器。主程序
中根据中断请求分别调用信号采集、键盘显示和通信程序。
　　4．1 状态信号采集
　　信号采集程序的调用是由定时器中断产生的，由于监测系统不参与实时控制，同时为了避免总线上大量数据的传输，每2秒产生一次中断，执行信号采集。状态信号经过外部电路转换后，进入MSP430单片机时都为模拟电压信号，在程序上主要是A/D转换和滤波。对于温度传感器，由于是采用总线连接，对应不同的地址，调用8次读温度子程序，刷新温度缓存器中的数值，等待显示程序和通信程序的调用。转速测量采用定时器及中断计数的方法。
　　4．2 键盘显示
　　键盘采用行列扫描方式，当有按键动作时，产生中断信号，执行参数设定、显示、翻页等程序。LCD显示模块内部含有字库，因此不需要进行字模的编写。初始化完成后，定时向显示缓存区送出要刷新的数据。

2万 · 2013-10-31 18:27

　4．3 通信接口
　　通信接口软件在系统中较为重要，包括三部分：SPC3初始化、输入处理和输出处理。SPC3上电后首先要进行一次初始化，设定SPC3寄存器变量名称、硬件模式、地址及标识号、各个BUF地址及长度、取得BUF指针。当SPC3产生信号给P1.6时，CPU产生中断，执行输入处理程序，获得总线上的指令和数据。子站在执行状态信号采集后，执行一次数据输出处理，向总线发送该子站的状态参数。
　　4．4 GSD文件
　　编写标准的GSD文件后，该子站就可以作为标准PROFIBUS设备使用，为各种不同的厂家所识别（系统主站为SIEMENS PLC-300）。GSD文件包括厂商和设备名称、软硬件版本号、波特率、监控时间间隔和从站设备通道数量、类型等等。

2万 · 2013-10-31 18:27

　4．3 通信接口
　　通信接口软件在系统中较为重要，包括三部分：SPC3初始化、输入处理和输出处理。SPC3上电后首先要进行一次初始化，设定SPC3寄存器变量名称、硬件模式、地址及标识号、各个BUF地址及长度、取得BUF指针。当SPC3产生信号给P1.6时，CPU产生中断，执行输入处理程序，获得总线上的指令和数据。子站在执行状态信号采集后，执行一次数据输出处理，向总线发送该子站的状态参数。
　　4．4 GSD文件
　　编写标准的GSD文件后，该子站就可以作为标准PROFIBUS设备使用，为各种不同的厂家所识别（系统主站为SIEMENS PLC-300）。GSD文件包括厂商和设备名称、软硬件版本号、波特率、监控时间间隔和从站设备通道数量、类型等等。

2万 · 2013-10-31 18:27

　　5. 结束语
　　基于MSP430F149及PROFIBUS-DP总线的减速机在线监测系统，具有测量参数多、精度高，显示灵活，传输距离远，抗干扰能力强等优点。在同等监测标准下，成本远低于其它监测系统。本文以减速机为实例，阐述了具有总线结构的分布式状态监测子站的构建，在电力、石油、化工等领域中具有推广价值。
　　本文作者创新观点：提出了一种新的工厂在线监测手段，将MSP430和PROFIBUS-DP总线技术结合在了一起，具有标准的总线接口，通用性很强，适用于远距离高速传输。系统使用时方便、简单，可以直接在LCD上显示数据和信息，在远程监测中有着广阔的应用空间。

基于MSP430及PROFIBUS的监测子站设计

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