基于WorldFIP现场总线的振动测量仪表开发

　　随着生产过程自动化程度的不断提高,设备的状态监测和故障诊断已越来越受到人们的重视,而振动测量是实现监测和诊断的重要基础。实践表明,利用振动信号进行设备状态监测是一种易于实现而又可靠的方法。振动测量要求高采样速率,有时还要求同步采样,因此一般的现场控制系统很难满足要求,而且它的协议也不开放,因此传统的振动测量一般使用一套独立的系统,造成硬设备的重复投入,操作和维护也不方便。现场总线振动测量仪表是将振动测量与现场总线通信结合起来,通过仪表本身实现振动测量,通过现场总线发送测量结果,同时还可以接受组态设置命令,由于现场总线是一个开放的协议,因此测量结果可以直接进入现场控制系统,利用已有的平台上进行进一步的分析、处理。

1　WorldFIP现场总线概述

WorldFIP选择OSI模型中的物理层,数据链路层和应用层。物理层能支持的通信速度为31.25kb/s、1Mb/s及2.5Mb/s。传输介质为屏蔽双绞线或光纤。数据传送使用ManchesterⅡ编码机制,好处是内含时钟信息。数据链路层采用缓冲区数据传送机制支持变量交换和报文传送,具有周期和非周期两种传送方式。WorldFIP在介质访问控制机制为令牌方式,总线通信机制由总线仲裁器管理。它主要行使三种功能:扫描周期变量、扫描非周期变量和报文传送。WorldFIP现场总线网络中,同一时刻各个站根据行使功能的不同可分为两类,即总线仲裁器和生产者/使用者。任何WorldFIP站都具有行使这两种功能的能力,但是在任何一个给定瞬间,只有一个站可以执行总线仲裁功能。应用层提供的服务包括:本地读写、远程读写、指示服务以及数据有效性验证等。

2　仪表的总体设计

本仪表电路原理图如图1所示,主要由采集模块和通信模快两大部分组成。采集模块由交、直流数据采集电路和键相信号整形电路组成。原始振动信号首先经过交直流分离分成两路,交流信号经过由MAX291组成的滤波电路和信号调理电路后,进入二次滤波电路,二次滤波电路采用MAX291内部的运算放大器,这样可以消除前一级开关电容滤波器所产生的尖峰脉冲,并且可以对信号的振幅进行调整以方便A/D转换。MAX291的截止频率可由单片机控制。A/D转换器选用MAX186,该芯片具有8路模拟输入及SPI串行输出,由于68HC12自带SPI口,因此可方便的与MAX186相连。工作过程中, A/D转换器依次对8个通道进行轮回转换, MAX186的采样速度高达133kb/s,采样结果的相位误差很小,对数据分析影响不大。由于直流分量(间隙电压)仅反映间隙,设备运行中一般变化不大,而68HC12内嵌的8路A/D转换器分辨率达10位,因此可直接用于直流分量的采集。

在键相信号整形电路中,脉冲信号电平变化范围一般在-8~-22V之间,而且由于现场的干扰,此信号不能直接使用,必须经过一系列预处理。预处理电路主要由隔离电路、限幅电路、反相放大电路、滤波电路、光电耦合电路和单稳态电路组成。最后变换成0~5V标准脉冲信号,其原理图如图2所示。键相脉冲到达后,经隔离电路滤去直流成分,交流部分由二极管组成的限幅电路进行幅值限定,反相放大器和滤波电路进一步调整脉冲的幅度,并滤去其中的干扰脉冲。光电耦合电路实现单片机和前向通路之间的隔离,以免单片机受强电压和共模干扰的影响。A3为由555构成的单稳态电路,产生5V电压脉冲供单片机使用。

此外,由于振动测量数据采集量大,单片机内部所提供的RAM不能满足要求,因此必须扩展外部存储器以暂存采集的数据。由于68HC12工作在单片模式下,对外不提供地址和数据总线,因此,必须通过模拟总线时序实现扩展存储器访问。现场总线通信控制器选用的是MICROFIP,由于与68HC12的读写时序不匹配,因此访问MICROFIP模块也只能采用模拟总线时序。这相应的增加了软件的代码量。其接口电路图如图3所示。

MICROFIP的读写时序通过组态设置为Motroro-la风格的地址数据复用总线工作时序,其地址数据复用线AD0~AD7与68HC12的端口A相连, PB0与MICROFIP的A8相连,两芯片复位引脚相连,上电时MICROFIP随68HC12一起复位。MCIROFIP的IRQ脚连接68HC12的IRQ引脚。片选信号CSN与PP5连接,低电平有效。MICROFIP的EORDN和RWN管脚分别与PE7和PE2连接,但此时PE2和PE7不用作特殊用途,只当作一般的I/O口使用,均为低电平有效。

3　软件实现

仪表的软件部分采用模块化软件设计技术,包括主程序模块、A/D转换模块、PWM输出模块、转速预估模块、EEPROM编程擦除模块、通信模块、定时器中断服务模块、外部中断服务模块、模拟总线时序模块、MICROFIP模拟总线时序模块、自检模块等。其中通信模块包括MICROFIP初始化模块,变量读写模块,消息收发模块。主程序模块是