CN103676809A - 一种应用于地面直流电源的智能测控模块 - Google Patents

一种应用于地面直流电源的智能测控模块 Download PDF

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刘举涛
王洪波
田恒春
刘强
金文�
陈华杰
叶茂冬
孟晨光
尹首钦
张利
高颖
鱼荔红
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中国运载火箭技术研究院
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Abstract

本发明属于智能测控模块,具体涉及一种应用于地面直流电源的智能测控模块。它包括用于计算的单片机,单片机通过AD转换功能与外部的信号调理电路电信号连通。单片机通过键盘输入功能与外部的键盘输入电路连接。单片机通过显示功能与液晶显示驱动电路连接。单片机通过电源控制功能与电源模块电路连接。单片机通过报警判断功能与外部的报警电路连接。单片机通过串口与外部的RS422接口电路连接。单片机通过网络通信功能与外部的以太网接口连接。单片机通过存储调用功能与外部的存储调用模块电路连接。本发明显著的有益效果是:该发明能满足地面电源的独立和接入网络的使用,能满足地面测控系统的近、远程控制和供电要求。

Description

一种应用于地面直流电源的智能测控模块
技术领域
[0001] 本发明属于智能测控模块,具体涉及一种应用于地面直流电源的智能测控模块。背景技术
[0002] 根据要求,智能测控模块设计能实现再入遥测地面系统地面直流电源智能化、模块化、网络化和好移植要求,能在满足地面系统供电要求的同时,还能通过上位机对地面电源进行测控,对地面电源的异常情况报警和处理,对单台地面电源实现近台键盘控制和液晶显示,并能实现地面系统的远、近距离测控要求。
[0003] 地面直流电源主要为弹上遥测系统供电,根据系统要求,需要新设计的地面电源具有智能化、模块化、网络化和好移植的特点,智能模块设计要实现地面电源的这些要求。智能化要求地面电源具有对过压、过流、短路等异常情况进行处理的能力,具有记忆功能,能实现多组输出数据设定的功能。模块化要求将具有不同功能的模块搭建出智能直流电源系统,具有好更换、好维护的特点,同时功能特点明确,接口定义清楚,能实现上位机对地面电源的测控、对单片机的通信和对地面电源异常处理这部分功能。网络化要求地面电源能实现远、近距离的通信功能,通过单片机编程,实现RS-422和Modbus模块的通信,通过以太网接入,实现远近程网络控制功能,解决环境恶劣、无人值守下的远程测控。好移植要求测控模块能较容易兼容到各种直流电源中,并完成用户要求。选用Silicon公司C8051F124单片机,具有64个数字I/O引脚(100脚TQFP封装),能完成片内JTAG调试,允许在线编程和调试。对于Modbus/TCP协议,采用RTU帧模式,实现单片机对串口和Modbus模块的通讯编程,并通过以太网接入地面系统,通过IP地址访问Modbus模块(研华),实现和上位机的通讯,此外,可采用键盘和液晶结合方式来对地面直流电源进行设置。
[0004] 对地面直流电源智能测控模块所采用的单片机技术和Modbus/TCP协议及其功能特点进行了资料检索,主要结果如下:
[0005] 西北工业大学自动化学院王新民、赵凯瑞等“一种新型智能化模拟信号采集板卡的设计”《测控技术》第29卷第2期(2010年)。厦门大学信息科学与技术学院罗湘、余臻“基于Modbus协议的单片机数据采集”《工业控制计算机》第22卷第6期(2009)。郑州大学物理工程学院汪献忠、刘巍等“基于MODBUS协议的工业智能通讯模块的设计”《仪表技术与传感器》2006年第6期。这些文献介绍了以单片机为控制核心的智能化模拟信号采集板卡,计算机与各板卡之间通过Modbus协议实现数据传输,区别是以太网方式还是以RS-485串口的方式来和上位机通信;计算机只采集,不控制,不支持近距离调试,模块或板卡无液晶显不、无键盘控制。
[0006] 上海交通大学电气工程系桂蔓村、陈德荣等“DSP与单片机基于ModBus协议的通信”《电工技术》2003年10期。该文献仅介绍了通过DSP与单片机实现Modbus协议的通信,只有软硬件设计方案,无具体应用。
[0007] 江苏大学薛海涛、和卫星“数据采集系统中Modbus协议的实现”《微计算机信息》(测控自动化)第23卷第10-1期(2007)。南昌大学理学院朱小超、徐雪春“基于Modbus协议的上位机与单片机通信的实现与仿真”《仪表技术与传感器》2011年第6期。这些文献仅介绍了 Modbus协议的实现,下位机采用Modbus/RTU协议,通过RS-485串口和上位机通信。
[0008] 哈尔滨工业大学潘悦、佟为明等“基于C8051F02X单片机的Modbus实验系统”《仪器仪表学报》第28卷第4期增刊(2007 )。解放军理工大学工程兵工程学院邵志学等“Modbus通讯协议在阀门电动装置测试系统中的应用”《仪表技术与传感器》2007年第4期。东南大学动力工程系朱宏超、于向军等“Modbus协议在智能数据采集系统中的应用”《测控技术》第25卷第2期(2006年)。这些文献介绍了基于Modbus协议的测试系统,以单片机为控制核心,扩展对外围器件的I/O 口,上位机与下位机通过Modbus通讯协议实现远程实时通讯,通讯协议只完成读取功能,不控制,仅支持RS-485协议,实现和上位机的通讯。
[0009] 清华大学深圳研究生院程杨、刘学平等“一种基于MODBUS协议的工业控制系统设计”《机械设计与制造》2011年第I期。该文献介绍了应用Modbus协议在PLC通信中,实现人工通过键盘输入对PLC设备的操作,不和上位机通信。
[0010] 同济大学电气工程系刘娜、郭其一 “Modbus协议在消防联动远程监控系统中的应用”《建筑电气》2008年第10期。该文献介绍了基于Modbus通信协议的消防联动远程监控系统,通过单片机实现Modbus通信编程,通过RS-232/RS-485和上位机通讯,计算机上仅反映现场工作状态。
[0011] 江苏大学孙月平、赵德安等“基于Modbus的智能工业控制器监控系统的设计”《微计算机信息》(测控自动化)第24卷第2-1期(2008)。该文献介绍了包括智能工业控制器下位机和应用组态王6.51软件编制的上位机监控程序,两者通过Modbus协议进行通讯,智能工业控制器以单片机作为CPU,利用智能专家PID控制算法,通过智能工业控制器对工业现场的温度、压力、液位、湿度等参数进行精确控制,利用上位机实现现场参数的读写、显示、越限报警、打印报表等,通讯连接RS-485。
[0012] 武汉工程大学文小玲、易先军“基于Modbus协议的实时温度监控系统开发”《微计算机信息》(嵌入式与S0C)第24卷第4-2期(2008)。该文献介绍了针对联碱工业生产中外冷器进出口母液温差的测量与控制系统,以单片机为核心控制器件,通过Modbus协议和上位机监测和控制,介入RS-485网络。
[0013] 检索结果表明,已有智能测控模块的实现,主要是Modbus/RTU通讯板卡实现,PLC、DSP与单片机通讯实现,以及Modbus协议通讯的实现方法,通讯方式基本只是针对RS-485串口,与本发明不同。哈尔滨工业大学潘悦、同济大学电气工程系刘娜、江苏大学孙月平、武汉工程大学文小玲与本发明相似,但通讯方式不同,要么Modbus通讯只完成读的功能,而控制和处理仅通过单片机来实现,要么Modbus通讯有读写的功能,但处理是通过上位机进行,单片机只通信,不处理,要么只有近台操作,主从控制都是板卡实现,移植性不强,所有的介入网络都是RS-485/232。
发明内容
[0014] 本发明的目的是提供一种应用于地面直流电源的智能测控模块。
[0015] 本发明是这样实现的:一种应用于地面直流电源的智能测控模块,包括用于计算的单片机,该单片机至少包括AD转换功能、键盘输入功能、显示功能、电源控制功能、报警判断功能、串口、网络通信功能、存储调用功能。单片机通过AD转换功能与外部的信号调理电路电信号连通,并通过信号调理电路接收来自外部的控制信号。单片机通过键盘输入功能与外部的键盘输入电路连接,并通过键盘输入电路接收来自键盘的输入信号。单片机通过显示功能与液晶显示驱动电路连接,并通过液晶显示驱动电路驱动液晶显示器显示结果。单片机通过电源控制功能与电源模块电路连接,并通过电源模块电路接收来自外部的电源信号。单片机通过报警判断功能与外部的报警电路连接,并驱动报警电路输出报警信号。单片机通过串口与外部的RS422接口电路连接,并通过RS422接口电路与外部交互数据。单片机通过网络通信功能与外部的以太网接口连接,并通过以太网接口与外部交互数据。单片机通过存储调用功能与外部的存储调用模块电路连接,并通过存储调用模块电路进行数据的存储调用。
[0016] 如上所述的一种应用于地面直流电源的智能测控模块,其中,单片机选用Silicon公司的C8051F124 ;液晶显示屏IXD选用北京博迪文电子技术有限公司的RT19264D汉字图形点阵液晶显示模块;数字键盘选用北京兴佳维科技公司专用4X4矩阵形式的薄膜键盘;AD转换模块选用C8051F124片上提供的lOOksps、12位分辨率的逐次逼近寄存器ADC0 ;DA模块采用Analog Devices公司的AD664BD-UNI (28管脚),是一种12位的四通道的电压输出型D/A转换器,片内有缓冲输入锁存器;422总线数据传输模块采用MAXIM公司的MX490EPA作为串行总线传输芯片;233总线数据传输模块采用MAXM公司的MAX232AMJE作为串行总线传输芯片;锁存器采用871厂的T54LS375,与门采用871厂的T54LS08 ;电压基准源采用AD公司的AD586SQ、AD780AN ;网口数据传输模块采用研华公司的MODBUS网络模块ADAM-4572 ;存储调用模块使用单片机C8051F124中的Flash存储器。
[0017] 本发明显著的有益效果是:
[0018] (1)该发明能满足地面电源的独立和接入网络的使用,能满足地面测控系统的近、远程控制和供电要求;
[0019] (2)该发明对现场的处理是通过测控模块和上位机共同来完成,上位机完成对测控模块的设置、测量和控制,且能完成对采集信号的软、硬件处理,具有智能化的特点;
[0020] (3)该发明能脱离上位机,通过键盘控制和液晶显示,完成对直流电源的设置;
[0021] (4)该发明的通讯是通过单片机、RS-485收发器和Modbus模块,通过软件设计来共同完成,通过以太网的接入,实现网络通讯;
[0022] (5)该发明支持多种接口(RS-485/232、网口),可根据不同用户的要求,移植模块到地面电源中,满足使用要求,具有好移植性的特点。
附图说明
[0023] 图1智能控制模块总体方案图。
[0024] 图2单片机主程序流程图。
[0025] 图3读写中断程序流程图。
[0026] 图4智能控制模块数据流图。
具体实施方式
[0027] 如附图1所示,一种应用于地面直流电源的智能测控模块,包括用于计算的单片机,该单片机至少包括AD转换功能、键盘输入功能、显示功能、电源控制功能、报警判断功能、串口、网络通信功能、存储调用功能。单片机通过AD转换功能与外部的信号调理电路电信号连通,并通过信号调理电路接收来自外部的控制信号。单片机通过键盘输入功能与外部的键盘输入电路连接,并通过键盘输入电路接收来自键盘的输入信号。单片机通过显示功能与液晶显示驱动电路连接,并通过液晶显示驱动电路驱动液晶显示器显示结果。单片机通过电源控制功能与电源模块电路连接,并通过电源模块电路接收来自外部的电源信号。单片机通过报警判断功能与外部的报警电路连接,并驱动报警电路输出报警信号。单片机通过串口与外部的RS422接口电路连接,并通过RS422接口电路与外部交互数据。单片机通过网络通信功能与外部的以太网接口连接,并通过以太网接口与外部交互数据。单片机通过存储调用功能与外部的存储调用模块电路连接,并通过存储调用模块电路进行数据的存储调用。
[0028] 上述各个部件的选用要求如下:
[0029] 选用单片机要求:具有独立工作的片内VDD监视器、看门狗定时器和时钟振荡器;所有模拟和数字外设均可由用户来控制和配置;FLASH存储器具有在系统重新编程能力,具有非易失性数据存储,并允许现场更新;具有在线JTAG调试功能;在工业温度范围内工作,可扩展多个中断系统和多个复位源;有独立的时钟发生器(允许达到更高的系统时钟频率),在复位后被默认为系统时钟;如果需要,可以切换到外部振荡器。
[0030] 选用A/D、D/A模块要求:能满足O〜5V的直流电压信号输入、输出要求、转换时间及转换精度要求。
[0031] 选用液晶数字显示屏要求:能同时显示电流电压数据,显示运行时间、过流、过压等异常情况及报警,并具有显示操作菜单。
[0032] 选用键盘输入要求:满足15个按键的要求,能提供10个数字输入,5个菜单项的选择。
[0033] 选用总线收发器要求:有较强的抗干扰能力和较远距离数据传输的能力,能实现全双工传输;
[0034] 选用网口数据传输模块要求:通过以太网和A/D、D/A转换的数据进行通讯,为计算机提供数据,接收计算机的信息,实现控制。
[0035] 存储功能要求:能实现输出电压值、过压值、过流值等参数的按组存储,能实现数字面板的参数设置操作。
[0036] 报警功能模块设计要求:对电压、电流的上下限设预警值,出现短路时,能给单片机发报警信号,并启动电源保护电路,在显示屏上显示“异常”告警,记录“异常”状态值,作为排故的依据。
[0037] 电阻器、电容器、电压基准源、逻辑器件、接插件的选择要求:符合相关标准规定,不符合规定的要进行论证。
[0038] 电路印制板设计要求:布局合理,满足散热、EMC、防静电、接地要求,尺寸要考虑好安装、好更换的要求;结构紧凑,符合安装标准要求;留出调试接口,满足对外接口通用性强和好操作的特点。单片机固化软件设计要求:主程序具有显示模块、AD转换模块、DA转换模块、存储调用模块、键盘输入模块等功能模块,中断响应程序具有数据上行定时中断、422/232数据下行中断、网口数据下行中断、电源状态异常等中断功能;程序设计、测试要符合相关标准和规定。
[0039] 对本发明其它方面的说明如下:
[0040] (1)单片机选用 Silicon 公司的 C8051F124 ;
[0041] (2)液晶显示屏IXD选用北京博迪文电子技术有限公司的RT19264D汉字图形点阵液晶显不|旲块;
[0042] (3)数字键盘选用北京兴佳维科技公司专用4X4矩阵形式的薄膜键盘;
[0043] (4) AD转换模块选用C8051F124片上提供的lOOksps、12位分辨率的逐次逼近寄存器ADC0 ;
[0044] (5)DA 模块米用 Analog Devices 公司的 AD664BD-UNI (28 管脚),是一种 12 位的四通道的电压输出型D/A转换器,片内有缓冲输入锁存器;
[0045] (6)422总线数据传输模块采用MAXM公司的MAX490EPA作为串行总线传输芯片;
[0046] (7) 233总线数据传输模块采用MAXM公司的MAX232AMJE作为串行总线传输芯片;
[0047] (8)锁存器采用871厂的T54LS375,与门采用871厂的T54LS08 ;
[0048] (9)电压基准源采用AD公司的AD586SQ、AD780AN ;
[0049] (10)网口数据传输模块采用研华公司的MODBUS网络模块ADAM-4572 ;
[0050] (11)存储调用模块使用单片机C8051F124中的Flash存储器;
[0051] (12)报警功能模块当出现输出电压、输出电流、远端电压超过上下限预警值,或出现短路情况时,电源模块会自动给单片机发送报警信号并启动电源保护。
[0052] 本发明单片机编程采用C51语言,具体实现如下:
[0053] (1)图2为主程序流程图,完成测控模块的主要功能;
[0054] (2)图3为中断处理程序,实现和上位机的通信;
[0055] (3)图4为智能控制模块数据流图,表明模块数据种类和输入、输出数据走向。

Claims (2)

1.一种应用于地面直流电源的智能测控模块,包括用于计算的单片机,该单片机至少包括AD转换功能、键盘输入功能、显示功能、电源控制功能、报警判断功能、串口、网络通信功能、存储调用功能,其特征在于: 单片机通过AD转换功能与外部的信号调理电路电信号连通,并通过信号调理电路接收来自外部的控制信号,单片机通过键盘输入功能与外部的键盘输入电路连接,并通过键盘输入电路接收来自键盘的输入信号,单片机通过显示功能与液晶显示驱动电路连接,并通过液晶显示驱动电路驱动液晶显示器显示结果,单片机通过电源控制功能与电源模块电路连接,并通过电源模块电路接收来自外部的电源信号,单片机通过报警判断功能与外部的报警电路连接,并驱动报警电路输出报警信号,单片机通过串口与外部的RS422接口电路连接,并通过RS422接口电路与外部交互数据,单片机通过网络通信功能与外部的以太网接口连接,并通过以太网接口与外部交互数据,单片机通过存储调用功能与外部的存储调用模块电路连接,并通过存储调用模块电路进行数据的存储调用。
2.如权利要求1所述的一种应用于地面直流电源的智能测控模块,其特征在于:单片机选用Silicon公司的C8051F124 ;液晶显示屏IXD选用北京博迪文电子技术有限公司的RT19264D汉字图形点阵液晶显示模块;数字键盘选用北京兴佳维科技公司专用4X4矩阵形式的薄膜键盘;AD转换模块选用C8051F124片上提供的100ksps、12位分辨率的逐次逼近寄存器ADCO ;DA模块采用Analog Devices公司的AD664BD-UNI (28管脚),是一种12位的四通道的电压输出型D/A转换器,片内有缓冲输入锁存器;422总线数据传输模块采用MAXIM公司的MAX490EPA作为串行总线传输芯片;233总线数据传输模块采用MAXM公司的MAX232AMJE作为串行总线传输芯片;锁存器采用871厂的T54LS375,与门采用871厂的T54LS08 ;电压基准源采用AD公司的AD586SQ、AD780AN ;网口数据传输模块采用研华公司的MODBUS网络模块ADAM-4572 ;存储调用模块使用单片机C8051F124中的Flash存储器。
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