CN2891131Y

CN2891131Y - 一种燃气输配设备用远程测控终端

Info

Publication number: CN2891131Y
Application number: CN 200620038798
Authority: CN
Inventors: 冯良
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2006-01-09
Filing date: 2006-01-09
Publication date: 2007-04-18
Anticipated expiration: 2016-01-09

Abstract

本实用新型公开了一种燃气输配设备用远程测控终端，适用于调压站、燃气表房等现场数据的采集、传送与控制，属于燃气SCADA系统技术领域。它包括微控制器电路和I/O信号接口电路，还有液晶显示电路和通讯电路分别与所述的微控制器电路相连接。本实用新型集成了液晶显示和通讯电路，不但能在现场显示燃气设备的实时工作数据和状态，还可以直接与上位机通讯，实现远程和现场双重测控功能。既克服了组合型RTU选型困难，需要经过系统集成商集成才可使用的缺陷；又克服了现有固定型RTU不能现场显示工作状态，不能直接与上位机通讯的缺陷。具有一体化设计，功耗低，自带显示，现场监控和远程监控兼备的特点。

Description

一种燃气输配设备用远程测控终端

技术领域

本实用新型涉及一种适用于燃气输配系统上设备工作状态的数据采集、传送与控制的装置，属于燃气SCADA系统技术领域。具体地说，涉及一种集成了燃气压力、温度、流量及设备状态的数据采集、无线通讯功能的远程测控终端(RTU)。

背景技术

随着科技的发展，燃气管网上的设备运行状态及参数监测的需要日益提高，这也是建设燃气SCADA系统的目的。燃气设备远程测控终端(RTU)是组成燃气SCADA系统的主要设备，它主要负责调压站、燃气表房等现场设备的数据采集和控制。在SCADA系统中，远程测控终端采集现场的数据，经过必要的处理后，通过通讯设备将数据传送至系统控制中心。控制中心可以向RTU发送控制命令，由RTU完成对现场设备的控制。

远程测控终端的基本功能是数据采集、控制和通讯。由于燃气设备往往工作在条件较恶劣的无人值守环境下，因此RTU的性能可靠性要求很高。目前，国内外厂商生产的远程测控终端RTU主要分为两大类：组合型和固定型。

组合型远程测控终端是通过模块组合集成而成的，模块种类一般有：上控模块、I/O信号输入输出模块、电源模块、通讯模块等。这种类型的远程测控终端没有固定的形式，一般是用户提出功能要求，由系统集成商选择模块、选择结构形式集成而成。它具有灵活多变的特点，可以根据用户不同的要求进行不同的组合。但也正因为如此，很难形成固定的模式，为用户的选型、应用带来了困难。

固定型远程测控终端是使用固定电路封装而成，电路一般包括：主控电路、I/O信号输入输出接口电路、通讯接口电路等。目前市场上这类产品大多不具备显示电路和通讯电路。此类型的远程测控终端产品具有固定的I/O信号输入输出接口数量，具有固定的产品型号，体积小、重量轻，使用起来比较方便。但此类产品由于缺少显示和通讯部分，因此不能直接在现场使用，还需要另外选择显示设备和通讯设备进行组合。

现有RTU基本上都不配显示界面，因此在现场无法直接确认其工作状态。

综上所述，目前市场上的远程测控终端产品都存在一定缺陷，在很多方面有待改进。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种适用于燃气设备的，既具有一定通用性，又带有多种通信功能，可直接现场应用的远程测控终端。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：一种燃气输配设备用远程测控终端，包括微控制器电路和I/O信号接口电路，还有液晶显示电路和通讯电路分别与所述的微控制器电路相连接。

本实用新型的远程测控终端除微控制器和I/O信号接口之外，还集成了液晶显示和通讯电路，不但能在现场显示燃气设备的实时工作数据和状态，还可以直接与上位机通讯，实现远程和现场双重测控功能。既克服了组合型RTU选型困难，需要经过系统集成商集成才可使用的缺陷；又克服了现有固定型RTU不能现场显示工作状态，不能直接与上位机通讯的缺陷。

优选地，还包括一个与微控制器电路相连接外扩数据存储电路，用于对微控制器的数据存储进行扩展。

优选地，还包括一个JTAG接口与所述微控制器电路相连接，用于对微控制器进行调试。

优选地，还包括一个复位按钮与微控制器电路相连接，用于使微控制器复位。

优选地，上述技术方案中所采用的I/O信号接口电路包括模拟输入信号调理电路、数字输入信号调理电路、数字输出驱动电路。

优选地，所述通讯电路为RS232电路，可以利用标准串口直接与上位机进行通讯。

作为对上一个优选方案的改进，还可以包括一个RF射频短距离无线收发器连接在上述RS232串口上，通过无线信号与上位机通讯。

作为对上一个优选方案的另一种改进，还可以包括一个GPRS短消息模块与上述的RS232串口相连接，通过短消息与上位机通讯。

本实用新型还具有以下优点：

1、一体化设计，功耗低，自带显示，现场监控和远程监控兼备。

2、具有较强的燃气设备现场适应能力，可直接接入燃气温度、压力、流量、设备启停状态等不同类型的信号。

3、具有一般远程测控终端(RTU)和可编程序控制器(PLC)的双重优势，可使用C语言进行二次开发，应用灵活。

4、采用标准的串口通讯协议，可灵活地实现有线、无线通讯(RF无线数传、GPRS短消息等)方式工作，能方便地组成SCADA系统。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明。

图1是本实用新型的结构总体框图。

图2是本实用新型的功能结构框图。

图3是模拟输入信号调理电路的电路图。

图4温度传感器输入电路的电路图。

图5数字输入信号调理电路的电路图。

图6数字输出驱动电路的接线图。

图7通讯电路的接线图。

图8外扩数据存储电路的接线图。

图9是本实用新型的工作程序流程图。

图10是本实用新型的数据传输工作程序流程图。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型一种燃气输配设备用远程测控终端，包括微控制器电路以及与其相连接I/O信号接口电路、液晶显示电路、通讯电路以及电源模块。还有JTAG接口和复位按钮用于对微控制器进行调试和复位。上述的I/O信号接口电路包括模拟输入信号调理电路、数字输入信号调理电路、数字输出驱动电路，分别用于连接温度传感器、压力传感器、流量传感器和其它扩充模拟量输入以及数字量输入输出，可直接接入燃气温度、压力、流量、设备启停状态等不同类型的信号。

在本实施例中，微控制器采用美国德州仪器公司(TI)的MSP430F449超低功耗单片机，如图2所示，该单片机集成了多种功能模块，包括定时器、模拟比较器、2个串行通讯模块USRAT0/1、160段LCD驱动器、硬件乘法器、12位A/D转换器、看门狗定时器、I/O端口(P0~P6)、60KBFlash储存器、2KBRAM，以及丰富的中断功能。通讯电路采用美国Maxim公司的MAX232A芯片，可以利用MAX232A芯片提供的标准串口直接与上位机进行通讯，还可以利用串口连接RF射频短距离无线收发器或GPRS短消息模块，通过无线信号或短消息与上位机通讯。为了对微控制器的数据存储进行扩展，本实施例还包括一个与微控制器相连接的外扩数据存储电路，采用ATMEL公司的AT45DB041B芯片。

为了更清楚地理解和实施本实用新型，下面对各外部电路与微控制器的连接关系进一步说明。

本实用新型的模拟输入经调理电路后，与微控制器的A0～A7(P6.0～P6.7)端相连，数字输入经调理电路后，与微控制器的TB0～TB7(P2.1～P2.3，P3.4～P3.7)端相连，数字输出为P1.0～P1.7，经输出驱动电路与控制设备相连。160段液晶驱动电路与微控制器的S0～S39和COM0～COM3端连接，其中占用P5.0～P5.4和P4.2～P4.7。RS232电路与微控制器的P2.4/UTXD0、P2.5/URXD0、P4.0/UTXD1和P4.1/URXD1相连，JTAG接口与微控制器的RST/NMI、TDI、TDO/TDI、TCK和TMS端相连，复位按钮与RST/NMI端相连。扩展数据存储AT45DB041B芯片与微控制器的P2.6、P2.7、P3.0～P3.3、P5.7。各I/O定义见表1。

表1微控制器I/O定义表

微控制器I/O端口	外部设备	功能说明
微控制器I/O端口	外部设备	功能说明	P1.0～P1.7	8个数字输出	数字输出驱动电路
P2.1～P2.3，P3.4～P3.7	7个数字输入	数字输入调理电路	P1.0～P1.7	8个数字输出	数字输出驱动电路
P2.1～P2.3，P3.4～P3.7	7个数字输入	数字输入调理电路	P2.4P2.5	MAX232A的R1_INMAX232A的T1_IN	RS232串口1
P2.6、P2.7、P3.0～P3.3、P5.7	AT45DB041B芯片	扩展数据存储	P2.4P2.5	MAX232A的R1_INMAX232A的T1_IN	RS232串口1
P2.6、P2.7、P3.0～P3.3、P5.7	AT45DB041B芯片	扩展数据存储	P4.0P4.1	MAX232A的R2_INMAX232A的T2_IN	RS232串口2
S0～S39和COM0～COM3	液晶电路	160段液晶显示器	P4.0P4.1	MAX232A的R2_INMAX232A的T2_IN	RS232串口2
S0～S39和COM0～COM3	液晶电路	160段液晶显示器	P6.0～P6.7	8个模拟输入	模拟输入调理电路
RST/NMITDITDO/TDITCKTMS	JTAG接口	计算机编程及调试	P6.0～P6.7	8个模拟输入	模拟输入调理电路
RST/NMITDITDO/TDITCKTMS	JTAG接口	计算机编程及调试	RST/NMI	复位按钮	与JTAG接口并联

下面就各个外部电路具体说明如下：

1、模拟信号调理电路

现场模拟信号经过模拟信号调理电路与单片机的A0~A7端相连，模拟信号的调理功能是对现场的模拟信号进行滤波、放大，抑制串模和共模干扰，进行过电压、过电流、电压瞬态尖峰和反极性保护。抗干扰措施为差分放大、抗冲击、反向电压。

如图3，用TVS(稳压管)把电压和瞬态尖峰电压钳位在安全电平上，串联二极管D1防止反向电压输入，电阻R和电容C构成抗干扰的RC滤波器，R也是输入限流电阻。差动放大器抑制共模干扰，当

\frac{R_{F}}{R_{1}} = \frac{R_{3}}{R_{2}}

时，其输入电压为

V_{0} = \frac{R_{F}}{R_{1}} (V_{2} - V_{1}) .

模拟输入为本实用新型测量燃气的温度和压力，其中温度传感器采用PT100三线制接法，如图4所示：R4、R5和R6为导线电阻，。假设R4＝R5＝R6，I1＝I2＝I(恒流源)。则有输出：

V_O＝V_AC＝I(R_t-R₁)

I＝E/(R3+R1+R5+2·R6)

其中电阻R2＝R3(几千欧姆)，R4＝R5＝R6＝5Ω，设定R1＝100Ω。为了减小误差，保持电压稳定外，温度值的换算采用两次迭代的方法。

压力信号输入可采用4～20mA工业标准电流信号。

2、数字信号调理电路

数字输入主要用来测量现场的燃气流量及设备的状态，信号经过数字信号调理电路与单片机的TB0~TB7端相连，信号的调理是对现场的数字信号进行过滤、抑制噪声干扰、进行过电压、过电流、电压瞬态尖峰和反极性保护。

抗干扰的功能是进行光电隔离和抗冲击。如图5，用TVS(稳压管)把电压和瞬态尖峰电压钳位在安全电平上，串联二极管D1防止反向电压输入，又电阻R和电容C构成抗干扰的RC滤波器，R也是输入限流电阻。并且用光电隔离器进行隔离。

3、数字输出

数字输出通道将单片的数字输出转换成现场各种开关设备所需要的信号。主要有输出驱动电路包括达林顿晶体管集成电路ULN2803(8路输出)和继电器。

如图6，驱动电路采用达林顿晶体管集成电路ULN2803驱动继电器的方式。MSP430的8个通用端口与达林顿输入引脚1B~8B连接，输出引脚1C~8C与继电器J1~J8相连。

ULN2803具有以下特点：1、500mA集电极电流输出；2、高电压输出(50V)；3、带有输出钳位二极管。输入和不同类型的逻辑兼容。Vc由继电器的线圈决定。

4、通讯电路

本实用新型采用的MSP430F449微控制器内建有二个硬件RS232串口，输出TTL电平，利用MAX232A芯片对单片机TTL电平进行转换，MAX232A芯片的R1_IN、R2_IN、T1_IN和T2_IN口分别连接到单片机P2.4/UTXD0、P4.0/UTXD1、P2.5/URXD0和P4.1/URXD1口上，R10UT、R20UT、T1I0UT和T20UT口可连接上位机或无线通讯模块。具体连接见图7。

5、外扩数据存储电路

如图8，AT45DB041B是ATMEL公司一款低功耗、低电压外扩Data Flash Memory芯片，其工作电压为2.5V~3.6V。容量为4M，分为2048页，每页264B。另外还有2个SRAM单元，每个单元为264B。AT45DB041B各端口的定义见表2。

表2AT45DB041B各端口定义表

引脚	C S	SCK	SI	SO	W P	RES ET	RDY/ BUS Y
引脚	C S	SCK	SI	SO	W P	RES ET	RDY/ BUS Y	功能定义	片选	时钟	串行输入	串行输出	页写保护	片复位	就绪/忙

6、JTAG接口和复位按钮

JTAG接口为一个调试端口，与单片机的TDO、TDI、TMS、TCK和RST相连，复位按钮与RST并连。

下面再对本实用新型的工作程序进行说明。

本实用新型的工作程序见图9，首先完成看门狗定时器、定时器Timer_A、定时器Timer_B、串口通信模块(USART0、USART1)、LCD模块、ADC12数模转换模块的初始化设置，之后进入主循环，在主循环中保持低功耗，等待中断的产生，一有中断，系统在6μs内从低功耗中唤醒进入活动模式，处理相应的中断服务程序，处理完中断后，返回主循环，继续保持低功耗。中断包括计时、模数转换、实时显示和数据接收发送等。

在中断程序中，Timer_A定时器进行时间的计量，用Timer_B的捕获功能捕获流量脉冲，定时启动ADC12进行模数转换，并发送采集的数据给上位机。采集的数据实时写入液晶显示缓存寄存器，在液晶屏上显示，各个数据轮流写、轮流显示。

本实用新型采用Timer_A中断来计时，设置每一秒钟中断一次。用Timer_B捕获流量脉冲的上升沿，记录下两次上升沿时计数寄存器TBR的值和溢出次数，再加上Timer_B选择的时钟频率，得到两次脉冲的时间间隔。

在USART0/1接收中断中，接收数据，并根据接收到的数据，和定义好的功能，处理相应的功能，发送相应的数据给上位机。

本实用新型采用异步串行通讯方式进行监控信息的传输，上位机与远程测控终端RTU的通讯格式规定为：发送标志+数据长度+功能代码+数据区

数据的接收程序要求组织严密，不然容易出错，接收过程如图10所示。

接收到0xFF后，设置flag＝1表示可以接受数据了，开始接收到的第一个数据rxcom[0]为本次接收数据的总长度，到最后一个字节接收完，设置flag＝0不能再接收下一个字节，只有重新设置flag＝1才能开始下一次接收。接受完指令后，对接收到的数据进行处理。接收到的第二个字节rxcom[1]定义为功能。

具体指令参数格式及功能代码见表3和表4。

表3RTU接收数据包格式

发送标志	数据长度xrxcom[0]	功能代码rxcom[1]	数据区说明rxcom[2]~rxcom[x]
发送标志	数据长度xrxcom[0]	功能代码rxcom[1]	数据区说明rxcom[2]~rxcom[x]	0xFF	02	00：停止发送
0xFF	12	01：发送全部通道数据		0xFF	02	00：停止发送
0xFF	12	01：发送全部通道数据		0xFF	3+2×N	02：发送指定通道数据	rxcom[2]低5位分别表示5个通道
0xFF	09	03：设定RTU时间	年、月、日、小时、分、秒	0xFF	3+2×N	02：发送指定通道数据	rxcom[2]低5位分别表示5个通道
0xFF	09	03：设定RTU时间	年、月、日、小时、分、秒	0xFF	02	04：查看RTU时间	年、月、日、小时、分、秒
0xFF	03	05：设定采集周期	用一个字设定采样周期	0xFF	02	04：查看RTU时间	年、月、日、小时、分、秒

表4RTU发送数据包格式

发送标志	数据长度xtxbuff[0]	功能代码txbuff[1]	数据区说明txbuff[2]~txbuff[x]
发送标志	数据长度xtxbuff[0]	功能代码txbuff[1]	数据区说明txbuff[2]~txbuff[x]	0xFF	09	00：发送RTU当前时间	年、月、日、小时、分、秒
0xFF	12	01：发送全部通道数据		0xFF	09	00：发送RTU当前时间	年、月、日、小时、分、秒
0xFF	12	01：发送全部通道数据		0xFF	3+2×N	02：发送指定通道数据

Claims

1.一种燃气输配设备用远程测控终端，包括微控制器电路和I/O信号接口电路，其特征是：还包括液晶显示电路和通讯电路分别与所述微控制器电路相连接。

2.根据权利要求1所述的一种燃气输配设备用远程测控终端，其特征是：还包括一个外扩数据存储电路与所述微控制器电路相连接。

3.根据权利要求1所述的一种燃气输配设备用远程测控终端，其特征是：还包括一个JTAG接口与所述微控制器电路相连接。

4.根据权利要求1所述的一种燃气输配设备用远程测控终端，其特征是：还包括一个复位按钮与所述微控制器电路相连接。

5.根据权利要求1所述的一种燃气输配设备用远程测控终端，其特征是：所述I/O信号接口电路包括模拟输入信号调理电路、数字输入信号调理电路、数字输出驱动电路。

6.根据权利要求1所述的一种燃气输配设备用远程测控终端，其特征是：所述通讯电路为RS232电路。

7.根据权利要求6所述的一种燃气输配设备用远程测控终端，其特征是：还包括一个RF射频短距离无线收发器与所述的RS232串口相连接。

8.根据权利要求6所述的一种燃气输配设备用远程测控终端，其特征是：还包括一个GPRS短消息模块与所述的RS232串口相连接。