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PSoC單片機(jī)及其茌燃?xì)庾冾l輸配與流量計量中的應(yīng)用
摘要:介紹了PSoC單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的燃?xì)庾冾l輸配與精確計量。從硬軟件設(shè)計的簡潔易用性、系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性、開發(fā)生產(chǎn)成本的低廉性等方面,重點(diǎn)闡述了PSoC單片機(jī)測控體系的巨大優(yōu)勢。在燃?xì)獾淖冾l輸配與計量方面,以普通單板機(jī)/單片機(jī)組成的大流量范圍的燃?xì)庥嬃績x表和工控機(jī)實(shí)現(xiàn)的一器多控自動變頻調(diào)速輸配系統(tǒng)廣為應(yīng)用,有力地提高了計量精度并節(jié)約了大量的能源。但是用“單板機(jī)/單片機(jī) 外圍器件”計量燃?xì)猓到y(tǒng)復(fù)雜,穩(wěn)定性差;用工控機(jī)變頻輸配燃?xì),造成資源浪費(fèi)。從提高系統(tǒng)穩(wěn)定可靠性、簡化硬軟件設(shè)計、降低產(chǎn)品成本等角度出發(fā),結(jié)合現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,非常需要一種構(gòu)成系統(tǒng)簡單、靈活易用的器件,去改造上述兩個體系,并盡可能把它們合二為一。選用Cypress公司新近推出的一系列PSoC單片機(jī)進(jìn)行上述技術(shù)改進(jìn),不僅可以很好達(dá)到預(yù)期目的,并且還可以有效提高系統(tǒng)測控的實(shí)時性能。
1 PSoC單片機(jī)及其特點(diǎn)
PSoC即Programmable System On Chip。Cypress公司的PSoC系列單片機(jī)CY8C25xxx/26xxx,片內(nèi)有一個高速內(nèi)核、Flash快速閃存和SRAM數(shù)據(jù)內(nèi)存,以及設(shè)計者可配置的模擬模塊和數(shù)字模塊:
(1)CPU內(nèi)核,8位哈佛結(jié)構(gòu),速度可達(dá)24MHz;且含一乘加器MAC,能執(zhí)行帶符號8x8乘法和32位加法運(yùn)算;
(2)4~16KB片內(nèi)Flash閃存及256B SRAM,可通過串口在系統(tǒng)編程(1SSP)Flash閃存,F(xiàn)lash具有可加密保護(hù)功能;
(3)12個PSoC模擬模塊可靈活配置成6~13位A/D轉(zhuǎn)換器、可編程增益放大器(PGA)、采樣保持功能、可編程濾波器、差分比較器、溫度傳感器等;
(4)8個數(shù)字模塊可靈活配置成定時/計數(shù)器、脈寬調(diào)制器(PWM)、循環(huán)冗余校驗塊(CRC)、串行通信塊(UARTS或SPI)及復(fù)雜的時鐘源等;
(5)4~44個通用I/O口,可編程為上/下拉輸出、集電極開路輸出、強(qiáng)輸出,可用作邊沿/電平觸發(fā)的中斷輸入或Smith觸發(fā)器TTL輸入;
(6)專用的中斷控制器,2級中斷優(yōu)先級,中斷源:通用I/O、電源監(jiān)控單元、Sleep定時器、8個PSoC數(shù)字模塊和4個模擬列;
(7)24/48MHz的片內(nèi)主振蕩器和32.768kHz片內(nèi)低速振蕩器;WatchDog/Sleep定時器、可編程的電源電壓檢測器、采樣抽取器、片內(nèi)電壓參考源等專用外設(shè);可選用的模塊端口(E2PROM、LCD、I2C等);
(8)全靜態(tài)CMOS工藝,3~5.5V DC工作電壓,專用的開關(guān)式電壓泵,可使工作電壓降到1V,真正的高速低壓性能;
(9)配套的低廉開發(fā)工具:在線仿真器、評估板和集成開發(fā)環(huán)境PSoC Designer,其PSoC Designer內(nèi)嵌匯編器、C編譯器、器件資源配置器和調(diào)試器。
PSoC系列單片機(jī)將傳統(tǒng)的單片機(jī)系統(tǒng)集成在一顆芯片里,用戶模擬和數(shù)字陣列的可配置性是其最大特點(diǎn)。
2 變頻輸配與大流量范圍計量的機(jī)理
2.1 一器多控變頻燃?xì)廨斉涞臋C(jī)理
燃?xì)廨斉渲饕蔷S持氣源端的壓力。壓力不足時,逐步加開輸配機(jī)組,升高壓力到設(shè)定值;反之,壓力過高時,逐步減停機(jī)組,降低壓力到設(shè)定值。由于大功率交流電機(jī)反復(fù)啟停的巨大耗能和器件沖擊,所以引入了變頻調(diào)速器。為進(jìn)一步降低成本,通常采用一臺變頻器控制多臺交流電機(jī),即所謂的“一器多控”,其機(jī)理如下:加壓時,變頻啟動并加速一臺電機(jī),達(dá)到最大速度時,壓力仍沒有增上來,則把這臺電機(jī)轉(zhuǎn)為工頻運(yùn)行,轉(zhuǎn)而對下一臺電機(jī)
做變頻啟動并加速,如此逐步變頻啟動加速并做工頻切換,直到把壓力提上來;反之,減壓時,則逐步做變頻切換并變頻減速停機(jī),直到把壓力降到要求值。
2.2 大流量范圍燃?xì)庥嬃康臋C(jī)理
孔板式差壓流量計在不變節(jié)流件開孔直徑下擴(kuò)展量程比,主要是采用增設(shè)差壓量程切換單元的方法:在流量小、差壓低時,使用小差壓量程檢測計算;反之,使用大差壓量程檢測計算。檢測計量流程如圖1所示。圖1中參數(shù)T、P、△P、d、D、K、Z、η、β、ρ、ε、α0、rRe、M分別表示溫度、壓力、差壓、孔板開口直徑、計量管段直徑、介質(zhì)等熵指數(shù)、氣體壓縮系數(shù)、介質(zhì)粘度、d/D、密度、流速系數(shù)、流出系數(shù)、管道雷諾數(shù)、流量。
3 PSoC單片機(jī)測控系統(tǒng)的構(gòu)建
3.1 整體方案的設(shè)計
整體設(shè)計方案如圖2所示,說明如下:
(1)數(shù)據(jù)采集,采用1~5V的三通道11位A/D轉(zhuǎn)換器,擬定采樣率7.8ksps;壓力作頻繁采樣,以增強(qiáng)變頻輸配控制的實(shí)時性;差壓與溫度只在計量計算需要時采樣;
(2)輸出通道,采用一8位D/A轉(zhuǎn)換器控制變頻器,若干工/變頻切換控制信號,一手動/自動變頻切換控制信號,D/A輸出為0~5V DC信號,切換控制信號具有驅(qū)動能力;
(3)人機(jī)接口,使用日立HD44780LCD點(diǎn)陣模塊顯示狀態(tài)參數(shù)、報警種類及鍵盤操作等,使用一個6位A/D轉(zhuǎn)換器作鍵盤輸入識別以減少對I/O口的占用;
(4)存儲關(guān)鍵性數(shù)據(jù),采用串行E2PROM;外界通信采用異步串行接口U
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