摘要：介紹了PSoC" title="PSoC">PSoC單片機實現(xiàn)的燃氣" title="燃氣">燃氣變頻" title="變頻">變頻輸配與精確計量。從硬軟件設計的簡潔易用性,、系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性,、開發(fā)生產成本的低廉性等方面，重點闡述了PSoC單片機測控體系的巨大優(yōu)勢,。
在燃氣的變頻輸配與計量方面,，以普通單板機／單片機組成的大流量范圍的燃氣計量儀表和工控機實現(xiàn)的一器多控自動變頻調速輸配系統(tǒng)廣為應用，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／單片機+外圍器件”計量燃氣,，系統(tǒng)復雜，穩(wěn)定性差,；用工控機變頻輸配燃氣,，造成資源浪費。從提高系統(tǒng)穩(wěn)定可靠性,、簡化硬軟件設計,、降低產品成本等角度出發(fā)，結合現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，非常需要一種構成系統(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單片機進行上述技術改進,，不僅可以很好達到預期目的，并且還可以有效提高系統(tǒng)測控的實時性能,。
1 PSoC單片機及其特點
PSoC即Programmable System On Chip,。Cypress公司的PSoC系列單片機CY8C25xxx／26xxx，片內有一個高速內核,、Flash快速閃存和SRAM數(shù)據(jù)內存,，以及設計者可配置的模擬模塊和數(shù)字模塊：
(1)CPU內核，8位哈佛結構,，速度可達24MHz,；且含一乘加器MAC，能執(zhí)行帶符號8x8乘法和32位加法運算,；
(2)4～16KB片內Flash閃存及256B SRAM,，可通過串口在系統(tǒng)編程(1SSP)Flash閃存，F(xiàn)lash具有可加密保護功能,；
(3)12個PSoC模擬模塊可靈活配置成6～13位A／D轉換器,、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,； PSoC系列單片機將傳統(tǒng)的單片機系統(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。
(4)8個數(shù)字模塊可靈活配置成定時／計數(shù)器,、脈寬調制器(PWM),、循環(huán)冗余校驗塊(CRC)、串行通信塊(UARTS或SPI)及復雜的時鐘源等,；
(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的片內主振蕩器和32．768kHz片內低速振蕩器；WatchDog／Sleep定時器,、可編程的電源電壓檢測器,、采樣抽取器、片內電壓參考源等專用外設,；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內嵌匯編器,、C編譯器,、器件資源配置器和調試器。
2 變頻輸配與大流量范圍計量的機理
2．1 一器多控變頻燃氣輸配的機理
燃氣輸配主要是維持氣源端的壓力,。壓力不足時,，逐步加開輸配機組，升高壓力到設定值,；反之,，壓力過高時，逐步減停機組,，降低壓力到設定值,。由于大功率交流電機反復啟停的巨大耗能和器件沖擊，所以引入了變頻調速器,。為進一步降低成本,，通常采用一臺變頻器控制多臺交流電機，即所謂的“一器多控”,，其機理如下：加壓時,，變頻啟動并加速一臺電機，達到最大速度時,，壓力仍沒有增上來,，則把這臺電機轉為工頻運行，轉而對下一臺電機
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,，直到把壓力降到要求值。
2．2 大流量范圍燃氣計量的機理
孔板式差壓流量計在不變節(jié)流件開孔直徑下擴展量程比,，主要是采用增設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,、介質等熵指數(shù),、氣體壓縮系數(shù)、介質粘度,、d／D,、密度、流速系數(shù),、流出系數(shù),、管道雷諾數(shù),、流量。
3 PSoC單片機測控系統(tǒng)的構建
3．1 整體方案的設計
整體設計方案如圖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轉換器，擬定采樣率7．8ksps,；壓力作頻繁采樣,，以增強變頻輸配控制的實時性；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動能力,；
(3)人機接口,，使用日立HD44780LCD點陣模塊顯示狀態(tài)參數(shù)、報警種類及鍵盤操作等,，使用一個6位A／D轉換器作鍵盤輸入識別以減少對I／O口的占用；
(4)存儲關鍵性數(shù)據(jù),，采用串行E2PROM,；外界通信采用異步串行接口UART,并以此實現(xiàn)在系統(tǒng)串行編程ISSP；
(5)使用乘加器加速CPU速度,；使用看門狗保證程序正常運行,；使用實時時鐘記錄流量或故障統(tǒng)計的時刻；使用定時器產生所需工／變頻切換時間和流量累計時間,；使用OSC振蕩器產生系統(tǒng)時鐘等,。
上述方案，選用Cypress PSoC系列單片機,，圖2中虛線部分均可由一片單片機實現(xiàn),，這里選用CY8C26443" title="CY8C26443">CY8C26443(28Pin Dual inline)；否則,，采用普通單板機／單片機,，則各個模塊均要設法構造，還要考慮把它們設計連成一體,。
3．2 鍵盤輸入電路的設計
鍵盤輸入,，通過一I／O口，由一6位A／D轉換器識別,。這里選用8個按鍵,，用以實現(xiàn)參數(shù)輸入,、時間核對、記錄查詢,、通信等功能,，電路如圖3所示。圖3所示各個電阻值,，據(jù)A／D轉換特點和常用電阻規(guī)格系列確定,。
3．3 一器多控變頻電路的設計
該部分電路用以實現(xiàn)“手動／自動變頻”和“工頻／變頻狀態(tài)的切換”。這里選用日本富士FRN75P11S-4CX風機專用變頻器,，切換電路采用傳統(tǒng)的接觸器—繼電器控制,。變頻加／減速，手動控制通過一個1-5kll的可調電阻器實現(xiàn),；自動控制通過0～5V的DC變化輸入實現(xiàn),。構成如圖4所示。
3．4 信號的輸入與輸出
設計系統(tǒng)應用在燃氣行業(yè),，安全防護十分重要,。壓力、溫度,、差壓信號的采集,，現(xiàn)場的一次儀表全部采用一體化防曝類型，現(xiàn)場引入的信號采用隔離型安全柵,。輸出信號全部采用繼電器控制,，與現(xiàn)場控制器件隔離。
4 PSoC單片機測控系統(tǒng)的設計
4．1 PSoC單片機的資源使用與配置
11位A／D轉換器,，選用DelSigll用戶模塊(△—∑型A／D),，占用一PSoC模擬模塊、一PSoC數(shù)字模塊和專用的采樣抽取器,，為增強實時性與精度而取其最大采樣率7．8ksps(即每次采樣需128．2μs),。
6位A／D轉換器，選用SAR6用戶模塊(逐次逼近型A／D),，轉換時間25μs,，占用一PSoC模擬模塊。
8位D／A轉換器,，選用DAC8用戶模塊(電壓輸出型D／A),，其時鐘更新率為125kHz(即每次變換需31μs)。
A／D與D／A的參考電壓設定：AGnd=0V,，AVdd=5V,。
切換控制輸出I／O口，選定內部上拉電阻輸出,，以得到大的驅動能力,。取工／變頻切換控制為5個,。
LCD模塊接口，選定LCD用戶模塊,，該模塊使用標準HD44780LCD顯示驅動協(xié)議,，占用7個I／O口，驅動顯示2x16個8x8點陣字符,。
E2ROM,，選用E2PROM用戶模塊。這是使用內部Flash memory模擬的E2ROM,，不限容量大小,，取為2KB。
串行通信口,， 選用UART用戶模塊(8位通用UART),，占用2個PSoC數(shù)字模塊和2個I／O口，設定其初始值為96-N-8-1,，為將來擴展連接Modem預留一個I／O口,。
定時器，選用Timer8用戶模塊(8位減計數(shù)型),，占用一PSoC數(shù)字模塊,；一定時器周期設定為變頻器“工／變頻切換”的時間值；一定時器周期取最大值,，以用于流量累計,。
OSC振蕩器全部選定用內部模塊，外圍不再配備晶體,。啟用內部看門狗和實時時鐘(RTC)功能。
確定采用4個中斷：壓力轉換中斷(11AD_ISR),、鍵盤操作中斷(6AD—ISR),、工／變頻切換中斷(Tliner8—ISR)、串行接收中斷(Uart_ISR),。 中斷優(yōu)先級編排如下：11AD_ISR,、Timer8_ISR、6AD_ISR,、Uart_ISR,。
打開PSoC Designer IDE應用軟件，選用CY8C26443器件,，指定編程語言(匯編或C語言),，創(chuàng)建項目工程；在軟件的器件編輯器窗口中,，按上述選擇,，配置各個用戶模塊,。本設計共使用8個PSoC數(shù)字模塊、5個PSoC模擬模塊,、24個I／O口,。器件編輯器的使用，大多是圖形和文本選擇操作,，十分簡易直觀,，這里不再贅述。
用戶模塊配置完成后,，在IDE環(huán)境中,，點擊“GenerateApplication Files”按鈕，產生boot．sam和PSoCconfig．asm文件,，并生成應用程序接口函數(shù)(APl)與中斷服務程序,、主程序框架文件，以便填寫應用代碼,、編制用戶程序,。
boot．sam和PSoCconfig．asm文件，是所有程序的基礎,，boot．sam文件定義了系統(tǒng)啟動和執(zhí)行的次序,，PSoCconfig．asm文件包含了進入系統(tǒng)的配置。
4．2 軟件設計的整體構思
主程序完成初始化設置并循環(huán)采樣溫度,、壓力,、差壓，選擇適當量程計算流量并累計,、存儲與顯示,。
壓力轉換中斷程序(11AD_ISR)據(jù)壓力實測值與要求值，確定變頻加／減速和工／變頻轉換中斷的啟停,。
鍵盤操作中斷(6AD_ISR),，識別操作的按鈕，進行參數(shù)預置,、狀態(tài)顯示,、記錄查看等。
工／變頻切換中斷(Timer8a_ISR),，完成指定端口的工頻與變頻的切換,，并設置相關標記。
串行接收中斷(Uart_ISR),，連接PC或做遠程通信,。
在PSoC Designer IDE環(huán)境的應用程序編輯器窗口中編制程序，編譯所有文件,，生成可下載或仿真的．rom文件,。
4．3 軟件仿真與測試
使用Cypress的PSoC仿真器(1CE)及其Designer IDE調試器窗口環(huán)境,，進行程序仿真和測試。重點說明兩點：
(1)斷點調試和動態(tài)事件點調試
斷點調試,，與很多常用器件調試工具功能類似,，在此不再贅述，著重說明動態(tài)事件點調試,。動態(tài)事件點調試是Cypress很有特色的工具,。動態(tài)事件點是定義的可滿足許多條件的復雜斷點，可控制調試在動態(tài)事點到來時停止,、開／關跟蹤文件或觸發(fā)一外部引腳,。使用動態(tài)事件點調試，可觀察到很多斷點調試得不到的程序邏輯設計錯誤,。
(2)各個程序段執(zhí)行時間的調試
關掉所有中斷,，測定主程序中流量計算循環(huán)程序的執(zhí)行時間；一次開放一個中斷,，測定每個設計中斷的執(zhí)行時間,。適當設置斷點，正常執(zhí)行程序,，測定每個中斷與主程序流量計算循環(huán)的執(zhí)行周期,。
PSoC單片機的各種中斷功能能很好地滿足現(xiàn)代嵌入應用，這里構建一個基于PSoC單片機的實時操作系統(tǒng)(RTOS)的雛形,，是有任務中斷的單調比例調度類型,。因此，可以在無法預知軟件整體邏輯設計是否滿足工業(yè)測控實際的情況下,，用有任務中斷的單調比例調度的條件要求和上述測量時間值,，在理論上，去恒量一下軟件整體邏輯設計的合理性,，并進行適當調整,。
有任務中斷的單調比例調度的條件公式：
式中，n是最大任務數(shù),，E是任務j的執(zhí)行時間，P是任務j的周期,，B是任務j的阻塞時間,。
4．4 程序的ISSP下載
PSoC單片機支持在系統(tǒng)串口編程(1SSP)，可以通過UART串口,，輕易完成程序的ISSP下載,。PSoC單片機Flash中內含不能被覆蓋的ISP例程，只要復位重啟時硬件電路的ISP例程觸發(fā)按鈕有效,，PSoC單片機就轉而ISSP編程操作,。完成ISSP后,，器件自動從Flash的0x0址處執(zhí)行用戶代碼。ISSP例程的觸發(fā),，即將器件PO．5口有效上拉,。
4．5 軟件設計的注意事項
(1)SRAM空間的分配：用戶模塊配置信息、編程變量參數(shù),、上下文切換堆棧等,，都占用SRAM空間。SRAM空間只有256B,，雖然比傳統(tǒng)MCS51單片機擴大了一倍,，但還是十分有限。一定要合理選好開辟堆?？臻g的大小和位置,，以避免極端情況下程序跑飛。
(2)看門狗的使用：為防程序“跑飛”或“死機”,。程序中,，要及時“喂狗”(清零看門狗計數(shù)器)。關閉看門狗,，調試好各個程序段,，然后再打開看門狗調試。
(3)11位AD用戶模塊的動態(tài)配置：輪流采樣現(xiàn)場壓力,、溫度,、差壓信號，AD轉換器通常定位在壓力通道不斷地采樣壓力信號,，并在AD轉換中斷中完成變頻調速控制,，只有在需要時才切換到溫度或差壓通道采樣。信號通道的切換,，采用動態(tài)用戶模塊配置完成,，即在需要時改變用戶模塊配置寄存器值，定向到需要的信號通道,。
使用PSoC單片機CY8C26443組成燃氣測控系統(tǒng),，以一個28Pin微控器加上極少外圍器件，成功地把“變頻輸配控制與大流量范圍燃氣計量”合二為一,，構成電路簡單,，免除了芯片選型和搭建復雜外圍電路之煩，明顯地增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性,，降低了生產成本,。應用所提供的開發(fā)工具，直接為設計生成API函數(shù)，屏蔽了繁瑣的寄存器操作,，方便了對器件內部資源的調用,，大大縮短了項目開發(fā)時間。同時因PSoC單片機CPU速度的自增強,，系統(tǒng)的數(shù)學運算功能明顯提高,，工業(yè)測控的實時性更強了。