摘  要： 研究并設(shè)計了基于16位單片機(jī)MSP430的小區(qū)燃?xì)饬髁勘O(jiān)測和遠(yuǎn)程傳輸?shù)囊惑w化解決方案，將傳統(tǒng)的監(jiān)測模塊-安全柵-電源-傳輸電路進(jìn)行一體化集成。引入了世界新興的功能安全設(shè)計理念,，可以有效地提高燃?xì)獗O(jiān)測系統(tǒng)的可靠性并大幅度降低產(chǎn)品的硬件成本。
關(guān)鍵詞： 單片機(jī),； 功能安全,； 燃?xì)獗O(jiān)測； GPRS

    遠(yuǎn)程測控終端RTU(Remote Terminal Unit)是SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition) 系統(tǒng)的基本組成單元,是對分布距離遠(yuǎn),、生產(chǎn)單位分散的生產(chǎn)系統(tǒng)的一種數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng),，目前在工業(yè)領(lǐng)域有著日益廣泛的應(yīng)用前景。但是與之相對應(yīng)的城市燃?xì)忸I(lǐng)域由于技術(shù)的滯后和應(yīng)用特點與RTU有著極大的不同,所以并無類似的產(chǎn)品,。本設(shè)計就是基于這一前提,，針對城市燃?xì)庀到y(tǒng)開發(fā)的燃?xì)獗O(jiān)測系統(tǒng),具有與RTU類似的功能，但是大幅度降低成本,，適合在城市燃?xì)忸I(lǐng)域廣泛地應(yīng)用,。同時，本設(shè)計將國際新興的功能安全理念引入設(shè)計中,，填補(bǔ)了國產(chǎn)控制系統(tǒng)在這一領(lǐng)域的空白,。
1 系統(tǒng)整體設(shè)計思路
    系統(tǒng)主要由AD采樣單元、中央處理單元,、GPRS信號遠(yuǎn)傳單元和本安供電單元構(gòu)成,如圖1所示,。系統(tǒng)接收來自氣體流量計傳輸?shù)? mA~20 mA信號,該信號經(jīng)過AD采樣傳輸給中央處理單元轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，再通過數(shù)字遠(yuǎn)傳單元傳輸給遠(yuǎn)端的中央控制系統(tǒng),。
2 本安供電單元的設(shè)計
    本安供電單元為一個多路本安電源,，如圖2所示,。將220 VAC的市電經(jīng)過整流濾波變成中央處理單元、GPRS數(shù)字信號遠(yuǎn)傳單元,、AD采樣單元以及現(xiàn)場流量計所需要的供電電源,。

    由于該系統(tǒng)要應(yīng)用于有防爆要求的燃?xì)獗O(jiān)測系統(tǒng)，所以系統(tǒng)整體有防爆要求,。目前國內(nèi)應(yīng)用于燃?xì)忸I(lǐng)域的防爆方式經(jīng)?；旌鲜褂帽景卜辣透舯?防爆標(biāo)志通常為Exd II ia)，本系統(tǒng)采用設(shè)計要求更高的本安防爆（防爆標(biāo)志EX II ia)設(shè)計,。
    本安防爆限能模塊由齊納二極管,、功率電阻以及保險絲組成，如圖3所示,。由于絕大多數(shù)流量計使用24 VDC供電,，考慮一定的供電余量，最大配電電壓選擇30 V,。

    對于每一個配電支路,，為了確保在故障狀態(tài)下不會因為長時間的過電壓或者過電流造成設(shè)備損壞或者本安限能電路失效，還需要增加保險絲,，將限流水平選擇在超過400 mA時瞬間熔斷作為選擇標(biāo)準(zhǔn),。
3 AD采樣單元電路設(shè)計
    由于MSP430單片機(jī)自帶16 bit ADC，因此無需再選擇其他ADC芯片,，采樣頻率取100 Hz,。為了減小電路帶來的誤差,直接通過一個100 Ω、精度0.1%的采樣電阻將采集到的4 mA~20 mA電流轉(zhuǎn)化為0.4 V~2 V的直流電壓經(jīng)過ADC采樣給中央處理單元,。整個系統(tǒng)的誤差主要受采樣電阻的精度影響,，經(jīng)過調(diào)整可以保證在0.1%F.S的水平。
4 中央處理單元電路設(shè)計
    中央處理單元主要由MSP430單片機(jī)最小系統(tǒng)構(gòu)成,，包括電源電路,、復(fù)位電路。此外,還需要JTAG調(diào)試電路,、液晶顯示電路(MSP430F4XX系列自帶液晶驅(qū)動電路)以及一個4×4的鍵盤,。
5 GPRS數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳模塊電路設(shè)計
    MC35I是Siemens公司推出的新一代無線通信GPRS 模塊,可以快速安全可靠地實現(xiàn)系統(tǒng)方案中的數(shù)據(jù)、語音傳輸,、短消息服務(wù)(Short Message Service)和傳真,。模塊的工作電壓為3.3 V～4.8 V,可以工作在900 MHz和1 800 MHz 兩個頻段,所在頻段功耗分別為2 W(900 MHz)和1 W(1 800 MHz)。
    MCI35 模塊主要由GSM 基帶處理器,、GSM 射頻模塊,、供電模塊(ASIC)、閃存,、ZIF 連接器,、天線接口六部分組成,。作為MC35i 的核心，基帶處理器主要處理GSM 終端內(nèi)的語音,、數(shù)據(jù)信號,，并涵蓋了蜂窩射頻設(shè)備中的所有的模擬和數(shù)字功能。在不需要額外硬件電路的前提下,，可支持FR,、HR 和EFR語音信道編碼[2]。其電路結(jié)構(gòu)如圖5所示,。

    MCI35模塊需要在電源電路,、啟動電路、數(shù)據(jù)通信電路和SIM卡電路的支持下才能工作,，由于MCI35與中央控制單元的通信通過串口完成,，因此還需要一個MAX3238為核心的串口通信電路與MSP430單片機(jī)的USCI串行通信電路相連。
    在GPRS模塊的支持下,系統(tǒng)可以有效地完成短消息收發(fā),、GPRS 數(shù)據(jù)傳輸,甚至語音通信,。
6 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    系統(tǒng)的軟件主要由上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件組成。上位機(jī)主要包括人機(jī)界面,、調(diào)試模塊,、檢驗?zāi)K、數(shù)據(jù)顯示和報警模塊;下位機(jī)軟件主要包括JTAG通信模塊,、GPRS通信模塊和控制模塊,。上位機(jī)軟件可以在Visual Studio 2005中的Visual Basic2005集成開發(fā)環(huán)境下完成;下位機(jī)軟件主要在IAR Embedded Workbench for MSP430 v. 5.40 Evaluation version環(huán)境下開發(fā)。流程圖如圖6所示,。

7 基于本系統(tǒng)的功能安全討論
    國際電工委員會(IEC)的標(biāo)準(zhǔn)IEC61511定義了一種有別于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的安全儀表系統(tǒng)(簡稱SIS)[3],專用于各種危險場合來避免系統(tǒng)發(fā)生危險或者減小危險發(fā)生時對于人和環(huán)境的危害，近年來,，這種系統(tǒng)有和傳統(tǒng)控制系統(tǒng)融合的趨勢,。在本設(shè)計中，可以基于這一考慮,，在之前的各項設(shè)計的基礎(chǔ)上增加一個安全聯(lián)鎖控制模塊,以提高系統(tǒng)整體的安全性,。
    在流量計的各個配電電路中增加一個繼電器，系統(tǒng)關(guān)停時繼電器開路,。當(dāng)系統(tǒng)完成自檢后,，繼電器閉合，流量計開始工作,。當(dāng)檢測到燃?xì)饬髁慨惓r,首先進(jìn)入報警,，當(dāng)流量計檢測到流量超過安全上限后，切斷流量計電源;當(dāng)流量計處于短線狀態(tài)時,，也切斷流量計電源并報警,。
    除了電路上的安全聯(lián)鎖之外,依據(jù)IEC61508及IEC61511的相關(guān)要求對系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析,。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性和容錯性，還要進(jìn)行額外的故障插入測試,以避免由于誤操作可能帶來的隱患,。
    此外,，依據(jù)IEC61000的要求，還要對系統(tǒng)進(jìn)行電磁兼容性相關(guān)測試,，以提高系統(tǒng)的可應(yīng)用性,。對于南方雷電多發(fā)區(qū)以及擁有大功率用電設(shè)備(比如電動機(jī)、發(fā)電機(jī))的場合,，其電磁環(huán)境復(fù)雜,，如果沒有良好的電磁兼容設(shè)計和相關(guān)測試，無法保證系統(tǒng)達(dá)到安全儀表系統(tǒng)所需要的安全等級,。此外,，依據(jù)IEC61000標(biāo)準(zhǔn)，在進(jìn)行印刷電路板設(shè)計時也要遵循標(biāo)準(zhǔn)所涉及的各項制版要求,。
    本系統(tǒng)滿足以上各項設(shè)計要求,，功能全面、價格經(jīng)濟(jì),，安全性和可靠性較為突出,，相比目前廣泛使用的非集成燃?xì)獗O(jiān)控系統(tǒng)有著更好的應(yīng)用前景。如果換用更為強(qiáng)大的32位單片機(jī),，進(jìn)一步豐富功能模塊(例如RS485通信電路,、網(wǎng)絡(luò)接口以及現(xiàn)場控制模塊),可以全面替代目前使用的基于PLC的RTU，廣泛的應(yīng)用于民用和工業(yè)現(xiàn)場,。
參考文獻(xiàn)
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[2] 曲廣強(qiáng),， 李丹，常國權(quán). GPRS 無線通信模塊MC35I及其外圍電路設(shè)計[J].Journal Of Northeast Dianli University Science Edition, 2006,26(2):80-82.
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