嵌入式空气压缩机组监控系统的设计

叶斌 李斌 姚骏 高颂

(上海大学机电工程与自动化学院，上海 200072)

嵌入式空气压缩机组监控系统的设计

叶斌 李斌 姚骏 高颂

(上海大学机电工程与自动化学院，上海 200072)

针对工业上广泛使用的空气压缩机组，设计了一种基于嵌入式系统的机组运行状态监控系统。系统以微处理器为核心，集通信、采集、处理和存储功能于一体，通过移植嵌入式操作系统μC/OS-II来完成任务的调度和管理。分别给出了监控系统总体设计方案、硬件电路和软件设计流程。仿真和实际应用表明，该系统具有较好的可靠性、实时性、稳定性，安装调试方便，能有效地监控空压机组运行时的各个状态。

空压机 监控系统 数据采集 串口通信 μC/OS-II

0 引言

随着工业生产技术的发展，空气压缩机(以下简称空压机)被广泛应用于火电、冶金、采矿、机械、石油化工等行业。压缩空气作为一种动力能源，在整个生产制造过程中起着至关重要的作用，空压机已成为某些行业不可缺少的关键设备［1］。

在机组运行过程中，需对风包温度、进水压力、冷却水压力、一级排气温度、二级排气温度、油压等参数进行实时监控。当空压机出现超限时，进行报警、自动停机，并启动下一台空压机运行，保证供气压力稳定。定期掌握压缩机组的性能指标，对维护整个系统的稳定性、提升使用状态品质以及为使用方提供清晰的参数表等方面起着十分重要的作用。

本文结合现代测量控制技术和单片机嵌入式技术，设计开发了用于空压机组工作状态的检测监控装置。该装置具有成本低、生产调试简单、功能齐全等特点。仿真和实际应用表明，该系统能有效地监控空压机组运行时的各个状态。

1 系统整体结构设计

空压机组监控系统的整体结构如图1所示。

图1 系统整体结构图Fig.1 Overall structure of the system

系统整体由硬件系统和软件系统构成。硬件系统的主要功能是模拟量(温度、仪表信号)的采集、模拟量(4～20 mA电流)的输出、开关量的输入输出以及远距离RS-485串行通信和数据存储;软件系统的主要功能是实时多任务的调度。

1.1 主控板硬件平台设计

考虑到数据处理的效率、接口的扩展性和开发的周期，主控制板采用ARM7微处理器和数模电路相结合的方式进行设计。系统主控制板硬件结构如图2所示。由图2可知，主控板采用了意法半导体公司的STM32F103ZET6芯片作为主CPU。该ARM7芯片基于Cortex-M3内核，可配置72 MHz主频，片内有512 kB Flash以及64 kB SRAM［2］。Cortex核心内部具有单周期的硬件乘法和除法单元，所以适用于高速数据的处理。主控板充分利用CPU的片内资源，SPI1接口连接外部DA芯片，SPI2接口用于SD卡存储，GPIO口用于开关量输入和输出。开关量输入电路采用了光耦合器，其主要优点是单向传输信号，使输入端与输出端电气隔离。开关量输出电路将TTL电平转化成5 V输出来控制继电器，从而实现强电端的通断控制。串口包含2个模拟量采集和上位机(操作台)的通信。考虑到采集的模拟量比较多，并且需要对采集到的数据进行实时分析和存储，CPU通过FSMC接口扩展外部SRAM存储［3］。

图2 系统主控制板硬件结构图Fig.2 Hardware structure of the main control board

1.2 模拟量采集

模拟量采集是本监控系统的重点，具体是对空压机组的风包温度、排气温度、水压、油压等模拟量进行采集。在传统的数据采集控制系统中，A/D转换和数据存储都是由同一块单片机来完成，适合在精度低、数据量小的场合下使用。一旦需要高精度、大数据采集时，普通的单片机会由于自身硬件所限，不能达到预想的效果。

根据需要，主控板使用一个多通道的数据采集芯片MSC1210，模块结构如图3所示。MSC1210是一块具有8051微处理器及闪存的精密24位模数转换器［4］。该芯片能够进行24位无丢失码A/D转换，在10 Hz采样频率下转换可得到22位有效转换结果;具有8个差分/单端通道;内核与8051兼容，缩短了开发周期。

图3 模拟量采集模块结构图Fig.3 Structure of the analog acquisition module

1.2.1 仪表信号采集

工业上广泛采用的标准模拟量电信号是4～20 mA直流模拟量，传统仪表通常采用此种信号作为载体传递仪表信息。由于待采集的模拟信号为各种变送器处理完毕的标准电信号，因此主控板需要将其完整无误地转换成微处理器能处理的数字信号。

4～20 mA采样电路原理图如图4所示，电路使用精度为1%的采样电阻将标准电流信号转换成电压信号，运算放大器和二极管组成了保护电路。

图4 采样电路原理图Fig.4 Schematic diagram of sampling circuit

1.2.2 温度采集

根据控制系统设计要求的不同，可以设计出不同的温度监测方案，有采用集成芯片的，也有采用恒流源器件和恒压源器件的。因铂热电阻具有测量范围大、稳定性好、示值复现性高和耐氧化等优点，该系统采用Pt100铂热电阻作为温度感测元件，进行温度传感器的设计与实现［5－6］。由于导线对电阻测量精度存在一定的影响，出于成本和可行性两方面考虑，采用三线制电阻温度传感器结构，其原理如图5所示。

图5 三线制导线电路原理图Fig.5 Schematic diagram of the three-wire circuit

图5中，TL431是美国德州仪器公司开发的一个热稳定性能良好的三端可调精密电压基准集成电路器件［7］。由于 TL431 的温度系数为 50×10－6/C，所以输出恒流的温度特性要比普通镜像恒流源或恒流二极管好得多。

假设导线电阻为 Ro，Pt100铂热电阻为 RPt，利用Multisim软件对温度采集电路进行仿真，记录在相同铂热电阻Rpt=120 Ω、恒流源为2 mA情况下，不同导线电阻Ro下的输出电压Uo和Pt100铂热电阻电压UPt的值。不同导线电阻下实际电压与输出电压及其误差如表1所示。

表1 实际电压与输出电压及其误差Tab.1 Actual voltages and outputvoltages and errors

由表1可知，数据的最大误差在1.7%以内，说明此电路结构能够较好地消除导线电阻对输出电压的影响，且结构简单，易于实现和维护。

1.3 模拟量(4～20 mA)输出

4～20 mA信号传输应用是现代工业现场应用的主流，已经有很多成熟的模块用于实现4～20 mA模拟输出。本系统采用AD420芯片来实现4～20 mA电流的输出。

AD420是美国ADI公司生产的高精度、低功耗全数字电流环输出转换器［8］。主控制芯片用三线模式的SPI接口控制AD420，其连线图如图6所示。

图6 STM32与AD420连线图Fig.6 Connection between STM32 and AD420

2 系统软件设计

2.1 系统软件任务的设计

在对空压机组运行状态进行监控过程中，系统要完成对电流和电压的采样、计算、分析，输出4～20 mA阀门控制电流，达到保护功能。此外，系统需要实时地与上位机通信传递有效数据，并用SD卡记录各采样点的实时状态［9－10］。

为了遵循资源优化和程序模块化的设计理念，软件使用了支持多任务的嵌入式操作系统μC/OS-II来负责任务的调度和管理［9］。

μC/OS-II是一个源代码公开、可移植、可固化、可裁剪的占先式实时多任务嵌入式操作系统，用于实现抢占式任务调度和多任务间通信等功能。

2.2 系统软件的任务功能和划分

系统软件利用嵌入式系统实现了多任务管理，其系统软件功能结构如图7所示。

图7 系统软件功能结构图Fig.7 The functional structure of system software

任务划分的首要目标是满足系统的实时性指标，任务数目必须合理。这里任务的划分以任务的实现功能为标准，任务的功能不同，实时性要求也不同。

3 结束语

本文充分利用了STM32芯片的资源，将其和一些必要的外围器件构成了一个完整的空压机组运行监控系统。实际应用证明，该系统能有效地监控空压机组运行时的各个状态，且具有结构简单、功能完善、安装调试方便、维护成本低等优点。此外，它还可根据需要支持诸如USB、CAN等接口。因此，本系统的设计方案和实现技术可以广泛地适用于其他工业生产的监控领域。

［1］章恩华，候正周，龚岳雄.空压机安全运行技术浅析［J］.科技资讯，2012，23(9):119－120.

［2］陈东升，王啸，李宗方.基于STM32的数据采集模块的设计及应用［J］.仪器仪表学报，2009，30(10):258－262.

［3］潘辉.STM32-FSMC机制的NOR Flash存储器扩展技术［J］.单片机与嵌入式应用，2009，9(10):31－34.

［4］刘震，王燕.基于MSC1210微型称重传感器的设计［J］.辽宁科技学院学报，2011，13(1):35－36.

［5］林国汉，王迎旭.基于单片机的温度远程控制系统设计［J］.微计算机信息，2009，25(20):76－77.

［6］李芸婷，万振凯.Pt100温度传感器数据实时采集系统［J］.仪器仪表用户，2007，14(5):24－26.

［7］潘玉成.可调式精密稳压集成电路TL431及应用［J］.宁德师专学报，2008，20(1):51－55.

［8］姜喆，唐友胜.高精度数模转换器AD420及其与MSP430的接口技术［J］.国外电子元器件，2006，13(11):49－53.

［9］任哲.嵌入式实时操作系统μC/OS-II原理及应用［M］.2版.北京:北京航空航天大学出版社，2009:1－17.

［10］李世奇，董浩斌，李荣生.基于FATFS文件系统的SD卡存储器设计［J］.测控技术，2011，32(12):79－81.

Design of the Embedded Monitoring System for Air Compressor Units

For the air compressor units that widely used in various industries，the operating status monitoring system of the units has been designed based on embedded system.Microprocessor is the kernel of the system，task scheduling and management are completed through transplanting embedded operating system μC/OS-II;the system integrates functions of communication，data acquisition，processing and storage.The overall design strategy，hardware circuit and software flowchart of the monitoring system are given.The simulation and practical application show that the system possesses better reliability，real time performance，stability，and ease installation and commissioning;it effectively monitors each state of air compressor units in operation.

Air compressor Monitoring system Data acquisition Serical communication μC/OS-II

TP273

A

修改稿收到日期:2013－05－07。

叶斌(1989－)，男，现为上海大学控制工程专业在读硕士研究生;主要从事工业自动化及嵌入式系统方面的研究。