基于MSP430的火电厂化学量监测系统的设计

叶嘉成，程文胜，胡　婷，叶晓涵，成　帅，陈小桥

(武汉大学　电子信息学院，湖北　武汉　430072)



基于MSP430的火电厂化学量监测系统的设计

叶嘉成，程文胜，胡婷，叶晓涵，成帅，陈小桥

(武汉大学电子信息学院，湖北武汉430072)

该文描述了一种基于MSP430单片机的分布式监测系统。该系统可实现多通道数据定时获取，采用分布式结构，通过多个工作站的协调组成数据检测网络，通过串口通信实现数据的传输。系统布局灵活同时具有很高的可靠性、良好的数据实时性和数据通道的可扩展性。满足锅炉健康运行的实时监测需求。

分布式工作站；MSP430单片机；实时监测；串口通信

锅炉是火电厂的重要组成部分。每年因水质问题引起的锅炉内部结垢、腐蚀并最终破损、爆裂等事故频发，造成了巨大的经济损失。对锅炉的健康状况进行实时、准确地监测具有重大意义。本系统通过前置工作站将采集到的传感器数据传到主工作站，进一步传送到现场PC机进行存储和数据的分析、处理和解算，形成一系列数据统计报表和实时监测曲线，为有关部门的决策和管理提供科学依据。

1　系统整体设计及特色

系统由现场PC机、主工作站和多个前置从工作站组成。其中，现场PC机主要包括接收数据的串口模块、储存数据的数据库、数据分析处理的运算模块。各工作站主要包括协调和控制各外设工作的MSP430单片机、收/发数据的串口模块、数据缓存的Flash模块、协调一主多从工作模式的通信接口拓展电路、信号模数转换的A/D模块，其他外设模块用于实现可视化操作和安全警报工作。另外，现场PC机还通过网络将现场采集到的数据实时传送到厂内各有关办公室的电脑终端。同时，还上传到省局，使各有关部门可以随时掌握锅炉的运行状况，有利于进行科学的决策和管理。

本系统具有以下3点特色。

1)火电厂内的环境极其恶劣，长时间工作于高温环境下对人的生命健康会造成危害。人工读取、抄取数据的误差较高，诸多人为的不确定因素影响锅炉健康评估的准确性。本系统实现全自动化的数据采集模式，工作人员不再像以往那样定时到锅炉附近的取样架进行人工抄取仪表数据。同时，也在一定程度上提高了数据的准确性。

2)本系统采用的分布式布局结构明显优于现有的集线式布局。集线式结构将所有取样点的信号汇集到一个机房内，通过一张超多通道的采集卡一次性全部采集进入计算机。①集成式结构存在很大的安全风险。采集卡的功耗大，发热严重，一旦采集卡过热烧毁或者出现其他故障，整个火电厂的所有数据采集工作都将停止；而分布式结构将风险分散，各工作站间相互通信却不相互影响。②集线式系统适用范围有限。应用于体积较大的锅炉时，分布式系统具有布线简洁的优势。

3)该系统迎合了未来工业向互联网信息化方向发展的趋势，可为互联网+监测系统的大数据服务。最初，来自各个传感器的数据经由该系统到达火电厂办公室的计算机内，通过互联网将数据上传云服务形成数据库。长期监测累积的数据可为机组维护提供可靠依据，构建更加科学合理的火电厂安全诊断标准。

图1　系统整体结构图

2　前置工作站的设计

前置工作站实现一系列信号的采集和传输功能，如图2所示。传感器输出信号经过调理电路进行信号的滤波、I/V转换和放大，调理后的信号经过MSP430单片机的A/D转换器采样得到原始数据，对数据进行预处理后存入Flash缓存区，再通过UART串口，将数据传到主工作站。

图2　前置工作站结构框图

MSP430F6638系列单片机是前置工作站的核心。它是一款16位的超低功耗RISC混合信号处理器，具有优良的高速低耗的性能指标。高达25MHz的CPU速度、256KB的Flash和18KB的RAM，具有很强的数据预处理和缓存能力。运行模式消耗为160μA/MHz，RAM电流保持在100nA以下，RTC模式电流仅为2.5μA，从低功耗状态下唤醒时间不到5μs，使监测系统长期稳定地工作得到保障。

2.1调理电路的设计

2.1.1信号的转化

依据行业标准，国内工业传感器仪表输出范围分为：4～20mA或1～5V；0～10mA或0～5V。

本系统采用TI公司生产的MSP430单片机，其正常工作电压为3.3V。在一些特定工业环境下，传感器的标准输出量以电流的形式居多，也就是所述的4～20mA或0～10mA。利用调理电路，将这个小电流信号转化为电压量，同时进行放大和滤波，再对其进行满量程采样，使得相对量化误差降到最低。

系统采用均匀的转化方式，使调理电路的输出信号与输入信号在数值上呈线性关系。其表达通式为y=ax+b。也就是说，传感器输出：①1～5V或0～5V的电压量；②4～20mA或0～10mA的电流量与0～3.3V的电压量是线性的均匀映射关系。

2.1.2电路的实现

前置工作站的调理电路原理如图3所示。

系统前端传感器输出4～20mA电流，经过U5和U6组成的有源低通滤波网络滤除高频噪声。电流经25Ω采样电阻转化为电压，其取样电压值为100～500mV。采用高精度低失调的运放OP07构成正向放大器和零点抵消电路，其中零点抵消电路相当于一个运算放大器稳压电源，运放输出端接三极管Q1用于扩展其输出能力，运放输入端通过一个电阻分压网络R6、R7、R8接至VSS，使其输入端电压可调以控制其输出端电压，从而将正向放大器输入电压降至0～400mV，调节电路增益即可完成I/V转换。各正负电源端和输出端都并联一个1μF的去耦电容，用于消除自激，使放大器稳定工作。

OP07运放的输入偏置电流低于1.8nA，对系统性能不造成干扰。失调电压漂移较小，仅有0.5μV/℃，在较高温度环境下工作性能十分稳定。时不变性非常好，最大时间漂移为2μV/月，加入一个额定的时间漂移补偿后，在特定工作环境下，具有较好的持续工作能力。

图3　调理电路图

2.2ADC12采样模块

3　系统通信与布局

本系统的最终目的是将这些数据送往有关部门进行数据分析和处理，以实现监控、诊断和决策。传感器输出信号经调理电路后进行采样保持和A/D转换，转换得到的数据经过预处理暂存在Flash中，等待进一步数据传输。因工业现场恶劣的温度和复杂的电磁环境，故采取安全可靠的串口通信方式。

图4　ADC12内部结构简图

3.1系统通信协议

本系统采用RS-232C的串口通信协议。该协议最高标准数据传输速率可达384 00bit，最大可靠传输距离为50英尺约为15m。经过试验验证该协议能够满足基本的要求，因此没有选用性能更高的RS-485通信协议。串口通信要实现数据的格式化，在异步通信模式下，自动生成起止式的数据格式。收到的串行数据通过串行接口电路实现串并转换，再送入计算机进行处理。CPU采用的是TTL正逻辑电平，与EIA采用的负逻辑电平不兼容，这里利用接口电路进行匹配。接口电路采用的是TI公司生产的一款SN65C3232DR芯片，该芯片内部的两个反相器，用于实现正负逻辑的转换。

本系统采用的是UART模块的串行口异步通信方式，默认起止式的数据帧格式。传输开始前输出逻辑 “1”，作为标识态；传输开始时输出逻辑变为“0”状态，作为起始位；起始位后面的8位为传输的数据信息位，信息位后面紧接着1位地址位以协调多机通信；再接着一位奇偶校验位，保障数据传输的准确；最后是一到两位逻辑“1”作为停止位。发送方只发送数据帧，不传输时钟。为保证高效和准确地传输，设置以9 600bit/s的速率传输数据。

3.2多机通信拓展电路

本系统采用一主多从的主从式结构，可以简化成一个时分复用问题。前置工作站同时进行多路数据的采集和转换并将数据暂存在Flash缓存，主工作站依照时钟约定依次向从工作站发送指令并接收来自从工作站的数据。多路时分选择电路见下图。

图5　多路选择电路图

主单片机控制P20和P21口进行通道的选择。74LS138芯片是一个3～8译码器，简化后用于对四路串口的收/发进行选择性控制。74LS153芯片是一个双四通道多路选择开关，主单片机控制四路输入信号的选择，通过一条共用通道也就是74LS153的7号管脚经P37口传入主单片机，完成四路通道的分时双向选择通信。

4　系统各项技术指标

1) 工作站模拟信号通道：12位。

2)A/D转换器：分辨率为12位。

3)采样速率：25μs。

4)非线性误差：小于±1/2LBS或±1LBS。

5)串行口：12位。

6) 波特率：9 600bit/s。

7)Flash存储器：64KB。

8)系统时钟频率：25MHz。

9) 输入信号范围(可调整)：4～20mA或 0～10mA。

5　系统软件设计

系统上电，各模块初始化完成参数的设定。前置工作站循环采集各采样通道的数据，每次每个通道的数据采样十份，去掉两个最高值和两个最低值，剩余取平均值得到该通道此次采样的数据并暂存。主工作站依次向各前置工作站发送地址和指令，对应地址的前置工作站将数据以帧格式发送给主工作站，主工作站若收到错误地址发来的数据则丢弃，收到正确地址发来的信息则直接发送到PC端存储。接收到最后一个工作站数据后继续返回接收第一个工作站的数据，并循环以上过程。系统的程序流程图如图6所示。

图6　程序流程图

6　结束语

本研究成功地做出一套监测系统样机。一套完整的监测系统是对火力发电安全的重要保障。火电厂的成功监测和信息网络交流有利于国家有关机构部门对国家火力电网的准确的认识和实时的掌控，是具有现实和未来发展意义的一套系统。这套系统适用范围广泛。在任何能用到传感设备进行检测的复杂环境下都适用，而且实现了自动化检测。满足安全、准确、高效和实时的工业监测需求，具有不可估量的发展前景。

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Design of the Monitoring System of Chemical Quantity of Thermal Power Plant Based on MSP430

YE Jiacheng，CHENG Wensheng，HU Ting，YE Xiaohan，CHENG Shuai，CHEN Xiaoqiao

(SchoolofElectronicInformation，WuhanUniversity，Wuhan430072，China)

ThispaperdescribesadistributedmonitoringsystembasedonMSP430singlechipmicrocomputer.Thissystemcanachievetimingacquisitionofmulti-channeldataandadoptdistributedstructure.Besides，thedatadetectionnetworkismadeupbycoordinationofmultipleworkstations，throughaserialportcommunicationfordatatransmission，whichmakesthesystemconfigurationflexibleandguaranteeshighreliability，gooddatainstantaneityandexpansibilityofdatachanneltosatisfythereal-timemonitoringneedsofhealthyoperationofboiler.

distributedworkstation；MSP430singlechipmicrocomputer；real-timemonitoring；serialcommunication

2016-03-04；修改日期: 2016-05-23

自主式开放实验(WHU-2016-KFSy-03)。

叶嘉成(1994-)，男，学士，主要从事大型工业设备电子监测方面的研究。

TM621.9

Adoi:10.3969/j.issn.1672-4550.2016.04.030