一种具有网络功能的多路数据采集器的实现

江苏自动化研究所 孙日明 李 臣 彭益智

0 引言

相对于电压量，电流量的抗干扰能力及远距离传输能力均具有明显优势[1]。当今，工业用仪器仪表及传感器通常采用4-20mA电流量作为其输出[2]。随着工业技术的发展，自动化仪表及传感器的使用越来越普遍。电流量点对点的传输方式要求每个仪器仪表或传感器都有一组传输线，大量的传输线造成施工及维护困难的缺点已经成为自动化仪表及传感器大量使用的桎梏。随着以太网在工业技术中应用的普及，其部署灵活、传输迅速及可数字化的优点越来越明显。本文实现了一种具有网络功能的多路数据采集器，该设计能够在不对现场仪表及传感器进行改造的情况下，实现数据的网络传输。

1 控制器硬件设计

本系统主要由核心处理电路、串口转网络电路、AD扩展及电流-电压转换电路组成。本控制器采用德州仪器的MSP430FR2533作为微处理器，采用UART转网络模块USR-TCP232-T2实现串口信号转网络的功能。本控制器具有16路电流量采集1路网络接口。其系统组成如图1所示。

图1 控制器的组成

1.1 控制器核心电路

德州仪器生产的超低功耗处理器MSP430FR2533具有[3]15KB可编程FRAM及2KB RAM及最高16MHz的主频，能够满足本系统计算能力的要求。在本控制器中由MSP430FR2533及E2PROM AT24C02构成了核心控制电路，其中E2PROM AT24C02用于存储系统配置信息。核心电路如图2所示。

图2 控制器核心电路

1.2 电流量采集电路

由于对系统功耗要求比较高，因此本系统采用MSP430FR2533作为核心处理器。但是，MSP430FR2533只有8路ADC，而本系统需要使用16路ADC，因此MSP430FR2533不能满足本系统的要求。因此本系统采用2片德州仪器的8通道数字控制模拟开关CD4051来扩展ADC通道的数量，该芯片可以通过3位地址线控制从8路模拟输入选择1路作为输出。工作时，通过核心处理器发出模拟通道选择指令，对输入的模拟量依次采样。CD4051电路如图3所示。

图3 CD4051模拟开关电路

由于ADC是用来对电压量采样的，而本系统输入信号为电流量。因此，本系统设计了信号调理及转换电路将输入的电流信号转换成电压信号。使用的电流-电压转换电路如图4所示。

图4 电流-电压转换电路

本电路采用德州仪器的TLV3704为核心放大器。该芯片具有低功耗、宽温度及高精度等特点。其中，U8A为电流转换电路，通过电阻R13对电流量进行采样，然后经过由U8A为核心的放大电路将电流量转换为电压量。该电路实现了4-20mA到0.4-2V的转换。U8B为基准电压设置电路，通过调节电位器RW 1，将基准电压设置为0.4V，作为减法电路的输入。U8C为减法电路，该电路将0.4-2V的电压转换为0-1.6V电路，即实现了输出电压的调零。U8D实现了输出电压的调幅，通过调节电位器RW 2可以调节电路的放大倍数，本系统将0-1.6V的电压转换为0-2V的电压。经过验证，该电路满足系统需求。

1.3 串口转网络电路

本控制器使用高度集成化的串口转以太网模块USR-TCP232-T2实现网络功能。该模块具有TCP Server、TCP Client、UDP Client、UDP Server及Httpd Client 5种工作模式[4]，并具有DNS、DHCP及自定义网页等功能，其外观如图5所示，电路图如图6所示。本系统中，串口转网络模块与处理器的UART0连接，通过串口与处理器进行通信；另一方面，网络模块被配置为TCP Client模式，通过与上位机的TCP Server通信实现数据的网络传输。

图5 串口转网络模块

图6 串口转网络电路

2 软件设计

2.1 系统软件设计

本控制器软件在启动后首先初始化控制器外设，包括GPIO、UART、ADC和I2C；然后读取EEPROM中存储的设备网络配置及用户配置等信息。通过串口配置网络模块，使其进入工作状态。在系统进入正常工作状态后，依次读取16路输入信号值，系统将读取的信号值封包后通过网络发送。其工作流程如图7所示。

图7 控制器软件工作流程

2.2 系统软件设计

由于网络模块具有Web功能，因此本系统设计了内置网页。可以通过网页查看系统状态并修改系统配置。该功能使得用户不需要学习过多的知识就能够方便得使用本系统。其工作界面如图8所示。

图8 系统Web界面

3 典型应用

本系统采用以太网作为传输介质，能够灵活布置。可以根据不同的需求布置多个数据采集器以满足工作需要。各个数据采集器通过交换机或路由器接入以太网，多个上位机可以同时监视各接口的工作状态，并且将工作状态存入数据库，以便统计分析。本系统典型应用如图9所示。

图9 本控制器典型应用

4 结语

本系统实现了多路数据的集中采集及网络上传。相对于传统的点对点传输方式，本系统具有部署灵活、使用方便等特点。由于采用了电流量输入接口，因此在本系统安装的过程中，不需对已有仪器仪表及传感器做过多改动，可以很方便的实现现场数据集中采集及发送。由于本系统能够将采集到的模拟量数字化并集中传送，有助于实现工业现场数据的智能化监控和统计查询。经过实际使用，能够极大的降低工业仪表及传感器部署及维护的难度。

[1]刘艳,王锁庭.工业仪表操作与维护[M].北京:化学工业出版社,2015:34-35.

[2]张根宝.工业自动化仪表与工程控制[M].西安:西北工业大学出版社,2012:77.

[3]杨艳,傅强.从零开启大学生电子设计之路--基于MSP430 LaunchPad口袋实验平台[M].北京:北京航空航天大学出版社,2014:9-11.

[4]济南有人物联网技术有限公司.USR-TCP232-T2说明书[Z].2017:2.