一种新型的智能化位移温度测量系统概要.docx
- 文档编号:6684388
- 上传时间:2023-01-08
- 格式:DOCX
- 页数:12
- 大小:34.09KB
一种新型的智能化位移温度测量系统概要.docx
《一种新型的智能化位移温度测量系统概要.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《一种新型的智能化位移温度测量系统概要.docx(12页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
一种新型的智能化位移温度测量系统概要
!
}_———一——二!
塑兰竺塑塑些些!
塑壁型里墅竺一种新型的智能化位移温度测量系统
徐国华宋书锋吕瑜华中科技大学交通科学与工程学院(430074
Abslmt
ThIspapermtrOducedlheprlncIpIeoffhemagnefOs们cllvedIsplacementlransducer,lhecharacterIsflcsofP1C16C63gn—glechlpcomputer,andthefuncIJOnandusageofthecorepan—TDC—GPlandDSl8820,proposedakIndOfsma¨㈨e…口entmoasurmgsyslemofdlsplacementand
femperature
KeyWordsPlCsIngbch吼TDC—GPl,DSl8臼20.maanefos…ctlvetransducer
摘要
本文介绍了磁致伸缩位移传感器的工作原理,PICl6C63单片机的主要特性.以及精心器件TDC—GPl和DSl8820的功能及使用方法,研制了基于PICl6C63、TDC—GPl和DSl8820的数字式位移、温度智能化洲量系统。
该系统能同时实现多液住多点温度刹量,井用RS一422或RS一485串行通信进行远距离传输,不仅测量精度高、而且稳定性好。
作为新一代智能化传感器,该系统已完成试验,井投八试生产和推广应用。
关键词:
P『C单片机,TDC—GPl,DSl8820,磁致伸缩传感器
目前应用的磁致伸缩位移传感器大多以标准的O~20mA或0~20mV电信号作为输出,但这一测量方法还存在一些不足之处,例如:
一根测杆只能对一个液位进行测量、测量精度受到模拟测量电路的限制、测量的模拟电信号不能远距离传输及功耗大等。
另外在传统的模拟信号远距离温度测量系统中.需要很好的解决放大电路零点漂移误差等一系列技术问题,才能够达到较高的测量精度。
受广东康宇公司的委托,我们设计了这种基于PlC单片机的数字式磁致伸缩位移传感器,该数字式磁尺正是对原磁致伸缩位移传感器的时间信号直接进行测量,实现了多点测量,另外DSl8820则把被测温度值直接以“单总线”的数字方式传输,这样‘来大大提高丁测温系统的抗干扰能力,适合于在恶劣的环境下进行现场温度测量.还允许被放置在许多不同的地方,此特性可应用在立¨环境控制、建筑物、设备或机械内的温度检测,以及过程监视和控制中的温度检测。
所得测量值通过RS一485申行总线町实现远距离传输,增舔了单片机以后实现了智能化人机接口可以方便接人工业网.采用PIC单片机及其它低功耗芯片,优化了电路结构.使系统功耗大大降低,为本安型传感器的开发奠定了基础。
1数字式磁致伸缩位移传感器简介
11传感器的结构
泼数字尺由不导磁的不锈钢管(探测杆。
磁致伸缩线(披导丝、可移动的浮球(磁环和电于装置等部分组成。
波导丝被安装杠不锈钢管内保持电磁特性,磁环在不锈钢管外侧川自由滑动,电路装置集成在传感器头部的套管内。
12传感器的工作原理
当用于液位测量时,磁环被封在浮球内.浮球套在探测杆上可沿探测杆随液位的变化而上下移动。
电子装置产生一脉冲(即sIan脉冲,经过功率放大,送人波导丝,在波导丝周围产生一个环形的磁场,在探测杆外配有的话动磁环同时产生一个磁场,且磁场方向与波导丝中电流产生的磁场力向垂直,当电流磁场与磁环磁场相遇时.两磁场交互作用,形成螺旋磁场.产生瞬时扭力.使波导丝扭动并产生一个“扭曲”脉冲,或称“返回”脉冲。
这个脉冲以音速沿波导丝传回.在电子装置的线圈两端产生感应脉冲(即默。
口脉冲,脉冲在波导丝・{t传输时间和碰环的位置成
比例,因此通过测量slan脉冲与s10p脉冲之间的时间差就可以精确地确定被测位移量。
声音在波导丝中的传输速度大约为2830m/s.这样的话要想得到5仙m的分辨率,对时间测量的精度就要达到18ns,这就要求参考时钟要达到GHz的范围。
其工作原理图见图1。
图1数字化磁尺工作原理圈
2数字式磁致伸缩位移传感器系统硬件设计
21系统原理图及人机界面
系统的硬件原理图如图2。
系统硬件部分主要由前端输入信号整形及缓冲电路、TDC—GPl、PICl6C63、AT24C01、DSl8820、显示电路、电源电路、时钟电路、通信电路组成。
系统允许对二个液值、三个温度点同时进行测量,不同场合对液位个数和温度点数的需求不一样,厂家町以通过卜位机进行参数设定。
系统的液位测量和温度测量是独立进行的,・种测量发生故障不会影响另一种的正常测量,三个温度点任何路发生故障,就会传给上位机一个默认值,用户可以据此在线更换新的温度传感器,系统能够白动找到并起用它。
用户每次开机可以通过上位机给下位机下达命令,对通信、TDC—GPl、AT24C01、DSl8820进行自检
睦唧璐18∞僻】8∞岵l艟
雨田田嗝
ITX。
JⅢ
103e。
51坐型
J
强
∞^翟
I,
圈2硬件原理图
自检失败会给上位机返回警告信号。
系统具有掉电保护功能,肖
《工业控制计算机》2004年17卷第2期
45
————————————————~—————————————~——————————————~
掉电时,参数的设定值可以保存在AT24C01巾。
每只传感器郜有一个唯一的地址,地址由上位机没定.这样可以用多达256个该类传感器组建一个测控嘲络,采用RS一485串行总线进行通信。
系统对测量数据进行异或校验,避免山于传输而造成的数据错误。
2
2微处理电路
系统采用了美国Microchip公司的PlCl6C63A单片机作
为下位机,适合于小型化系统的设计。
PlC单片机是系统硬件实现数字化处理的核心部分,它的主频工作在4MHz。
主要用于完成时间测量电路、掉电保护电路、温度测量电路的操作控制、向主机和LCD以串行方式发送数据等几个方面的功能,并对信号
进行加T处理最终输出。
2
3时|j;{|测量电路
时间测量电路采用德国ACAM公司生产的一种高精度时
间测量芯片TDC—GPl(TImeloDiqit圳Convener—GeneraIPurpose。
TDC—GPl提供了八位数据总线和四位地址总线接口,操作时序符合通用微处理器的总线操作时序,这使得TDC—GPl很方便作为一个微处理器的简单外围电路。
它主要有两种工作模式:
两路通道、250ps分辨率的小量程
工作模式;一路通道、125ps分辨率大量程工作模式。
可以通过设置片内12个控制寄存器来改变工作状态。
2
4掉电保护电路
考虑到在掉电的情况下需要保存该磁尺地址、磁环数、温度
点数、波特率、DSl8820的代码等一些参数,本系统选用
AT24C01作为掉电保护装置,AT24C01是美国ATMEL公司生产的一种电可擦除的串口存储器。
其内部组合为128+8位,并有多种工作电压可供不同用户选择。
只要把它的地线、电源线、
数据线和时钟线分剐接主控单元的地、电源和两个I/O引脚,主控单元就可以通过两条J/O线采用l℃总线的操作时序来操作
它。
存储在芯片中的数据,可通过软件的方法利用各种加密算法进行处理,从而确保其安全性。
2
5温度测量电路
大多礁尺用户还想得到所测液体以及周围环境的温度,于
是该磁尺在原有模拟磁R的基础上还增加了温度测毒电路,所
用器件是美国DALLAS公司生产的DSl8820。
DSl8820是美国DALLAS半导体公司生产的可组网数字式温度传感器,测量
范围为一55℃~125℃,精度达到00625℃。
DSl8820有3个引
脚分别接地、电源和信号,每个DSl8820包括一个唯一的64位长的ROM编码,如表1,因此多个DSl8820和一个主控单元就町以组成1一WIRE网络。
DSl8820内部存储器包括一个暂存RAM和一个非易生性电可擦除EERAM,暂存存储器作用是在单线通信时确保数据的完整性,它包括9个字节,头两个字节表示测得的温度数,温度/数据对应关系如表2所示。
用户可自
设定非易失性温度报警上下限值TH和TL(掉电后依然存在,DS侣B20在完成温度变换后,所测温度值将自动与贮存在TH
和TL内的报警值相比较,如果高于TH或低于TL,DSl8820内部的告警标志就会被置位。
1一WIRE网络是DALLAS公司倡导的总线刚络,是一种具有・个总线主机和一个或若T个从机的系统,从机包括电源线、地线和信号线3根线.最大限度地节约了通讯线的数量,从机输出是采用类似集电板开路的形式,因此要求上拉电阻。
26显示电路
显示电路采用八位串行输^段码式液晶显示模块,通过设置可使PlC的同步串行口SSP部件工作在串行外围接口(SPI
方式,PlC串行数据输出引脚RC5/SDO接显不模块的数据输
入引脚,PlC引脚RC3/SCK接显示模块的时钟引脚,要显示的数据一写人缓冲器SSPBUF就开始发送.显示模块接收井显示液位值,用户可冉线观察液位的变化。
表1
DSl8820器件编码
表2
DSl8820温度/数据对应关系
2
7通信电路
本系统中单片机和PC机之间进行串行通信,采用RS一
422/RS一485串行标准进行点对点的通信连接,可以实现远程通信传输.满足工业现场的要求,在波特辛为9600时.传输距离可达1200m。
MA×lM公司生产的MAx491芯片,町直接将单片机和PC机输出的TTL电平转换为RS一422电平。
并且通过对MA×491芯片进行简单的跳线连接设置,还可方便地实现TTL电平到RS一485的电平转换,用RS一485串行标准进行通信时,能实现多点对多点的通信.传输距离nr以更远。
因此,使用MA×491能在RS一485和RS一422串行标准之间中随意切换,使单片机能够以两种不同的通信标准向PC机传输二进制的数字化测量数据,如图4所示,方便用户地选择。
用MAX232芯片可以实现RS一232接口标准,只是通信距离受限制,在速率小于20kb/s时,传输距离仅为15m。
2
8电源电路
系统采用LM2575开关电源,效率高.输出电流可逃到1A,
较好满足了本系统的要求。
图4
PC机与PlC串行通信电路框图
2
9信号前置处理电路
本系统采用带施密特触发器逻辑门、比较器及滤波电路对
模拟板提供的脉冲信号进行隔离、缓冲、整形及滤波。
不仅去掉了毛刺,改善了波形的上升滑及F降滑,而且提高r模拟信号负载能力。
提高了TDC的测最精度。
3软件程序设计
上位机软件采用VlsualC++60来实现,具有良好的人机界面,完成所有的自检、参数设定、数据测量命夸的下达;下位机
种新型的智能化位移温度测量系统
软件用PfCl6C63A的汇编语言实现,主要包括对TDC的操作以得到时间量和对DSl8820的操作以得到温度值。
31主程序
主程序流程图如图5所币。
开始
通信初始化谩咒
≮攀二>1
J7
系统默认值设置
等待上位机命々KY
测时F程序删温于程序
游渡r程序
发送子程序
圈5主程序流程圈围6测肘间子程序
32TDC上作程序
本系统最多可配一个磁环另加stan脉冲的回波共四个sIop脉冲(见图6,只要利用PlCl6C63A单片机对TDC—GPl的控制寄存器进行设定.TDC—GPl就自动进行测量并把结果转化为十六进制数作为输出。
33DSl8820工作程序
奉系统有PlC单片机和3个DSl8820够成1一WARE网络,操作遵循严格的1一WARE通汛协议,协议有三种类型的基奉信号在一条线卜传输,包括初始化、读时间片和写时问片,这些操作时间片的程序已经在下面列出,单总线操作协议如下:
(1主机首先发复位脉冲,使信号线卜所有的DSl8820芯片复位。
(2接着发送ROM操作命令,包括读取、匹配、搜索、跳过序列号操作等工作,使序列号匹配的DSl882。
被激栝。
(3准备接收下面的存储嚣操作命令,存储器操作命令控制被激活的DSl8820的工作状态.包括写报警值、写结构寄存器、温度转换、读取温度等工作。
DSl8820初始化
reStbsfsIatus5
bcflrIscl
bcfstatus5
bsfDOncl
bcf00rIcl
bsfst8fus5
bSffrIscl
bcfstaIus5
bcfsfatus7
bffssDOncl
bsfstaIus7
主机从DSl8820凄出一位数据上机向DSl8820写^一位数据cln7bHbsfstafus.5
bsfponc.1bcftrIsc.1
bcfDOnc,’bcfsIatus,5
bsfsfaeus,5bcfDonc.1
bsftrlsc,1b【fscslaeus,6
bcfstafus.5日0lOwntel
bffscponc.1bcfponc.1
gOIolsllgofowrlte
bcfsfatus.0wrlCelbsf00nc.1
golOIs00wrllen0D
lslbsfslalus0
lsOⅢ7b1
34AT24C01工作程序
PIC单片机通过两条I/0线采用12c总线的操作时序来操作AT24C01,l℃总线是有Ph川ps公一J开发的两线制(只用串行时钟线SCK和申行数据线SDA串行通信接口。
为了实现总线的“线与”功能、SDA(数据线在输出时录用开漏极、所以一般需要加上拉电阻,以保证总线在没有器件把其拉成低电平时为高电平。
当SCL保持高『fliSDA由高变低时,作为启动信号;当SCL保持商而SDA由低变高时,作为停止信号。
数据传输过程中,数据线SDA只能在SCL为低电平时产生高低电平的变化。
12c总线的操作由四个基本的时间片组成:
写时间片、凄时间片、开始和停止。
向AT24C01写一位数据
bcfDOnc3
卅71h1
bcfssstalus0
gOCOzero
bsf00nc4
gOloa¨
zerobcf00nc.4
a¨bsfDonc3
从AT24C01读一位数据
bsfsfatus.5
bs{frIsc.4
bcfsfaIus.5
bsfDOnc,3
bIfssDOnc.4
90f。
zer。
7
bsfsIa【us.0
aotoal晤
zer07bcfsIatus,0
a|,5卅7fhl
bcfD0№,3
35F位机通信程序
下位机通过串行口与上位机进行通信,下位机的通信模块,包括串行11的初始化和中断服务程序,下位机中断服务程序流程如图7所示。
上位机命令格式:
8位地址码+8位命令码+8位参数值+8位异或校验码。
下位机命令格式:
8位地址码+测量值十8位异或校验码
4信号处理
在实际测量过程中,传感器内电流脉冲和感应脉冲会对输出信号产生一定的干扰;并且,传感器本身的磁性材料感应的磁场与波导管内的电流之间不口T避免地会产生电磁干扰(EMI—E1ec廿oMagnetlcnle阿erence,使得测量所得的输出信号有一定程度的畸变。
如果需要在同一个系统中同时使用几个磁致伸缩位移传感器进行应移测骨时,传感器相互之问也会肯干扰。
这些丁扰信号的存在使得控制系统的动、静态性能不好,对精度
(下转第5百
娑
《工业控制H算机》2004年17卷第2期
定的层次力式排列,分为控制序列基斟和结构基因。
控制基因的作用在于控制构造基用是否被激活,被激活的构造基斟称为显性摹凼,末被激活的基因称为隐性基因,只有显性基凼才能表现生物体特征。
染色体按这种层趺结构进行编码的GA称为HGA,它能同时表示解的拓扑结构和参数。
递阶遗传算法的染色体中同时包含r激活基因和隐性基因。
隐性基因与激活基因一起遗传给F一代,并在遗传过程一I,有可能被激活。
这样.递阶遗传算法便能在一定程度上避免早熟。
可见,禁忌遗传算法对遗传算法的改进是针对遗传算子.并不改变算法的编码结构;递阶遗传算法中不需要重新定义遗传操作,它是通过改善遗传算法中染色体的编码结构来避免早熟,并提高算法的效率。
二者在机理上存在互补性,它们的相互借鉴将比单个算法性能有一定提高。
基于这一思想,文献f7】构造了一种混合算法——禁忌一递阶遗传算法(THGA,即在基本遗传算法的基础上.编码结构采用递阶结构,并在遗传算法各操作算子中融入禁忌算法的思想。
从而尽可能地避免算法早熟,并提高算法效率。
通过求解复杂的非线性系统——分整增广GARCH—M模型的参数优化问题,表明该算法具有较高的精确性和可行性。
42遗传和禁忌的混合策略在车间调度中的应用
由于遗传算法的结构是开放的,与问题无关,所以容易和其它算法综合。
Ljn等人把遗传算法和模拟退火进行综合,构成模拟遗传算法;Moscal0提出把遗传算法和禁忌搜索相结合的概念并进行了研究。
文献[8]中提出用遗传/禁忌搜索混合算法求解可变加工时间的调度问题.基本思想是禁忌搜索算法对于解混台最优问题COPs(combinalorialoptIm晓鲥onproblems是非常有效的,它在邻域中重复地搜索准则,快速而高概率地向好的方向移动。
但它存在一个问题.即在算法中磐须调整不同的参数.从这点看禁忌搜索没有很好的鲁棒性.因为参数的选取对最后得到的解有着直接的影响。
由于遗传算法只需调整种群的几个参数而不是单个的解,因而遗传算法是禁忌搜索方法的一个补充。
在寻找最优排序过程中,遗传算法的变异过程的解空间的搜索由禁忌算法实现,遗传算于的变异过程不采用随机变异的方法.在与种群其它成员繁殖之前,每个个体进行独立的最优过程。
此方法有效
5
地混台了遗传算法和禁忌搜索算法,埘丁一类加工时间可变的提前/拖期单机桶度问题进行r研究.日标幽数基于仟务的提前/拖期惩罚、附加惩罚以及加工时间的偏离量惩嗣.目标足确定最优的公共交货期、最优加工时间和最优加工顺序极小化日标甬数.并勺一般的遗传算法相比较,实验结果说明了遗传/禁忌?
昆合算法的有效性。
文献f9]中利用基于遗传算法和禁忌搜索算法结合的混合搜索算法解央一机两流的连铸生产汁划编制问题。
提出了一种将遗传算法和禁忌搜索算法进行结合的智能搜索算法以加强遗传算法局部搜索能力。
耐时,在遗传算法中采用动态变异概率以防止出现早熟现象,在禁忌算法中采用自适应惩罚系数调整策略米满足模型中的约束,实际的计算结果证实r模型的可行性和算法的有效性。
随着遗传算法和禁忌搜索算法的深入研究,它们的结台电将舍有更多方式,它们的混合算法在车间调度中的应用前景也非常看好。
参考文献
1邢文训Jobshop排序问题的模拟退火算法见:
中国运筹学会第二届全国排序会议论文集.1993
2王凌最优化算法及其应用清华大学出版杜,2001
3HurinkJ.JurlscB.ThOleMTabusearchforIhelOb—shODschedulingprOblemw№mumpurpOsemac㈨nes0RSpelrum,1994.15205—215
4G10verF,KelJyJ.LagunaMGenellcA190rilhmsandTabuSearchHy洲dsforOptimlzafionsC0mpulersOpsRes.1995,22(11111—134
5李大卫,王梦光一种改进的混合遗传算法信息与控制,1997(12
6郏丕谔.马艳华RBF神经网络的递阶遗传训练新方法…控制与决策,2000(2:
165—168
7柯列,张世英禁忌一递阶遗传算法研究控制与决策,2001(7
8吴悦,汪定伟在用遗传/禁忌搜索混合算法求解可变加工时间的调度问题控制与决策,1998(7
9彭志刚,吴广宇,杨艳丽,椽心和一机两流的连铸生产汁划模型与算法东北大学学报,2000(6
[收辅日期:
2003831]
(上接第46页
高、响应频率快的控制系统而言,其影响程度是很明显的,会影响到系统的稳定,必须予以消除。
磁尺本身存在静态误差,本系统对多种滤波算法进行了仿真,选用防脉冲干扰平均值法,结果精度提高到了全量程的3‰,基于PICl6C63单片机有限的运算能力和存贮空间的限制,下位机具体采取以下滤波算法:
把在静态情况下每次采集的10组数据累加起来,然后减去最大和最小的一组,除以8所得平均值作为测量结果。
5硬件和软件调试
硬件调试上需要注意的一・些接口问题:
DSl8820的工作电流商达1mA,当温度变换发生时信号线上必须提供足够的功率;AT24C01输出数据时不能获得足够的电流时,工作不稳定,甚至无法工作,因此两者均要接人合适的上拉电阻。
本系统的主要调试任务集中在软件调试卜,尸IC单片机的数据存储宅问分BANKl和BANK2,编程者通过设定Status寄存器的第六位来决定访问那一部分,但调试过程中经常会发现数据存储空间的某一存储单元被莫名其妙改写,本系统通过一种办法很好地解决了该问题,就是在进人中断服务程序时,除了保存status寄存器的值,一定要对scatus寄存器清零,退出中断服务程序时恢复stalus寄存器的值;PIC单片机的程序存储空问分两页,当程序足够大并同时占用两页时,往往出现程序“飞”的情况,本系统为解决此问题采取了咀下办法:
当用goto和ca||命令访问另一页时,设置p『alch寄存器的第四位.并且在程序中打开“看门狗”。
另外需要注意一些时间的把握.因为DSl8820和AT24C01的操作时序对时间要求比较严格,PlC单片机除分支指令是双周期外其他所有指令都是单周期指令.本系统选用的品振为4MHz,那么执行一条单周期指令需要250九s,执行一条分支指々需要500ns。
以上针对出现问题所采取的办法仅供参考。
参考文献
1窦振中PIC系列单片机原理和程序设计北京航空航天大学出版社1998[收稿日期:
2003717
一种新型的智能化位移温度测量系统
作者:
徐国华,宋书锋,吕瑜
作者单位:
华中科技大学交通科学与工程学院,430074
刊名:
工业控制计算机
英文刊名:
INDUSTRIALCONTROLCOMPUTER
年,卷(期:
2004,17(2
被引用次数:
6次
参考文献(1条
1.窦振中PIC系列单片机原理和程序设计1998
相似文献(2条
1.期刊论文徐国华.宋书锋.吕瑜基于PIC单片机和TDC芯片的智能化磁致伸缩位移传感器-仪表技术与传感器2004,""(5
围绕一种液位智能化磁致伸缩位移传感器的实现,介绍了PIC16C63单片机的主要特性以及测量的核心器件TDC-GP1的功能和使用方法,并从硬件设计、软件设计两个方面进行了详细论述.该传感器能同时实现多液位多点温度测量,并用RS-422或RS-485串行通信进行远距离传输,测量精度高,稳定性好.作为新一代智能化传感器,已完成试验,并投入试生产和推广应用.
2.期刊论文宋书锋.徐国华.吕瑜基于PIC单片机的数字式磁致伸缩位移传感器的开发-自动化与仪表2004,19(3围绕一种液位测量仪表--磁致伸缩位移传感器的实现,介绍了PIC16C63单片机的主要特性,以及测量的核心器件TDC-GP1的功能和使用方法,并从硬件设计、软件设计两方面进行了详细论述.
引证文献(6条
1.张建勋.王蕊.刘川轻金属焊接变形检测与控制技术研究进展[期刊论文]-焊接2009(7
2.潘峥嵘.杜宝强.王树东.徐猛基于PIC单片机的工业数据采集卡的研究与设计[期刊论文]-工业仪表与自动化装置2007(2
3.王蕊.张建勋.梁振新新型焊接变形与热循环动态测试系统[期刊论文]-焊接2006(1
4.王蕊.张建勋.肖克民.朱彤焊接变形与热循环动态测试系统开发[期刊论文]-焊接技术2006(4
5.肖亮.陶学恒新型的智能化液位温度测量系统[期刊论文]-
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 一种 新型 智能化 位移 温度 测量 系统 概要