FBPRO-4MV智能节点的主要技术指标

2023-11-20 理论教育版权反馈

【摘要】：·可安装于测量现场，通过PROFIBUS-DP总线将每一路的测量信息传送到监控计算机，方便地组成智能分布式系统。该智能节点采用Siemens公司的PROFIBUS-DP现场总线控制器SPC3与65ALS1176总线驱动器组成通信接口，实现网络通信，以构成智能分布系统。为ADS1216的片选信号，用于多片相连。

1.FBPRO-4MV智能节点的主要技术指标

FBPRO-4MV智能节点的主要技术指标如下：

·采用流行的ADAM模块结构设计，同时测量四路毫伏电压信号或三路热电偶信号，并带有热电偶冷端补偿。

·毫伏信号输入范围：±19.5mV、±39mV、±78mV、±156mV、±312mV、±625mV、±1250mV、±2500mV。

·热电偶类型：K、E、B、S、J、R、T、N。

·通过组态软件配置所需信息，每一路可选择输入信号范围和类型及对应的工程量量程、上下限报警点等，并记忆于智能节点上的非易失性存储器中。

·根据所配置的信息，智能节点实现自动测量。

·采用高性能、高精度、内置PGA的具有24位分辨率的Δ-Σ模数转换器ADS1216进行测量，传感器或变送器信号可直接接入。

·具有低通滤波、过压保护及热电偶断路或短路检测功能。

·单片机部分与模拟信号测量之间采用了光隔离措施，抗干扰能力强。

·可安装于测量现场，通过PROFIBUS-DP总线将每一路的测量信息传送到监控计算机，方便地组成智能分布式系统。

2.FBPRO-4MV/3TC智能节点的硬件组成

FBPRO-4MV智能节点选用P89C51RD2为微处理器，以Siemens公司生产的SPC3芯片为PROFIBUS协议核心，由TI公司生产的高精度24位Δ-Σ模数转换器ADS1216，以及Xi-cor公司的WTD电路X5045、总线驱动器65ALS1176、DC-DC电源模块等组成。

该智能节点采用Siemens公司的PROFIBUS-DP现场总线控制器SPC3与65ALS1176总线驱动器组成通信接口，实现网络通信，以构成智能分布系统。SPC3内部有地址锁存器，不需要外部另加锁存器。ALE信号可以分离出SPC3所需的地址信号，通过11位地址总线和8位数据线访问SPC3内部1.5KB的RAM。SPC3需要的48MHz的晶振通过一有源晶振提供。使用P10通过软件复位SPC3。SPC3中断输出接P89C51RD2的外部中断INT0。使用查询方式进行主站和从站的通信。

65ALS1176是专门为PROFIBUS-DP通信提供的总线驱动器，允许的最高通信速率可达35Mbit/s，完全可以满足PROFIBUS-DP现场总线12Mbit/s的要求。另外，在条件比较恶劣的场合必须使用光隔离器。能满足12Mbit/s通信速率的光隔离器推荐使用HCPL7721。

3.测量原理

测量电路如图6-13所示。ADS1216内部主要由多路选择器（MUX）、输入缓冲器（BUF）、可编程增益放大器、二阶Δ-Σ调制器、可编程数字滤波器、16个状态/控制寄存器、128个字节的RAM、串行SPI接口、两个8位的DAC、内部参考电压产生器以及时钟发生器等组成。

图6-13 测量原理图

输入缓冲器用于在信号通路中隔离开关电容器阵列与外部电路。在没有输入缓冲器时，ADS1216的输入阻抗为5MΩ；当使用ADS1216内部缓冲器时，其输入电压的波动减小，输入电流增大。ADS1216的内部输入缓冲器是通过BUFFER引脚和内部ACR寄存器的BUFF-ER位共同控制的。(www.chuimin.cn)

ADS1216内部的PGA的放大倍数可以通过ACR寄存器设定为1～128，增益步长为2。

ADS1216内部的调节器是一个二阶Δ-Σ系统。调节器以f_MOD的频率工作，f_MOD时钟频率来自外部时钟f_OSC。频率的分割来自设置寄存器的SPEED位。设计时，通过SPEED位为1或0，可以将f_MOD的频率设置为f_OSC/256或f_OSC/128。

通过数字滤波器可提高ADC的转换精度和分辨率。数字滤波有一定的建立时间。ADS1216内部可以分为快速建立、Sinc²和Sinc³等3种滤波方式。快速方式建立时间最短，但滤波精度也最低；而Sinc³的建立时间最长，但滤波精度最高。

ADS1216提供两种参考电压供给方式，上电默认参考电压是内部2.5V。参考电压的选择可通过SETUP寄存器的设置来完成。内部参考电压可选择1.25V。

另外，ADS1216还具有8位可编程I/O口及二路可编程恒流源。它采用SPI总线与微处理器交换信息。微处理器利用其P10、P11、P12、P13及P14向ADS1216发送启动操作命令字并选择某一模入通道。例如，当第一路的差分输入信号为±19.5mV时，可选择PGA为128，在ADS1216内部将±19.5mV放大为±2500mV进行模数转换，转换后的数字量再由微处理器发出读操作命令字，读取24位转换结果，一般有效位为16位，其余各路的测量原理与此类似。

如果第一路到第三路中有一路为热电偶输入信号时，第四路不能用做外部测量，这时将JP1和JP2跳线器短路，利用集成温度传感器AD590进行热电偶冷端补偿。AD590为恒流源器件，温度变化1℃时，其输出电流变化1μA。当温度为0℃时，其输出电流为273μA。RS1为取样电阻，从RS1取得的MV信号在ADS1216内部进行放大处理，并转换成数字量，微处理器读取转换结果后计算出对应的冷端补偿温度T_补后，根据T_补查表得到当前所选择的热电偶对应的MV输出V_补。若此时测得的热电偶所对应的MV输出为V_测，则实际温度值对应的MV输出为V_实=V_测+V_补，由V_实查表即可得到实际的测量温度，实现了热电偶的冷端补偿，其补偿范围宽、精度高。为ADS1216的片选信号，用于多片相连。为数据准备好信号，当输出低电平时表示A/D转换结束，转换结果可以通过SPI接口从24位的数据输出寄存器中读出。ADS1216每次启动时，均可以进行偏移校准和增益校准，由微处理器通过操作命令字完成。V_REFOUT为内部参考电压输出，V_REF+、V_REF-为外部参考电压输入。本例中，将V_REFOUT接到V_REF+，V_REF-接地，使用内部参考电压（2.5V）。V_RCAP引脚外接一个0.1μf的独石电容对内部参考电压进行滤波。

4.测量和通信程序设计

ADS1216内提供了16个可直接读写的寄存器，用于配置其工作状态，可直接配置数据格式、PGA、通道选择等。ADS1216还提供了128个字节的RAM，通过指令直接读写。其配置数据含义见表6-3所示，测量程序框图如图6-14所示。

在寄存器配置结束后，可以通过配置MUX选择差分输入通道，启动A/D转换。另外，ADS1216的信号变为有效后表明数据转换结束，结果保存在24位的数据输出寄存器内，可以通过专用的指令利用SPI接口读出A/D转换结果。

表6-3 配置数据

系统主程序为循环结构，主程序的流程图如图6-15所示。

图6-14 测量程序框图

图6-15 主程序流程图

在上电以后，首先对微处理器和SPC3进行初始化工作。微处理器的初始化包括对定时器、中断优先级、中断类型的设置；SPC3的初始化包括设置从站站地址及状态寄存器等。然后从站检查该参数数据是否与主站发送的参数化报文数据一致，只有完全一致，才能对从站进行配置，设置从站的输入、输出字节数，诊断字节数以及它们的指针等。之后，将此配置数据与主站的配置数据进行比较，完全一致后启动SPC3，从站进入与主站的数据交换阶段，这一过程也就是DP从站的状态机。

由于SPC3内部集成了完整的PROFIBUS-DP协议，因此用户不用参与处理PROFI-BUS状态机。P89C51RD2根据SPC3产生的中断，对SPC3接收到的主站发出的输出数据转存，将计算出的电压信号处理后通过SPC3发给主站，并根据要求处理外部诊断等。主站可选用Siemens公司的CP5611或PLC。中断程序主要用来处理PRM报文、CFG报文和SSA报文等。

FBPRO-4MV智能节点的主要技术指标

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