專利名稱：一種燃氣輸配設備用遠程測控終端的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種適用于燃氣輸配系統上設備工作狀態(tài)的數據采集、傳送與控制的裝置，屬于燃氣SCADA系統技術領域。具體地說，涉及一種集成了燃氣壓力、溫度、流量及設備狀態(tài)的數據采集、無線通訊功能的遠程測控終端(RTU)。
背景技術：
隨著科技的發(fā)展，燃氣管網上的設備運行狀態(tài)及參數監(jiān)測的需要日益提高，這也是建設燃氣SCADA系統的目的。燃氣設備遠程測控終端(RTU)是組成燃氣SCADA系統的主要設備，它主要負責調壓站、燃氣表房等現場設備的數據采集和控制。在SCADA系統中，遠程測控終端采集現場的數據，經過必要的處理后，通過通訊設備將數據傳送至系統控制中心。控制中心可以向RTU發(fā)送控制命令，由RTU完成對現場設備的控制。
遠程測控終端的基本功能是數據采集、控制和通訊。由于燃氣設備往往工作在條件較惡劣的無人值守環(huán)境下，因此RTU的性能可靠性要求很高。目前，國內外廠商生產的遠程測控終端RTU主要分為兩大類組合型和固定型。
組合型遠程測控終端是通過模塊組合集成而成的，模塊種類一般有上控模塊、I/O信號輸入輸出模塊、電源模塊、通訊模塊等。這種類型的遠程測控終端沒有固定的形式，一般是用戶提出功能要求，由系統集成商選擇模塊、選擇結構形式集成而成。它具有靈活多變的特點，可以根據用戶不同的要求進行不同的組合。但也正因為如此，很難形成固定的模式，為用戶的選型、應用帶來了困難。
固定型遠程測控終端是使用固定電路封裝而成，電路一般包括主控電路、I/O信號輸入輸出接口電路、通訊接口電路等。目前市場上這類產品大多不具備顯示電路和通訊電路。此類型的遠程測控終端產品具有固定的I/O信號輸入輸出接口數量，具有固定的產品型號，體積小、重量輕，使用起來比較方便。但此類產品由于缺少顯示和通訊部分，因此不能直接在現場使用，還需要另外選擇顯示設備和通訊設備進行組合。
現有RTU基本上都不配顯示界面，因此在現場無法直接確認其工作狀態(tài)。
綜上所述，目前市場上的遠程測控終端產品都存在一定缺陷，在很多方面有待改進。
實用新型內容本實用新型要解決的技術問題是提供一種適用于燃氣設備的，既具有一定通用性，又帶有多種通信功能，可直接現場應用的遠程測控終端。
為了解決上述技術問題，本實用新型采用如下技術方案一種燃氣輸配設備用遠程測控終端，包括微控制器電路和I/O信號接口電路，還有液晶顯示電路和通訊電路分別與所述的微控制器電路相連接。
本實用新型的遠程測控終端除微控制器和I/O信號接口之外，還集成了液晶顯示和通訊電路，不但能在現場顯示燃氣設備的實時工作數據和狀態(tài)，還可以直接與上位機通訊，實現遠程和現場雙重測控功能。既克服了組合型RTU選型困難，需要經過系統集成商集成才可使用的缺陷；又克服了現有固定型RTU不能現場顯示工作狀態(tài)，不能直接與上位機通訊的缺陷。
優(yōu)選地，還包括一個與微控制器電路相連接外擴數據存儲電路，用于對微控制器的數據存儲進行擴展。
優(yōu)選地，還包括一個JTAG接口與所述微控制器電路相連接，用于對微控制器進行調試。
優(yōu)選地，還包括一個復位按鈕與微控制器電路相連接，用于使微控制器復位。
優(yōu)選地，上述技術方案中所采用的I/O信號接口電路包括模擬輸入信號調理電路、數字輸入信號調理電路、數字輸出驅動電路。
優(yōu)選地，所述通訊電路為RS232電路，可以利用標準串口直接與上位機進行通訊。
作為對上一個優(yōu)選方案的改進，還可以包括一個RF射頻短距離無線收發(fā)器連接在上述RS232串口上，通過無線信號與上位機通訊。
作為對上一個優(yōu)選方案的另一種改進，還可以包括一個GPRS短消息模塊與上述的RS232串口相連接，通過短消息與上位機通訊。
本實用新型還具有以下優(yōu)點1、一體化設計，功耗低，自帶顯示，現場監(jiān)控和遠程監(jiān)控兼?zhèn)洹?br> 2、具有較強的燃氣設備現場適應能力，可直接接入燃氣溫度、壓力、流量、設備啟停狀態(tài)等不同類型的信號。
3、具有一般遠程測控終端(RTU)和可編程序控制器(PLC)的雙重優(yōu)勢，可使用C語言進行二次開發(fā)，應用靈活。
4、采用標準的串口通訊協議，可靈活地實現有線、無線通訊(RF無線數傳、GPRS短消息等)方式工作，能方便地組成SCADA系統。
以下結合附圖和具體實施方式
對本實用新型作進一步詳細說明。


圖1是本實用新型的結構總體框圖。
圖2是本實用新型的功能結構框圖。
圖3是模擬輸入信號調理電路的電路圖。
圖4溫度傳感器輸入電路的電路圖。
圖5數字輸入信號調理電路的電路圖。
圖6數字輸出驅動電路的接線圖。
圖7通訊電路的接線圖。
圖8外擴數據存儲電路的接線圖。
圖9是本實用新型的工作程序流程圖。
圖10是本實用新型的數據傳輸工作程序流程圖。
具體實施方式
如圖1所示，本實用新型一種燃氣輸配設備用遠程測控終端，包括微控制器電路以及與其相連接I/O信號接口電路、液晶顯示電路、通訊電路以及電源模塊。還有JTAG接口和復位按鈕用于對微控制器進行調試和復位。上述的I/O信號接口電路包括模擬輸入信號調理電路、數字輸入信號調理電路、數字輸出驅動電路，分別用于連接溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器和其它擴充模擬量輸入以及數字量輸入輸出，可直接接入燃氣溫度、壓力、流量、設備啟停狀態(tài)等不同類型的信號。
在本實施例中，微控制器采用美國德州儀器公司(TI)的MSP430F449超低功耗單片機，如圖2所示，該單片機集成了多種功能模塊，包括定時器、模擬比較器、2個串行通訊模塊USRAT0/1、160段LCD驅動器、硬件乘法器、12位A/D轉換器、看門狗定時器、I/O端口(P0~P6)、60KBFlash儲存器、2KBRAM，以及豐富的中斷功能。通訊電路采用美國Maxim公司的MAX232A芯片，可以利用MAX232A芯片提供的標準串口直接與上位機進行通訊，還可以利用串口連接RF射頻短距離無線收發(fā)器或GPRS短消息模塊，通過無線信號或短消息與上位機通訊。為了對微控制器的數據存儲進行擴展，本實施例還包括一個與微控制器相連接的外擴數據存儲電路，采用ATMEL公司的AT45DB041B芯片。
為了更清楚地理解和實施本實用新型，下面對各外部電路與微控制器的連接關系進一步說明。
本實用新型的模擬輸入經調理電路后，與微控制器的A0～A7(P6.0～P6.7)端相連，數字輸入經調理電路后，與微控制器的TB0～TB7(P2.1～P2.3，P3.4～P3.7)端相連，數字輸出為P1.0～P1.7，經輸出驅動電路與控制設備相連。160段液晶驅動電路與微控制器的S0～S39和COM0～COM3端連接，其中占用P5.0～P5.4和P4.2～P4.7。RS232電路與微控制器的P2.4/UTXD0、P2.5/URXD0、P4.0/UTXD1和P4.1/URXD1相連，JTAG接口與微控制器的RST/NMI、TDI、TDO/TDI、TCK和TMS端相連，復位按鈕與RST/NMI端相連。擴展數據存儲AT45DB041B芯片與微控制器的P2.6、P2.7、P3.0～P3.3、P5.7。各I/O定義見表1。
表1微控制器I/O定義表

下面就各個外部電路具體說明如下
1、模擬信號調理電路現場模擬信號經過模擬信號調理電路與單片機的A0~A7端相連，模擬信號的調理功能是對現場的模擬信號進行濾波、放大，抑制串模和共模干擾，進行過電壓、過電流、電壓瞬態(tài)尖峰和反極性保護?？垢蓴_措施為差分放大、抗沖擊、反向電壓。
如圖3，用TVS(穩(wěn)壓管)把電壓和瞬態(tài)尖峰電壓鉗位在安全電平上，串聯二極管D1防止反向電壓輸入，電阻R和電容C構成抗干擾的RC濾波器，R也是輸入限流電阻。差動放大器抑制共模干擾，當RFR1=R3R2]]>時，其輸入電壓為V0=RFR1(V2-V1).]]>模擬輸入為本實用新型測量燃氣的溫度和壓力，其中溫度傳感器采用PT100三線制接法，如圖4所示R4、R5和R6為導線電阻，。假設R4＝R5＝R6，I1＝I2＝I(恒流源)。則有輸出VO＝VAC＝I(Rt-R1)I＝E/(R3+R1+R5+2·R6)其中電阻R2＝R3(幾千歐姆)，R4＝R5＝R6＝5Ω，設定R1＝100Ω。為了減小誤差，保持電壓穩(wěn)定外，溫度值的換算采用兩次迭代的方法。
壓力信號輸入可采用4～20mA工業(yè)標準電流信號。
2、數字信號調理電路數字輸入主要用來測量現場的燃氣流量及設備的狀態(tài)，信號經過數字信號調理電路與單片機的TB0~TB7端相連，信號的調理是對現場的數字信號進行過濾、抑制噪聲干擾、進行過電壓、過電流、電壓瞬態(tài)尖峰和反極性保護。
抗干擾的功能是進行光電隔離和抗沖擊。如圖5，用TVS(穩(wěn)壓管)把電壓和瞬態(tài)尖峰電壓鉗位在安全電平上，串聯二極管D1防止反向電壓輸入，又電阻R和電容C構成抗干擾的RC濾波器，R也是輸入限流電阻。并且用光電隔離器進行隔離。
3、數字輸出數字輸出通道將單片的數字輸出轉換成現場各種開關設備所需要的信號。主要有輸出驅動電路包括達林頓晶體管集成電路ULN2803(8路輸出)和繼電器。
如圖6，驅動電路采用達林頓晶體管集成電路ULN2803驅動繼電器的方式。MSP430的8個通用端口與達林頓輸入引腳1B~8B連接，輸出引腳1C~8C與繼電器J1~J8相連。
ULN2803具有以下特點1、500mA集電極電流輸出；2、高電壓輸出(50V)；3、帶有輸出鉗位二極管。輸入和不同類型的邏輯兼容。Vc由繼電器的線圈決定。
4、通訊電路本實用新型采用的MSP430F449微控制器內建有二個硬件RS232串口，輸出TTL電平，利用MAX232A芯片對單片機TTL電平進行轉換，MAX232A芯片的R1IN、R2IN、T1IN和T2IN口分別連接到單片機P2.4/UTXD0、P4.0/UTXD1、P2.5/URXD0和P4.1/URXD1口上，R10UT、R20UT、T1I0UT和T20UT口可連接上位機或無線通訊模塊。具體連接見圖7。
5、外擴數據存儲電路如圖8，AT45DB041B是ATMEL公司一款低功耗、低電壓外擴Data Flash Memory芯片，其工作電壓為2.5V~3.6V。容量為4M，分為2048頁，每頁264B。另外還有2個SRAM單元，每個單元為264B。AT45DB041B各端口的定義見表2。
表2AT45DB041B各端口定義表

6、JTAG接口和復位按鈕JTAG接口為一個調試端口，與單片機的TDO、TDI、TMS、TCK和RST相連，復位按鈕與RST并連。
下面再對本實用新型的工作程序進行說明。
本實用新型的工作程序見圖9，首先完成看門狗定時器、定時器Timer_A、定時器Timer_B、串口通信模塊(USART0、USART1)、LCD模塊、ADC12數模轉換模塊的初始化設置，之后進入主循環(huán)，在主循環(huán)中保持低功耗，等待中斷的產生，一有中斷，系統在6μs內從低功耗中喚醒進入活動模式，處理相應的中斷服務程序，處理完中斷后，返回主循環(huán)，繼續(xù)保持低功耗。中斷包括計時、模數轉換、實時顯示和數據接收發(fā)送等。
在中斷程序中，Timer_A定時器進行時間的計量，用Timer_B的捕獲功能捕獲流量脈沖，定時啟動ADC12進行模數轉換，并發(fā)送采集的數據給上位機。采集的數據實時寫入液晶顯示緩存寄存器，在液晶屏上顯示，各個數據輪流寫、輪流顯示。
本實用新型采用Timer_A中斷來計時，設置每一秒鐘中斷一次。用Timer_B捕獲流量脈沖的上升沿，記錄下兩次上升沿時計數寄存器TBR的值和溢出次數，再加上Timer_B選擇的時鐘頻率，得到兩次脈沖的時間間隔。
在USART0/1接收中斷中，接收數據，并根據接收到的數據，和定義好的功能，處理相應的功能，發(fā)送相應的數據給上位機。
本實用新型采用異步串行通訊方式進行監(jiān)控信息的傳輸，上位機與遠程測控終端RTU的通訊格式規(guī)定為發(fā)送標志+數據長度+功能代碼+數據區(qū)數據的接收程序要求組織嚴密，不然容易出錯，接收過程如圖10所示。
接收到0xFF后，設置flag＝1表示可以接受數據了，開始接收到的第一個數據rxcom[0]為本次接收數據的總長度，到最后一個字節(jié)接收完，設置flag＝0不能再接收下一個字節(jié)，只有重新設置flag＝1才能開始下一次接收。接受完指令后，對接收到的數據進行處理。接收到的第二個字節(jié)rxcom[1]定義為功能。
具體指令參數格式及功能代碼見表3和表4。
表3RTU接收數據包格式

表4RTU發(fā)送數據包格式
權利要求1.一種燃氣輸配設備用遠程測控終端，包括微控制器電路和I/O信號接口電路，其特征是還包括液晶顯示電路和通訊電路分別與所述微控制器電路相連接。
2.根據權利要求1所述的一種燃氣輸配設備用遠程測控終端，其特征是還包括一個外擴數據存儲電路與所述微控制器電路相連接。
3.根據權利要求1所述的一種燃氣輸配設備用遠程測控終端，其特征是還包括一個JTAG接口與所述微控制器電路相連接。
4.根據權利要求1所述的一種燃氣輸配設備用遠程測控終端，其特征是還包括一個復位按鈕與所述微控制器電路相連接。
5.根據權利要求1所述的一種燃氣輸配設備用遠程測控終端，其特征是所述I/O信號接口電路包括模擬輸入信號調理電路、數字輸入信號調理電路、數字輸出驅動電路。
6.根據權利要求1所述的一種燃氣輸配設備用遠程測控終端，其特征是所述通訊電路為RS232電路。
7.根據權利要求6所述的一種燃氣輸配設備用遠程測控終端，其特征是還包括一個RF射頻短距離無線收發(fā)器與所述的RS232串口相連接。
8.根據權利要求6所述的一種燃氣輸配設備用遠程測控終端，其特征是還包括一個GPRS短消息模塊與所述的RS232串口相連接。
專利摘要本實用新型公開了一種燃氣輸配設備用遠程測控終端，適用于調壓站、燃氣表房等現場數據的采集、傳送與控制，屬于燃氣SCADA系統技術領域。它包括微控制器電路和I/O信號接口電路，還有液晶顯示電路和通訊電路分別與所述的微控制器電路相連接。本實用新型集成了液晶顯示和通訊電路，不但能在現場顯示燃氣設備的實時工作數據和狀態(tài)，還可以直接與上位機通訊，實現遠程和現場雙重測控功能。既克服了組合型RTU選型困難，需要經過系統集成商集成才可使用的缺陷；又克服了現有固定型RTU不能現場顯示工作狀態(tài)，不能直接與上位機通訊的缺陷。具有一體化設計，功耗低，自帶顯示，現場監(jiān)控和遠程監(jiān)控兼?zhèn)涞奶攸c。
文檔編號G08C19/00GK2891131SQ200620038798
公開日2007年4月18日 申請日期2006年1月9日 優(yōu)先權日2006年1月9日
發(fā)明者馮良 申請人:同濟大學