摘要：介紹了PSoC" title="PSoC">PSoC單片機實現(xiàn)的燃氣" title="燃氣">燃氣變頻" title="變頻">變頻輸配與精確計量。從硬軟件設計的簡潔易用性、系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性、開發(fā)生產成本的低廉性等方面，重點闡述了PSoC單片機測控體系的巨大優(yōu)勢。
在燃氣的變頻輸配與計量方面，以普通單板機／單片機組成的大流量范圍的燃氣計量儀表和工控機實現(xiàn)的一器多控自動變頻調速輸配系統(tǒng)廣為應用，有力地提高了計量精度并節(jié)約了大量的能源。但是用“單板機／單片機+外圍器件”計量燃氣，系統(tǒng)復雜，穩(wěn)定性差；用工控機變頻輸配燃氣，造成資源浪費。從提高系統(tǒng)穩(wěn)定可靠性、簡化硬軟件設計、降低產品成本等角度出發(fā)，結合現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，非常需要一種構成系統(tǒng)簡單、靈活易用的器件，去改造上述兩個體系，并盡可能把它們合二為一。選用Cypress公司新近推出的一系列PSoC單片機進行上述技術改進，不僅可以很好達到預期目的，并且還可以有效提高系統(tǒng)測控的實時性能。
1 PSoC單片機及其特點
PSoC即Programmable System On Chip。Cypress公司的PSoC系列單片機CY8C25xxx／26xxx，片內有一個高速內核、Flash快速閃存和SRAM數(shù)據(jù)內存，以及設計者可配置的模擬模塊和數(shù)字模塊：
(1)CPU內核，8位哈佛結構，速度可達24MHz；且含一乘加器MAC，能執(zhí)行帶符號8x8乘法和32位加法運算；
(2)4～16KB片內Flash閃存及256B SRAM，可通過串口在系統(tǒng)編程(1SSP)Flash閃存，F(xiàn)lash具有可加密保護功能；
(3)12個PSoC模擬模塊可靈活配置成6～13位A／D轉換器、可編程增益放大器(PGA)、采樣保持功能、可編程濾波器、差分比較器、溫度傳感器等； PSoC系列單片機將傳統(tǒng)的單片機系統(tǒng)集成在一顆芯片里，用戶模擬和數(shù)字陣列的可配置性是其最大特點。
(4)8個數(shù)字模塊可靈活配置成定時／計數(shù)器、脈寬調制器(PWM)、循環(huán)冗余校驗塊(CRC)、串行通信塊(UARTS或SPI)及復雜的時鐘源等；
(5)4～44個通用I／O口，可編程為上／下拉輸出、集電極開路輸出、強輸出，可用作邊沿／電平觸發(fā)的中斷輸入或Smith觸發(fā)器TTL輸入；
(6)專用的中斷控制器，2級中斷優(yōu)先級，中斷源：通用I／O、電源監(jiān)控單元、Sleep定時器、8個PSoC數(shù)字模塊和4個模擬列；
(7)24／48MHz的片內主振蕩器和32．768kHz片內低速振蕩器；WatchDog／Sleep定時器、可編程的電源電壓檢測器、采樣抽取器、片內電壓參考源等專用外設；可選用的模塊端口(E2PROM、LCD、I2C等)；
(8)全靜態(tài)CMOS工藝，3～5．5V DC工作電壓，專用的開關式電壓泵，可使工作電壓降到1V，真正的高速低壓性能；
(9)配套的低廉開發(fā)工具：在線仿真器、評估板和集成開發(fā)環(huán)境PSoC Designer，其PSoC Designer內嵌匯編器、C編譯器、器件資源配置器和調試器。
2 變頻輸配與大流量范圍計量的機理
2．1 一器多控變頻燃氣輸配的機理
燃氣輸配主要是維持氣源端的壓力。壓力不足時，逐步加開輸配機組，升高壓力到設定值；反之，壓力過高時，逐步減停機組，降低壓力到設定值。由于大功率交流電機反復啟停的巨大耗能和器件沖擊，所以引入了變頻調速器。為進一步降低成本，通常采用一臺變頻器控制多臺交流電機，即所謂的“一器多控”，其機理如下：加壓時，變頻啟動并加速一臺電機，達到最大速度時，壓力仍沒有增上來，則把這臺電機轉為工頻運行，轉而對下一臺電機
做變頻啟動并加速，如此逐步變頻啟動加速并做工頻切換，直到把壓力提上來；反之，減壓時，則逐步做變頻切換并變頻減速停機，直到把壓力降到要求值。
2．2 大流量范圍燃氣計量的機理
孔板式差壓流量計在不變節(jié)流件開孔直徑下擴展量程比，主要是采用增設差壓量程切換單元的方法：在流量小、差壓低時，使用小差壓量程檢測計算；反之，使用大差壓量程檢測計算。檢測計量流程如圖1所示。圖1中參數(shù)T、P、△P、d、D、K、Z、η、β、ρ、ε、α0、rRe、M分別表示溫度、壓力、差壓、孔板開口直徑、計量管段直徑、介質等熵指數(shù)、氣體壓縮系數(shù)、介質粘度、d／D、密度、流速系數(shù)、流出系數(shù)、管道雷諾數(shù)、流量。
3 PSoC單片機測控系統(tǒng)的構建
3．1 整體方案的設計
整體設計方案如圖2所示，說明如下：
(1)數(shù)據(jù)采集，采用1～5V的三通道11位A／D轉換器，擬定采樣率7．8ksps；壓力作頻繁采樣，以增強變頻輸配控制的實時性；差壓與溫度只在計量計算需要時采樣；
(2)輸出通道，采用一8位D／A轉換器控制變頻器，若干工／變頻切換控制信號，一手動／自動變頻切換控制信號，D／A輸出為0～5V DC信號，切換控制信號具有驅動能力；
(3)人機接口，使用日立HD44780LCD點陣模塊顯示狀態(tài)參數(shù)、報警種類及鍵盤操作等，使用一個6位A／D轉換器作鍵盤輸入識別以減少對I／O口的占用；
(4)存儲關鍵性數(shù)據(jù)，采用串行E2PROM；外界通信采用異步串行接口UART,并以此實現(xiàn)在系統(tǒng)串行編程ISSP；
(5)使用乘加器加速CPU速度；使用看門狗保證程序正常運行；使用實時時鐘記錄流量或故障統(tǒng)計的時刻；使用定時器產生所需工／變頻切換時間和流量累計時間；使用OSC振蕩器產生系統(tǒng)時鐘等。
上述方案，選用Cypress PSoC系列單片機，圖2中虛線部分均可由一片單片機實現(xiàn)，這里選用CY8C26443" title="CY8C26443">CY8C26443(28Pin Dual inline)；否則，采用普通單板機／單片機，則各個模塊均要設法構造，還要考慮把它們設計連成一體。
3．2 鍵盤輸入電路的設計
鍵盤輸入，通過一I／O口，由一6位A／D轉換器識別。這里選用8個按鍵，用以實現(xiàn)參數(shù)輸入、時間核對、記錄查詢、通信等功能，電路如圖3所示。圖3所示各個電阻值，據(jù)A／D轉換特點和常用電阻規(guī)格系列確定。
3．3 一器多控變頻電路的設計
該部分電路用以實現(xiàn)“手動／自動變頻”和“工頻／變頻狀態(tài)的切換”。這里選用日本富士FRN75P11S-4CX風機專用變頻器，切換電路采用傳統(tǒng)的接觸器—繼電器控制。變頻加／減速，手動控制通過一個1-5kll的可調電阻器實現(xiàn)；自動控制通過0～5V的DC變化輸入實現(xiàn)。構成如圖4所示。
3．4 信號的輸入與輸出
設計系統(tǒng)應用在燃氣行業(yè)，安全防護十分重要。壓力、溫度、差壓信號的采集，現(xiàn)場的一次儀表全部采用一體化防曝類型，現(xiàn)場引入的信號采用隔離型安全柵。輸出信號全部采用繼電器控制，與現(xiàn)場控制器件隔離。
4 PSoC單片機測控系統(tǒng)的設計
4．1 PSoC單片機的資源使用與配置
11位A／D轉換器，選用DelSigll用戶模塊(△—∑型A／D)，占用一PSoC模擬模塊、一PSoC數(shù)字模塊和專用的采樣抽取器，為增強實時性與精度而取其最大采樣率7．8ksps(即每次采樣需128．2μs)。
6位A／D轉換器，選用SAR6用戶模塊(逐次逼近型A／D)，轉換時間25μs，占用一PSoC模擬模塊。
8位D／A轉換器，選用DAC8用戶模塊(電壓輸出型D／A)，其時鐘更新率為125kHz(即每次變換需31μs)。
A／D與D／A的參考電壓設定：AGnd=0V，AVdd=5V。
切換控制輸出I／O口，選定內部上拉電阻輸出，以得到大的驅動能力。取工／變頻切換控制為5個。
LCD模塊接口，選定LCD用戶模塊，該模塊使用標準HD44780LCD顯示驅動協(xié)議，占用7個I／O口，驅動顯示2x16個8x8點陣字符。
E2ROM，選用E2PROM用戶模塊。這是使用內部Flash memory模擬的E2ROM，不限容量大小，取為2KB。
串行通信口， 選用UART用戶模塊(8位通用UART)，占用2個PSoC數(shù)字模塊和2個I／O口，設定其初始值為96-N-8-1，為將來擴展連接Modem預留一個I／O口。
定時器，選用Timer8用戶模塊(8位減計數(shù)型)，占用一PSoC數(shù)字模塊；一定時器周期設定為變頻器“工／變頻切換”的時間值；一定時器周期取最大值，以用于流量累計。
OSC振蕩器全部選定用內部模塊，外圍不再配備晶體。啟用內部看門狗和實時時鐘(RTC)功能。
確定采用4個中斷：壓力轉換中斷(11AD_ISR)、鍵盤操作中斷(6AD—ISR)、工／變頻切換中斷(Tliner8—ISR)、串行接收中斷(Uart_ISR)。 中斷優(yōu)先級編排如下：11AD_ISR、Timer8_ISR、6AD_ISR、Uart_ISR。
打開PSoC Designer IDE應用軟件，選用CY8C26443器件，指定編程語言(匯編或C語言)，創(chuàng)建項目工程；在軟件的器件編輯器窗口中，按上述選擇，配置各個用戶模塊。本設計共使用8個PSoC數(shù)字模塊、5個PSoC模擬模塊、24個I／O口。器件編輯器的使用，大多是圖形和文本選擇操作，十分簡易直觀，這里不再贅述。
用戶模塊配置完成后，在IDE環(huán)境中，點擊“GenerateApplication Files”按鈕，產生boot．sam和PSoCconfig．asm文件，并生成應用程序接口函數(shù)(APl)與中斷服務程序、主程序框架文件，以便填寫應用代碼、編制用戶程序。
boot．sam和PSoCconfig．asm文件，是所有程序的基礎，boot．sam文件定義了系統(tǒng)啟動和執(zhí)行的次序，PSoCconfig．asm文件包含了進入系統(tǒng)的配置。
4．2 軟件設計的整體構思
主程序完成初始化設置并循環(huán)采樣溫度、壓力、差壓，選擇適當量程計算流量并累計、存儲與顯示。
壓力轉換中斷程序(11AD_ISR)據(jù)壓力實測值與要求值，確定變頻加／減速和工／變頻轉換中斷的啟停。
鍵盤操作中斷(6AD_ISR)，識別操作的按鈕，進行參數(shù)預置、狀態(tài)顯示、記錄查看等。
工／變頻切換中斷(Timer8a_ISR)，完成指定端口的工頻與變頻的切換，并設置相關標記。
串行接收中斷(Uart_ISR)，連接PC或做遠程通信。
在PSoC Designer IDE環(huán)境的應用程序編輯器窗口中編制程序，編譯所有文件，生成可下載或仿真的．rom文件。
4．3 軟件仿真與測試
使用Cypress的PSoC仿真器(1CE)及其Designer IDE調試器窗口環(huán)境，進行程序仿真和測試。重點說明兩點：
(1)斷點調試和動態(tài)事件點調試
斷點調試，與很多常用器件調試工具功能類似，在此不再贅述，著重說明動態(tài)事件點調試。動態(tài)事件點調試是Cypress很有特色的工具。動態(tài)事件點是定義的可滿足許多條件的復雜斷點，可控制調試在動態(tài)事點到來時停止、開／關跟蹤文件或觸發(fā)一外部引腳。使用動態(tài)事件點調試，可觀察到很多斷點調試得不到的程序邏輯設計錯誤。
(2)各個程序段執(zhí)行時間的調試
關掉所有中斷，測定主程序中流量計算循環(huán)程序的執(zhí)行時間；一次開放一個中斷，測定每個設計中斷的執(zhí)行時間。適當設置斷點，正常執(zhí)行程序，測定每個中斷與主程序流量計算循環(huán)的執(zhí)行周期。
PSoC單片機的各種中斷功能能很好地滿足現(xiàn)代嵌入應用，這里構建一個基于PSoC單片機的實時操作系統(tǒng)(RTOS)的雛形，是有任務中斷的單調比例調度類型。因此，可以在無法預知軟件整體邏輯設計是否滿足工業(yè)測控實際的情況下，用有任務中斷的單調比例調度的條件要求和上述測量時間值，在理論上，去恒量一下軟件整體邏輯設計的合理性，并進行適當調整。
有任務中斷的單調比例調度的條件公式：
式中，n是最大任務數(shù)，E是任務j的執(zhí)行時間，P是任務j的周期，B是任務j的阻塞時間。
4．4 程序的ISSP下載
PSoC單片機支持在系統(tǒng)串口編程(1SSP)，可以通過UART串口，輕易完成程序的ISSP下載。PSoC單片機Flash中內含不能被覆蓋的ISP例程，只要復位重啟時硬件電路的ISP例程觸發(fā)按鈕有效，PSoC單片機就轉而ISSP編程操作。完成ISSP后，器件自動從Flash的0x0址處執(zhí)行用戶代碼。ISSP例程的觸發(fā)，即將器件PO．5口有效上拉。
4．5 軟件設計的注意事項
(1)SRAM空間的分配：用戶模塊配置信息、編程變量參數(shù)、上下文切換堆棧等，都占用SRAM空間。SRAM空間只有256B，雖然比傳統(tǒng)MCS51單片機擴大了一倍，但還是十分有限。一定要合理選好開辟堆棧空間的大小和位置，以避免極端情況下程序跑飛。
(2)看門狗的使用：為防程序“跑飛”或“死機”。程序中，要及時“喂狗”(清零看門狗計數(shù)器)。關閉看門狗，調試好各個程序段，然后再打開看門狗調試。
(3)11位AD用戶模塊的動態(tài)配置：輪流采樣現(xiàn)場壓力、溫度、差壓信號，AD轉換器通常定位在壓力通道不斷地采樣壓力信號，并在AD轉換中斷中完成變頻調速控制，只有在需要時才切換到溫度或差壓通道采樣。信號通道的切換，采用動態(tài)用戶模塊配置完成，即在需要時改變用戶模塊配置寄存器值，定向到需要的信號通道。
使用PSoC單片機CY8C26443組成燃氣測控系統(tǒng)，以一個28Pin微控器加上極少外圍器件，成功地把“變頻輸配控制與大流量范圍燃氣計量”合二為一，構成電路簡單，免除了芯片選型和搭建復雜外圍電路之煩，明顯地增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性，降低了生產成本。應用所提供的開發(fā)工具，直接為設計生成API函數(shù)，屏蔽了繁瑣的寄存器操作，方便了對器件內部資源的調用，大大縮短了項目開發(fā)時間。同時因PSoC單片機CPU速度的自增強，系統(tǒng)的數(shù)學運算功能明顯提高，工業(yè)測控的實時性更強了。