摘 要: 介紹了PSoC" title="PSoC">PSoC單片機實現的燃氣變頻輸配與精確計量。從硬軟件設計的簡潔易用性、系統的穩定可靠性、開發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勢。
關鍵詞: PSoC 變頻輸配 測量控制 流量計算
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的一器多控自動變頻調速輸配系統廣為應用，有力地提高了計量精度并節約了大量的能源。但是用“單板機/單片機+外圍器件”計量燃氣，系統復雜，穩定性差；用工控機變頻輸配燃氣，造成資源浪費。從提高系統穩定可靠性、簡化硬軟件設計、降低產品成本等角度出發，結合現代科學技術的發展，非常需要一種構成系統簡單、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" title="CY8C25xxx">CY8C25xxx/26xxx，片內有一個高速內核、Flash快速閃存和SRAM數據內存，以及設計者可配置的模擬模塊和數字模塊：
(1)CPU內核,8位哈佛結構,速度可達24MHz;且含一乘加器MAC,能執行帶符號8×8乘法和32位加法運算;
(2)4～16KB片內Flash閃存及256B SRAM,可通過串口在系統編程(ISSP)Flash閃存，Flash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；
(4)8個數字模塊可靈活配置成定時/計數器、脈寬調制器(PWM)、循環冗余校驗塊(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/電平觸發的中斷輸入或Smith觸發器TTL輸入；
(6)專用的中斷控制器，2級中斷優先級，中斷源：通用I/O、電源監控單元、Sleep定時器、8個PSoC數字模塊和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)配套的低廉開發工具：在線仿真器、評估板和集成開發環境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。
PSoC系列單片機將傳統的單片機系統集成在一顆芯片里，用戶模擬和數字陣列的可配置性是其最大特點。
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T、P、ΔP、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、氣體壓縮系數、介質粘度、d/D、密度、流速系數、流出系數、管道雷諾數、流量。
3 PSoC單片機測控系統的構建
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)數據采集,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點陣模塊顯示狀態參數、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)存儲關鍵性數據,采用串行E2PROM;外界通信采用異步串行接口UART，并以此實現在系統串行編程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,這里選用CY8C26443(28 Pin 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,用以實現參數輸入、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A/D轉換特點和常用電阻規格系列確定。
3.3 一器多控變頻電路的設計
該部分電路用以實現“手動/自動變頻”和“工頻/變頻狀態的切換”。這里選用日本富士FRN75P11S- 4CX風機專用變頻器,切換電路采用傳統的接觸器-繼電器控制。變頻加/減速,手動控制通過一個1～5kΩ的可調電阻器實現;自動控制通過0~5V的DC變化輸入實現。構成如圖4所示。
3.4 信號的輸入與輸出
設計系統應用在燃氣行業,安全防護十分重要。壓力、溫度、差壓信號的采集,現場的一次儀表全部采用一體化防曝類型,現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,與現場控制器件隔離。
4 PSoC單片機測控系統的設計
4.1 PSoC單片機的資源使用與配置
11位A/D轉換器，選用DelSig11用戶模塊(Δ-Σ型A/D)，占用一PSoC模擬模塊、一PSoC數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顯示驅動協議，占用7個I/O口，驅動顯示2×16個8×8點陣字符。
E2PROM，選用E2PROM用戶模塊。這是使用內部Flash memory模擬的E2PROM，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位減計數型),占用一PSoC數字模塊;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(Timer8_ISR)、串行接收中斷(Uart_ISR)。中斷優先級編排如下：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環境中,點擊'Generate Application Files'按鈕,產生boot.sam和PSoCconfig.asm文件,并生成應用程序接口函數(API)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文件定義了系統啟動和執行的次序，PSoCconfig.asm文件包含了進入系統的配置。
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，進行參數預置、狀態顯示、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(ICE)及其Designer IDE調試器窗口環境,進行程序仿真和測試。重點說明兩點：
(1)斷點調試和動態事件點調試
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,著重說明動態事件點調試。動態事件點調試是Cypress很有特色的工具。動態事件點是定義的可滿足許多條件的復雜斷點,可控制調試在動態事點到來時停止、開/關跟蹤文件或觸發一外部引腳。使用動態事件點調試,可觀察到很多斷點調試得不到的程序邏輯設計錯誤。
(2)各個程序段執行時間的調試
關掉所有中斷，測定主程序中流量計算循環程序的執行時間；一次開放一個中斷，測定每個設計中斷的執行時間。適當設置斷點，正常執行程序，測定每個中斷與主程序流量計算循環的執行周期。
PSoC單片機的各種中斷功能能很好地滿足現代嵌入應用，這里構建一個基于PSoC單片機的實時操作系統(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，E是任務j的執行時間，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單片機支持在系統串口編程(ISSP),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址處執行用戶代碼。ISSP例程的觸發,即將器件P0.5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、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用戶模塊的動態配置：輪流采樣現場壓力、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,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,明顯地增強了系統的穩定可靠性，降低了生產成本。應用所提供的開發工具,直接為設計生成API函數,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時間。同時因PSoC單片機CPU速度的自增強,系統的數學運算功能明顯提高,工業測控的實時性更強了。
參考文獻
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