采用MSP430与PROFIBUS总线构建监测子站
在电力、钢铁、石油、化工等行业中，有着大量的减速机、风机、泵站等机械设备，些设备如果在带病状态下工作，会大大缩减其使用寿命，影响生产，给企业带来经济损失。传统上依靠工作员耳听、手摸的方法发现存在的隐患，受现场环境和诊断者经验的制约，常常会出现漏诊、误诊的现象。同一台设备的两次检查时间间隔较，也不利于异常情况的及时发现。因此，工厂的在线监测就显得十分重要。
减速机常见的驱动设备之一，其工作是否异常的重要参数是：振动情况、轴承温度、输出轴转速、电机电流、电压等。通过振动信号，可以知道齿轮啮合、动平衡是否正常；通过轴承温度，可以知道轴承的间隙、润滑是否良好；通过输出轴的转速和电机电流，可以知道是否过载。子站的主要功能是监测、处理，数据上传，超限报警。
1. 总体结构
分布式监控系统一般是在监控中心布置主站，在各个监控点布置子站，通过总线结构将主站和子站连接起来（图 1）。子站将各个传感器的信息采集处理后，将一部分重要数据显示在子站的显示设备上，同时将所有数据通过总线上传给主站，主站将各个子站上传的信息分析处理后显示给运行监控人员，实现了对大范围运行设备的在线监测。
系统采用德州仪器的msp430f149作为控制器，通过simens公司的spc3芯片实现与profibus-dp总线连接。选用标准4～20ma电流信号输出的振动传感器，电机的电流、电压通过转换实现0～3v输出。在轴承位置安装ds18b20温度传感器，实现对轴温的监控（减速机工作的正常温度为50～60℃，一般滚动轴承工作不能超过95℃）。输出轴上安装脉冲输出的转速传感器。msp430f149 将以上运行信号采集处理后，通过lcd显示，同时上传到总线，向主站报告该子站的运行状况。
2. 相关介绍
2．1 msp430f149微控制器
msp430f149是ti公司生产的一种超低功耗、混合信号16位控制器，工作电压1.8~3.6v。该单片机具有丰富的外围功能，内部集成多通道12位a/d转换器、硬件乘法器、60kb的flash和2kb的ram，运行环境温度范围为-40℃～+85℃，可以适应各种恶劣的环境，非常适合作为现场监测的终端控制器。
2．2 profibus-dp现场总线
profibus是一种不依赖生产厂家的、开放式的现场总线，是目前际上通用的现场总线标准之一，以其独特的技术特点、严格的认证规范、开放的标准、众多厂商的支持和不断发展的应用行规，已被纳入现场总线的国际标准iec61158和欧洲标准en50170，并于2001年被定为我国的国标jb/t10308.3-2001。profibus-dp（decentralized periphery，分布式外围设备）主要用于自动化系统中单元级控制系统与分散式通信，使用第1层、第2层和用户接口层，其余3～7层未使用，这种精简的结构确保了高速数据传输。
2．3 spc3协议专用芯片
profibus-dp物理层是rs-485，但通信协议比较复杂。spc3是siemens公司的专用协议芯片，使用该芯片后可以将复杂的协议撇开。spc3集成了dp协议中的fdl层，因为spc3集成了完整的dp总线协议，所以在与主站通信时，单片机使用spc3芯片就像操作内部ram，使从站控制器的编程工作量大为减轻。spc3保障报文的有效性，可满足整个报文的一致性数据交换。总线接口是个可参数化的同步/异步8位接口，内部集成了1.5k的双口ram，整个ram采用8字节的段结构方式，所有需要分配地址的buf指针，必须指向段的开头。dp通信的服务存取点由spc3自动建立，各种报文信息呈现在用户面前的是不同buf的内部数据。
3. 系统硬件设计
系统的硬件主要由键盘、显示模块、通信模块、系统测量模块组成。采用3×3行列扫描键盘可以大大节省i/o口的占用。128×64点阵图形lcd可以显示大量信息。为了保存一些设定的参数和运行数据，选用microchip公司生产的串行存储器芯片24lc02b，它采用i2c总线接口，以256个字节为单位组成一块，页写缓冲区高达8个字节，1百万次擦写。通信模块由spc3芯片及外围电路组成，由于spc3采用的是5v供电，而msp430f149采用3.3v供电，在硬件设计中要考虑3.3v逻辑系统和5v逻辑系统共存，器件对加到输入脚或输出脚的电压通常是有限的，这些引脚由二极管或分离元件接到vcc，为了避免元器件的损坏和数据的丢失，采用专用的电平转换器sn74lvcc4245a芯片，它是一个8bit宽度的双向i/o电平转换器，bus b为3.3v数据，bus a为5v数据连接spc3芯片，其中dir决定数据方向。spc3中断信号x/int通过电平转换后送入p1.6，为单片机提拱通信中断信号。为了提高通信的抗干扰性，spc3的内部电路必须与物理接口在电器上隔离，采用高速光耦hcpl7101和sn75asl176d收发器保障了profibus总线通信的高可靠性。
轴温测量采用美国dallas公司生产的单总线数字式温度测量芯片的ds18b20，工作电压3.0v~5.5v，测温范围为-55℃~+125℃，具有总线结构，通过p2.0就可以实现对8个温度传感器信号的采集。
4. 系统软件设计
系统上电后，首先要对spc3和lcd进行初始化，配置寄存器。主程序中根据中断请求分别调用信号采集、键盘显示和通信程序。
4．1 状态信号采集
信号采集程序的调用是由定时器中断产生的，由于监测系统不参与实时控制，同时为了避免总线上大量数据的传输，每2秒产生一次中断，执行信号采集。状态信号经过外部电路转换后，进入msp430单片机时都为模拟电压信号，在程序上主要是a/d转换和滤波。对于温度传感器，由于是采用总线连接，对应不同的地址，调用8次读温度子程序，刷新温度缓存器中的数值，等待显示程序和通信程序的调用。转速测量采用定时器及中断计数的方法。
4．2 键盘显示
键盘采用行列扫描方式，当有按键动作时，产生中断信号，执行参数设定、显示、翻页等程序。lcd显示模块内部含有字库，因此不需要进行字模的编写。初始化完成后，定时向显示缓存区送出要刷新的数据。
4．3 通信接口
通信接口软件在系统中较为重要，包括三部分：spc3初始化、输入处理和输出处理。spc3上电后首先要进行一次初始化，设定spc3寄存器变量名称、硬件模式、地址及标识号、各个buf地址及长度、取得buf指针。当spc3产生信号给p1.6时，cpu产生中断，执行输入处理程序，获得总线上的指令和数据。子站在执行状态信号采集后，执行一次数据输出处理，向总线发送该子站的状态参数。
4．4 gsd文件
编写标准的gsd文件后，该子站就可以作为标准profibus设备使用，为各种不同的厂家所识别（系统主站为siemens plc-300）。gsd文件包括厂商和设备名称、软硬件版本号、波特率、监控时间间隔和从站设备通道数量、类型等等。
5. 结束语
基于msp430f149及profibus-dp总线的减速机在线监测系统，具有测量参数多、精度高，显示灵活，传输距离远，抗干扰能力强等优点。在同等监测标准下，成本远低于其它监测系统。本文以减速机为实例，阐述了具有总线结构的分布式状态监测子站的构建，在电力、石油、化工等领域中具有推广价值。
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1. 总体结构
分布式监控系统一般是在监控中心布置主站，在各个监控点布置子站，通过总线结构将主站和子站连接起来（图 1）。子站将各个传感器的信息采集处理后，将一部分重要数据显示在子站的显示设备上，同时将所有数据通过总线上传给主站，主站将各个子站上传的信息分析处理后显示给运行监控人员，实现了对大范围运行设备的在线监测。
系统采用德州仪器的msp430f149作为控制器，通过simens公司的spc3芯片实现与profibus-dp总线连接。选用标准4～20ma电流信号输出的振动传感器，电机的电流、电压通过转换实现0～3v输出。在轴承位置安装ds18b20温度传感器，实现对轴温的监控（减速机工作的正常温度为50～60℃，一般滚动轴承工作不能超过95℃）。输出轴上安装脉冲输出的转速传感器。msp430f149 将以上运行信号采集处理后，通过lcd显示，同时上传到总线，向主站报告该子站的运行状况。
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