基于MSP430單片機的城市燃氣監(jiān)測系統(tǒng)設計

王 睿,余有靈

(同濟大學 電子與信息工程學院,上海200092)

遠程測控終端RTU(Remote Terminal Unit)是SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition)系統(tǒng)的基本組成單元,是對分布距離遠、生產單位分散的生產系統(tǒng)的一種數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)，目前在工業(yè)領域有著日益廣泛的應用前景。但是與之相對應的城市燃氣領域由于技術的滯后和應用特點與RTU有著極大的不同,所以并無類似的產品。本設計就是基于這一前提，針對城市燃氣系統(tǒng)開發(fā)的燃氣監(jiān)測系統(tǒng),具有與RTU類似的功能，但是大幅度降低成本，適合在城市燃氣領域廣泛地應用。同時，本設計將國際新興的功能安全理念引入設計中，填補了國產控制系統(tǒng)在這一領域的空白。

1 系統(tǒng)整體設計思路

系統(tǒng)主要由AD采樣單元、中央處理單元、GPRS信號遠傳單元和本安供電單元構成,如圖1所示。系統(tǒng)接收來自氣體流量計傳輸?shù)? mA～20 mA信號,該信號經過AD采樣傳輸給中央處理單元轉化為數(shù)字信號，再通過數(shù)字遠傳單元傳輸給遠端的中央控制系統(tǒng)。

2 本安供電單元的設計

本安供電單元為一個多路本安電源，如圖2所示。將220 VAC的市電經過整流濾波變成中央處理單元、GPRS數(shù)字信號遠傳單元、AD采樣單元以及現(xiàn)場流量計所需要的供電電源。

由于該系統(tǒng)要應用于有防爆要求的燃氣監(jiān)測系統(tǒng)，所以系統(tǒng)整體有防爆要求。目前國內應用于燃氣領域的防爆方式經常混合使用本安防爆和隔爆(防爆標志通常為Exd II ia)，本系統(tǒng)采用設計要求更高的本安防爆（防爆標志EX II ia)設計。

本安防爆限能模塊由齊納二極管、功率電阻以及保險絲組成，如圖3所示。由于絕大多數(shù)流量計使用24 VDC供電，考慮一定的供電余量，最大配電電壓選擇30 V。

按照《GB3836.4-2010爆炸性環(huán)境 第 4部分：由本質安全型“i”類保護的設備》[1]中對于本安電路電壓和電流的相關要求，參考最小點燃曲線(如圖 4所示)，有 4種選擇:I類設備、II類A/B/C型設備。I類設備對應礦井甲烷，IIC類設備對應氫氣，在這里為了有更廣泛的適應性，能夠給流量計更寬泛的供電能力，選擇IIA類，可以得到最小點燃電流400 mA。依據(jù)這一數(shù)據(jù)選擇相應的齊納管和限流電阻。

對于每一個配電支路，為了確保在故障狀態(tài)下不會因為長時間的過電壓或者過電流造成設備損壞或者本安限能電路失效，還需要增加保險絲，將限流水平選擇在超過400 mA時瞬間熔斷作為選擇標準。

3 AD采樣單元電路設計

由于MSP430單片機自帶16 bit ADC，因此無需再選擇其他ADC芯片，采樣頻率取100 Hz。為了減小電路帶來的誤差,直接通過一個 100 Ω、精度 0.1%的采樣電阻將采集到的4 mA～20 mA電流轉化為0.4 V～2 V的直流電壓經過ADC采樣給中央處理單元。整個系統(tǒng)的誤差主要受采樣電阻的精度影響，經過調整可以保證在0.1%F.S的水平。

4 中央處理單元電路設計

中央處理單元主要由MSP430單片機最小系統(tǒng)構成，包括電源電路、復位電路。此外,還需要JTAG調試電路、液晶顯示電路(MSP430F4XX系列自帶液晶驅動電路)以及一個4×4的鍵盤。

5 GPRS數(shù)據(jù)遠傳模塊電路設計

MC35I是Siemens公司推出的新一代無線通信GPRS模塊,可以快速安全可靠地實現(xiàn)系統(tǒng)方案中的數(shù)據(jù)、語音傳輸、短消息服務(Short Message Service)和傳真。模塊的工作電壓為3.3 V～4.8 V,可以工作在900 MHz和 1800 MHz兩個頻段,所在頻段功耗分別為 2 W(900 MHz)和1 W(1 800 MHz)。

MCI35模塊主要由GSM基帶處理器、GSM射頻模塊、供電模塊(ASIC)、閃存、ZIF連接器、天線接口六部分組成。作為MC35i的核心，基帶處理器主要處理GSM終端內的語音、數(shù)據(jù)信號，并涵蓋了蜂窩射頻設備中的所有的模擬和數(shù)字功能。在不需要額外硬件電路的前提下，可支持 FR、HR和 EFR語音信道編碼[2]。其電路結構如圖5所示。

MCI35模塊需要在電源電路、啟動電路、數(shù)據(jù)通信電路和SIM卡電路的支持下才能工作，由于MCI35與中央控制單元的通信通過串口完成，因此還需要一個MAX3238為核心的串口通信電路與MSP430單片機的USCI串行通信電路相連。

在GPRS模塊的支持下,系統(tǒng)可以有效地完成短消息收發(fā)、GPRS數(shù)據(jù)傳輸,甚至語音通信。

6 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)的軟件主要由上位機軟件和下位機軟件組成。上位機主要包括人機界面、調試模塊、檢驗模塊、數(shù)據(jù)顯示和報警模塊;下位機軟件主要包括JTAG通信模塊、GPRS通信模塊和控制模塊。上位機軟件可以在Visual Studio 2005中的Visual Basic2005集成開發(fā)環(huán)境下完成;下位機軟件主要在IAR Embedded Workbench for MSP430 v.5.40 Evaluation version環(huán)境下開發(fā)。流程圖如圖6所示。

圖6 軟件設計流程

7 基于本系統(tǒng)的功能安全討論

國際電工委員會(IEC)的標準IEC61511定義了一種有別于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的安全儀表系統(tǒng)(簡稱SIS)[3],專用于各種危險場合來避免系統(tǒng)發(fā)生危險或者減小危險發(fā)生時對于人和環(huán)境的危害，近年來，這種系統(tǒng)有和傳統(tǒng)控制系統(tǒng)融合的趨勢。在本設計中，可以基于這一考慮，在之前的各項設計的基礎上增加一個安全聯(lián)鎖控制模塊,以提高系統(tǒng)整體的安全性。

在流量計的各個配電電路中增加一個繼電器，系統(tǒng)關停時繼電器開路。當系統(tǒng)完成自檢后，繼電器閉合，流量計開始工作。當檢測到燃氣流量異常時,首先進入報警，當流量計檢測到流量超過安全上限后，切斷流量計電源;當流量計處于短線狀態(tài)時，也切斷流量計電源并報警。

除了電路上的安全聯(lián)鎖之外,依據(jù)IEC61508及IEC61511的相關要求對系統(tǒng)進行可靠性分析。為了進一步提高系統(tǒng)的可靠性和容錯性，還要進行額外的故障插入測試,以避免由于誤操作可能帶來的隱患。

此外，依據(jù)IEC61000的要求，還要對系統(tǒng)進行電磁兼容性相關測試，以提高系統(tǒng)的可應用性。對于南方雷電多發(fā)區(qū)以及擁有大功率用電設備(比如電動機、發(fā)電機)的場合，其電磁環(huán)境復雜，如果沒有良好的電磁兼容設計和相關測試，無法保證系統(tǒng)達到安全儀表系統(tǒng)所需要的安全等級。此外，依據(jù)IEC61000標準，在進行印刷電路板設計時也要遵循標準所涉及的各項制版要求。

本系統(tǒng)滿足以上各項設計要求，功能全面、價格經濟，安全性和可靠性較為突出，相比目前廣泛使用的非集成燃氣監(jiān)控系統(tǒng)有著更好的應用前景。如果換用更為強大的32位單片機，進一步豐富功能模塊(例如RS485通信電路、網絡接口以及現(xiàn)場控制模塊),可以全面替代目前使用的基于PLC的RTU，廣泛的應用于民用和工業(yè)現(xiàn)場。

[1]GB3836.4-2010爆炸性環(huán)境 第四部分:由本質安全型“i”類保護的設備[S].中國國家標準化管理委員會,2010.

[2]曲廣強，李丹，常國權.GPRS無線通信模塊MC35I及其外圍電路設計[J].Journal Of Northeast Dianli University Science Edition,2006,26(2):80-82.

[3]張建國.安全儀表系統(tǒng)在過程工業(yè)中的應用[M].北京：中國電力出版社,2010.