專利名稱：一種基于Profibus－DP現(xiàn)場總線的同步電機狀態(tài)檢測儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種電機狀態(tài)的檢測裝置，具體地說，是指一種基于Profibus-DP現(xiàn)場總線的同步電機狀態(tài)檢測儀。本實用新型檢測儀能夠?qū)崿F(xiàn)對同步電機的溫度和開關(guān)量輸入狀態(tài)的檢測功能，并且能夠?qū)z測得到的同步電機狀態(tài)信息經(jīng)Profibus-DP現(xiàn)場總線傳送給主站進行數(shù)據(jù)處理。
背景技術(shù)：
隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，信息交換的范圍正迅速覆蓋從工廠的管理、控制到現(xiàn)場設(shè)備層的各個層次，并逐步形成了全分布式網(wǎng)絡(luò)集成自動化系統(tǒng)和以此為基礎(chǔ)的企業(yè)信息系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線就是順應(yīng)這種發(fā)展趨勢而發(fā)展起來的新技術(shù)。
Profibus-DP是一種國際化、開放式和不依賴于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，廣泛適用于制造業(yè)自動化、樓宇自動化、交通管理自動化、過程自動化、電力工業(yè)和電力輸送等領(lǐng)域自動化，是現(xiàn)階段使用最頻繁的通信行規(guī)。
傳統(tǒng)的同步電機狀態(tài)檢測設(shè)備是將現(xiàn)場信號檢測到以后，通過有線形式傳輸給處理單元(如單片機、中心處理器)進行處理，然后處理單元將處理后的相關(guān)信息輸出或者進行控制輸出。檢測設(shè)備對電機工作狀態(tài)采用分散式管理，對綜合管理系統(tǒng)設(shè)備帶來了不便。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服分散式管理電機工作狀態(tài)存在的缺陷，本實用新型提供一種基于Profibus-DP現(xiàn)場總線的同步電機狀態(tài)檢測儀，所述檢測儀通過Profibus-DP現(xiàn)場總線與單片機、現(xiàn)場總線協(xié)議芯片之間的組合實現(xiàn)將同步電機狀態(tài)信息傳輸給主站進行處理，有利于系統(tǒng)設(shè)備的綜合管理與控制，并且能夠與其它支持Profibus-DP協(xié)議的設(shè)備實現(xiàn)系統(tǒng)集成。
本實用新型的一種基于Profibus-DP現(xiàn)場總線的同步電機狀態(tài)檢測儀，包括單片機、單片機外圍電路、現(xiàn)場總線協(xié)議芯片、與Profibus-DP現(xiàn)場總線實現(xiàn)通訊傳輸?shù)耐ㄓ嵔涌陔娐?、電機的開關(guān)量輸入檢測電路和電機工作狀態(tài)的溫度檢測電路。所述電機的開關(guān)量輸入檢測電路的4個開關(guān)量輸出端與單片機連接；所述電機工作狀態(tài)的溫度檢測電路的10個溫度狀態(tài)信息輸出端與單片機連接；現(xiàn)場總線協(xié)議芯片的兩端分別與單片機和通訊接口電路連接，通訊接口電路的另一端與Profibus-DP現(xiàn)場總線連接，單片機外圍電路與單片機連接。
所述的同步電機狀態(tài)檢測儀，其電機的開關(guān)量輸入檢測電路包括外部開關(guān)量信號DI0通過一個限流電阻R79A接到光電隔離芯片U13A的1管腳，U13A的2管腳接二極管D3的陽極，二極管D3的陰極接24V電源地；U13A的15管腳接數(shù)字地，U13A的16管腳接上拉電阻R80A后與擴展接口芯片U4的18管腳連接。
所述的同步電機狀態(tài)檢測儀，其電機工作狀態(tài)的溫度檢測電路包括VREF為2.5V參考電壓信號，該信號通過兩個運算放大器U26A、U26B和電阻元件R94A、R94B、R94C和R94D輸出1mA恒流電流。TOA為熱電阻三線制接線端子，電阻信號通過運放電路后可以抵消連接導(dǎo)線電阻，即運放U26C輸出信號為熱電阻端電壓，該信號經(jīng)過電阻R35、電容C45、電阻R36、電容C44的濾波作用，再經(jīng)過運放U26D的放大作用，輸送給A/D轉(zhuǎn)換芯片U17。
本實用新型檢測儀的優(yōu)點同步電機開關(guān)量狀態(tài)檢測準(zhǔn)確無誤，自動消除機械抖動；溫度狀態(tài)測量精度高；檢測速度快；具有Profibus-DP現(xiàn)場總線通信功能，是一種開放的同步電機狀態(tài)檢測儀。


圖1是本實用新型檢測儀的結(jié)構(gòu)框圖。
圖2是單片機及單片機外圍電路的電路原理圖。
圖2A是單片機外配的存儲器。
圖3是DIP開關(guān)與電機開關(guān)量檢測電路原理圖。
圖3A是開關(guān)量輸入檢測電路原理圖。
圖4是電機溫度狀態(tài)檢測電路原理圖。
圖4A是溫度檢測電路原理圖。
圖5是現(xiàn)場總線協(xié)議芯片電路原理圖。
圖6是通訊接口電路的電路原理圖。
具體實施方式
下面將結(jié)合附圖對本實用新型作進一步的詳細說明。
請參見圖1所示，本實用新型是一種基于Profibus-DP現(xiàn)場總線的同步電機狀態(tài)檢測儀，它由單片機、單片機外圍電路、現(xiàn)場總線協(xié)議芯片、與Profibus-DP現(xiàn)場總線實現(xiàn)通訊傳輸?shù)腞S485通訊電路、以及電機的開關(guān)量輸入檢測電路和電機工作狀態(tài)的溫度檢測電路組成。VPC3+C為Profibus現(xiàn)場總線協(xié)議芯片，其一端與單片機相連，另一端與RS485驅(qū)動電路相連；單片機外配的一個EEPROM用于存儲一些重要參數(shù)；DIP撥碼開關(guān)用于設(shè)置檢測儀的從站地址；板上還有74HCT573鎖存器、看門狗復(fù)位電路和指示燈等單片機的外圍電路。電源電路提供5V電源。本實用新型的檢測儀的工作原理單片機接收開關(guān)量輸入檢測電路輸出的4個開關(guān)量信號，單片機接收溫度檢測電路輸出10個電機工作溫度狀態(tài)信號，單片機對接收的所述4個開關(guān)量信號和所述10個電機工作溫度狀態(tài)信號進行控制輸出電機狀態(tài)信息，所述電機狀態(tài)信息經(jīng)RS485通訊電路傳輸至Profibus-DP現(xiàn)場總線上。由Profibus-DP現(xiàn)場總線將所述電機狀態(tài)信息傳輸至主站進行綜合管理和控制處理。
在本實用新型中，構(gòu)成檢測儀的電路板中的各單元將通過下列表來說明其連接關(guān)系，各個芯片上的管腳非特指，一般為常規(guī)方式連接。
一、單片機及單片機外圍電路在本實用新型中，單片機U3P89C58是內(nèi)部集成32K字節(jié)FLASH程序存儲器的51系列單片機，采用的是貼式PLCC封裝的芯片，便于本實用新型固件的升級。P89C58為板上核心處理器。P89C58及外圍電路如圖2所示。時鐘選用的是24MHZ無源晶振；由于該單片機為低8位地址線與數(shù)據(jù)線復(fù)用，用74HCT573作為低8位地址鎖存器；62256為32K外部擴展數(shù)據(jù)RAM；P89C58的P3.4、P3.5管腳接串行EEPROM的SCL和SDA管腳，P1.7管腳接看門狗復(fù)位電路的MAX705的WDI管腳，P1.0、P1.1、P1.2、P3.0接指示燈限流電阻的一端，INT0和INT1分別接TLV2543的EOC輸出信號和VPC3+C的9管腳，P1.3、P1.4、P1.5、P1.6均接到TLV2543相應(yīng)管腳上，復(fù)位腳接看門狗復(fù)位電路，TXD接VPC3+C的復(fù)位引腳，其余控制管腳接相應(yīng)外圍電路的各控制管腳。看門狗復(fù)位電路采用專用看門狗復(fù)位芯片MAX705，此芯片本身能獨立工作，基本上不依賴于單片機，單片機只在一個固定的時間間隔內(nèi)與其打一次交道，表明整個系統(tǒng)“目前尚屬正?！?，在本實用新型中用單片機P89C58的P1.7口來做此項工作。如果P1.7口長時間不與MAX705打交道，即不給MAX705發(fā)變化的電平，即可判斷單片機工作已不正常，MAX705即向單片機復(fù)位端發(fā)送復(fù)位信號，復(fù)位單片機，保證整個系統(tǒng)的正常運行。為了存儲檢測儀在運行時的一些重要參數(shù)，采用外配一個128字節(jié)的串行EEPROM24C01，存儲器24C01的管腳6、5即SCL、SDA管腳分別接P89C58的P3.4、P3.5，除電源以外其余管腳均接地。存儲器電路原理圖見圖2A所示。
指示燈電路如圖2所示，接口卡上共設(shè)有5個指示燈，D1為電源指示指示燈，指示燈D2為指示模塊處于在線狀態(tài)，指示燈D3為指示模塊處于離線狀態(tài)，指示燈D4為現(xiàn)場總線的診斷狀態(tài)，指示燈D19用于指示接口卡的運行狀態(tài)，當(dāng)對VPC3+C現(xiàn)場總線芯片進行檢查時，錯誤指示燈為紅色，頻率2Hz；當(dāng)對RAM進行檢查，錯誤指示燈為紅色，頻率1Hz。
二、電機的開關(guān)量輸入檢測電路和電機工作狀態(tài)的溫度檢測電路請參見圖3所示，外部開關(guān)量信號DI0通過一個限流電阻R79A接到光電隔離芯片U13A的1管腳，U13A的2管腳接D3的陽極，D3的陰極接24V電源地；U13A的15管腳接數(shù)字地，16管腳接上拉電阻R80A后與擴展接口芯片U4的18管腳連接。在本實用新型中，有4個開關(guān)量輸入，即有4個相同的開關(guān)量輸入檢測電路與擴展接口芯片U4的管腳連接，圖中所示，開關(guān)量輸入檢測電路輸出信號有電機油頂壓異常信號(定義為K1，且K1與擴展接口芯片U4的18管腳連接)、電機油壓潤滑異常信號(定義為K2，且K2與擴展接口芯片U4的19管腳連接)、電機通風(fēng)投入否信號(定義為K3，且K3與擴展接口芯片U4的20管腳連接)和集電環(huán)室冷卻風(fēng)機合位置信號(定義為K4，且K4與擴展接口芯片U4的21管腳連接)。與擴展接口芯片U4連接還有8位DIP撥碼開關(guān)，擴展接口芯片U4與單片機U3的連接為常規(guī)連接。
請參見圖4所示的溫度檢測電路，VREF為2.5V參考電壓信號，該信號通過兩個運算放大器U26A、U26B和電阻元件R94A、R94B、R94C和R94D輸出1mA恒流電流。TOA為熱電阻三線制接線端子，電阻信號通過運放電路后可以抵消連接導(dǎo)線電阻，即運放U26C輸出信號為熱電阻端電壓，該信號經(jīng)過電阻R35、電容C45、電阻R36、電容C44的濾波作用，再經(jīng)過運放U26D的放大作用，輸送給A/D轉(zhuǎn)換芯片U17。A/D轉(zhuǎn)換芯片U17選取TLV2543為12位的串行A/D轉(zhuǎn)換芯片，它將10路溫度檢測的轉(zhuǎn)換結(jié)果傳送到單片機P89C58中。在本實用新型中，溫度檢測電路有10片相同結(jié)構(gòu)的電路組成，且10路溫度檢測原理相同。本實用新型的同步電機溫度檢測單元的檢測對象是熱電阻PT100，當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時，PT100的阻值將發(fā)生變化，我們就是通過檢測PT100的阻值來確定PT100周圍環(huán)境的溫度值。其電機溫度狀態(tài)有定子U相的兩個溫度狀態(tài)TU1和TU2、定子V相的兩個溫度狀態(tài)TV1和TV2、定子M相的兩個溫度狀態(tài)TW1和TW2、電機進口溫度Ti、電機出口溫度TO、驅(qū)動側(cè)軸溫度TS1和非驅(qū)動側(cè)軸溫度TS2。首先我們利用一個2.5V的精密電壓基準(zhǔn)源和2個運算放大器，產(chǎn)生一個1mA的恒流源，PT100作為恒流源負載，這樣PT100電阻的變化就反映為PT100兩端電壓的變化，這樣我們就可以通過檢測PT100兩端的電壓來檢測溫度。
PT100的輸出電壓為mV級的，并很有可能帶有現(xiàn)場的干擾噪聲，首先對其進行濾波處理，然后利用運放將其信號放大，通過A/D轉(zhuǎn)換芯片傳送給單片機。
由于現(xiàn)場檢測點可能距離較遠，這就必須考慮引線電阻帶來的影響。在這里我們采用熱電阻三線制接法，假設(shè)三根引線電阻相同，那么三線制接法就可以將導(dǎo)線電阻的影響抵消。
三、VPC3+C協(xié)議芯片本實用新型的VPC3+C芯片是Profichip公司的帶有處理器接口的Profibus通信專用芯片，可以執(zhí)行Profibus-DP的信息和地址識別，數(shù)據(jù)的安全傳輸和協(xié)議的處理。另外，支持Profibus-DPV1和Profibus-DPV2擴展。VPC3+C芯片的總線接口是個可參數(shù)化的同步/異步8位接口，適合于Motorola和Intel的微控制器/處理器。DP通信的服務(wù)存取點(DP-SAPs)由VPC3+C芯片自動建立，各種報文信息呈現(xiàn)在用戶面前的是不同buffer的內(nèi)部數(shù)據(jù)，用戶可以通過總線接口訪問這些內(nèi)部數(shù)據(jù)。
由于本實用新型中處理器用的是51系列單片機，所以VPC3+C芯片的MODE(23)管腳接VCC，選擇數(shù)據(jù)地址線復(fù)用。INT/MOT(8)管腳接地，選擇Intel模式。時鐘管腳CLK即管腳5接48MHZ有源晶振的輸出管腳即3管腳。VPC3+C芯片內(nèi)部集成了地址鎖存器，將鎖存使能管腳ALE即24管腳接到單片機的ALE端，8位數(shù)據(jù)線也同時作為低8位地址線使用，接到VPC3+C芯片的DB0～DB7管腳。地址線的AB8、AB9、AB10分別接到VPC3+C芯片的AB0、AB1、AB2管腳。當(dāng)VPC3+C處于本發(fā)明所使用的工作方式時，管腳AB3～AB10全為低電平時，VPC3+C芯片才被選通，本發(fā)明中管腳AB4～AB10都接地，AB3接譯碼電路中74HCT138的Y0管腳，同時接上拉電阻，實際上AB3管腳提供VPC3+C芯片的片選信號。VPC3+C芯片的讀、寫、中斷管腳，即4、2、9管腳，分別接單片機的讀、寫、中斷1管腳，即19、18和15管腳。復(fù)位管腳36接單片機的13管腳，同時接上拉電阻。VPC3+C芯片的CS#管腳，即1管腳，接跳線J2的2管腳，通過跳線或者連到上拉電阻，或者連到地址線AB11，說明如下1-2:4KB模式，2-3:2KB模式，跳線不可懸空。VPC3+C芯片的TXD、RXD、RTS管腳，即26、30、27管腳，接到RS485驅(qū)動電路。CTS#即33管腳接下拉電阻。
四、通訊接口電路請參見圖5所示，通訊接口電路包括光電隔離電路及RS485驅(qū)動電路。RS485驅(qū)動電路選取DS75176芯片，光電隔離電路由三片光耦芯片組成，片選準(zhǔn)備信息隔離選取HCPL0601芯片，接收信息隔離選取HCPL0710芯片，發(fā)射信息隔離選取HCPL0710芯片。協(xié)議轉(zhuǎn)換電路的RTS管腳與片選準(zhǔn)備HCPL0601芯片連接，協(xié)議轉(zhuǎn)換電路的RXD管腳與接收信息HCPL0710芯片連接，協(xié)議轉(zhuǎn)換電路的TXD管腳與發(fā)射信息HCPL0710芯片連接，HCPL0601芯片的片選輸出端與接口JP2的4端連接，接收信息HCPL0710芯片的輸出端與RS485驅(qū)動電路DS75176芯片的1端連接，發(fā)射信息HCPL0710芯片的輸出端與RS485驅(qū)動電路DS75176芯片的4端連接，RS485驅(qū)動電路DS75176芯片的6、7兩端與JP2的3、8端連接。
本實用新型的軟件部分包括單片機軟件和設(shè)備數(shù)據(jù)庫GSD文件。下面分別具體說明。
本實用新型在單片機P89C58中運行，采用的是C語言編程方法，包括主程序和VPC3+C中斷程序。
主程序是單片機軟件的主線，主要任務(wù)是識別不同狀態(tài)下調(diào)用相應(yīng)的子程序處理模塊，并將它們聯(lián)系起來，形成一個有機的整體，從而實現(xiàn)對該同步電機狀態(tài)檢測裝置的全部管理功能。上電以后，單片機首先對板上硬件資源進行檢測，包括外部數(shù)據(jù)RAM，如果檢查硬件有問題，則點亮相應(yīng)指示燈報錯。硬件檢測完成通過后，先使能協(xié)議轉(zhuǎn)換電路VPC3+C中斷，等待應(yīng)用端的初始化從站參數(shù)，緊接著進行VPC3+C初始化，包括設(shè)置VPC3+C允許的中斷，寫入從站識別號和地址，設(shè)置VPC3+C方式寄存器，設(shè)置診斷緩沖區(qū)，參數(shù)緩沖區(qū)，配制緩沖區(qū)，地址緩沖區(qū)，初始長度，并根據(jù)以上初始值求出各個緩沖區(qū)的指針及輔助緩沖區(qū)的指針。根據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)長度，確定輸出緩沖區(qū)，輸入緩沖區(qū)及指針。在VPC3+C初始化完成后，如果配置正確，則使能VPC3+C中斷并啟動，然后進入主循環(huán)復(fù)位看門狗，輸入輸出數(shù)據(jù)處理，Profibus中斷事件處理，如果有外部診斷，可對診斷進行處理。中斷程序主要用來處理PRM報文0，CFG報文，SSA報文，完成微處理器對VPC3+C的中斷信號的反應(yīng)。
本實用新型的檢測儀作為Profibus-DP現(xiàn)場總線上的一個從站，擁有獨立的驅(qū)動程序，也就是所謂的GSD文件，以方便現(xiàn)場總線組態(tài)軟件對其識別、組態(tài)。本實用新型的GSD文件完全符合其標(biāo)準(zhǔn)，包含其名稱、版本號、支持的通訊波特率、同/異步傳輸、通訊字節(jié)數(shù)等信息。
權(quán)利要求1.一種基于Profibus-DP現(xiàn)場總線的同步電機狀態(tài)檢測儀，包括單片機、單片機外圍電路、現(xiàn)場總線協(xié)議芯片、與Profibus-DP現(xiàn)場總線實現(xiàn)通訊傳輸?shù)耐ㄓ嵔涌陔娐罚涮卣髟谟谶€包括電機的開關(guān)量輸入檢測電路和電機工作狀態(tài)的溫度檢測電路，所述電機的開關(guān)量輸入檢測電路的4個開關(guān)量輸出端與單片機連接；所述電機工作狀態(tài)的溫度檢測電路的10個溫度狀態(tài)信息輸出端與單片機連接；現(xiàn)場總線協(xié)議芯片的兩端分別與單片機和通訊接口電路連接，通訊接口電路的另一端與Profibus-DP現(xiàn)場總線連接，單片機外圍電路與單片機連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的同步電機狀態(tài)檢測儀，其特征在于單片機選取P89C58芯片，現(xiàn)場總線協(xié)議芯片選取VPC3+C芯片，通訊接口電路包括光電隔離電路及RS485驅(qū)動電路，RS485驅(qū)動電路選取DS75176芯片，光電隔離電路由三片光耦芯片組成，片選準(zhǔn)備信息隔離選取HCPL0601芯片，接收信息隔離選取HCPL0710芯片，發(fā)射信息隔離選取HCPL0710芯片。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的同步電機狀態(tài)檢測儀，其特征在于電機的開關(guān)量輸入檢測電路包括外部開關(guān)量信號DI0通過一個限流電阻R79A接到光電隔離芯片U13A的1管腳，U13A的2管腳接二極管D3的陽極，二極管D3的陰極接24V電源地；U13A的15管腳接數(shù)字地，U13A的16管腳接上拉電阻R80A后與擴展接口芯片U4的18管腳連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的同步電機狀態(tài)檢測儀，其特征在于檢測儀檢測得到的電機4個開關(guān)量為電機油頂壓異常信號、電機油壓潤滑異常信號、電機通風(fēng)投入否信號和集電環(huán)室冷卻風(fēng)機合位置信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的同步電機狀態(tài)檢測儀，其特征在于電機工作狀態(tài)的溫度檢測電路包括VREF為2.5V參考電壓信號，該信號通過兩個運算放大器U26A、U26B和電阻元件R94A、R94B、R94C和R94D輸出1mA恒流電流。TOA為熱電阻三線制接線端子，電阻信號通過運放電路后可以抵消連接導(dǎo)線電阻，即運放U26C輸出信號為熱電阻端電壓，該信號經(jīng)過電阻R35、電容C45、電阻R36、電容C44的濾波作用，再經(jīng)過運放U26D的放大作用，輸送給A/D轉(zhuǎn)換芯片U 17。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的同步電機狀態(tài)檢測儀，其特征在于檢測儀檢測得到的電機10個電機溫度狀態(tài)為電機溫度狀態(tài)有定子U相的兩個溫度狀態(tài)TU1和TU2、定子V相的兩個溫度狀態(tài)TV1和TV2、定子M相的兩個溫度狀態(tài)TW1和TW2、電機進口溫度Ti、電機出口溫度TO、驅(qū)動側(cè)軸溫度TS1和非驅(qū)動側(cè)軸溫度TS2。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的同步電機狀態(tài)檢測儀，其特征在于所述檢測儀具有Profibus-DP現(xiàn)場總線從站通信功能。
專利摘要本實用新型公開了一種基于Profibus－DP現(xiàn)場總線的同步電機狀態(tài)檢測儀，它具有Profibus－DP現(xiàn)場總線從站通信功能，可以實現(xiàn)同步電機10路的溫度檢測和4路的開關(guān)量輸入功能。該設(shè)備電路板上包括三線制溫度檢測電路、開關(guān)量輸入單元電路、P89C58電路、VPC3+C現(xiàn)場總線協(xié)議芯片電路、RS485驅(qū)動及光電隔離電路、EEPROM電路、DIP撥碼開關(guān)電路、指示燈電路、看門狗復(fù)位電路和譯碼電路等。所述檢測儀通過Profibus－DP現(xiàn)場總線與單片機、現(xiàn)場總線協(xié)議芯片之間的組合實現(xiàn)將同步電機狀態(tài)信息傳輸給主站進行處理，有利于系統(tǒng)設(shè)備的綜合管理與控制，并且能夠與其它支持Profibus－DP協(xié)議的設(shè)備實現(xiàn)系統(tǒng)集成。
文檔編號G01R31/34GK2811962SQ200520113600
公開日2006年8月30日 申請日期2005年7月18日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月18日
發(fā)明者黃哲, 孫偉, 段巍, 肖正宇 申請人:北京金自天正智能控制股份有限公司