專利名稱：基于現(xiàn)場可編程外圍芯片的分析儀器智能測控平臺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可以衍生出多種化學(xué)分析儀器的電子電路，尤其是一種基于現(xiàn)場可編程外圍芯片的分析儀器智能測控平臺。
背景技術(shù)：
過程分析儀器面向各種工業(yè)流程和環(huán)境保護，需求繁多。市場表現(xiàn)為.要求分析儀器多品種，小批量。這導(dǎo)致儀器設(shè)計各自的單片機系統(tǒng)，不僅重復(fù)性工作多，開發(fā)周期長。目前過程分析儀器結(jié)構(gòu)上采用各種中小規(guī)模集成電路搭建儀器，集成化程度不高。一方面造成設(shè)備體積大，另一方面容易引入電磁干擾。各種分析儀器的互換性不高。給儀器生產(chǎn)和技術(shù)服務(wù)帶來困難，對市場需求變化不能及時做出調(diào)整，從而影響產(chǎn)品的競爭力。利用單片機可以與PSD(現(xiàn)場可編程外圍芯片)結(jié)合的功能。如CN01145588.8現(xiàn)場可編程器件的編程輔助控制裝置包括編程控制器和接受編程的現(xiàn)場可編程器件，該編程控制器含有一組合編碼信號輸出端)；該現(xiàn)場可編程器件含有編程控制信號輸入端、時鐘信號輸入端和數(shù)據(jù)信號輸入端，還有一將組合編碼信號分解成相應(yīng)獨立成份信號的解碼單元，其聯(lián)接該組合編碼信號輸出端和該現(xiàn)場編程器件中的三個輸入端中的與分解獨立成份相對應(yīng)的輸入端。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠的優(yōu)點，解決了FPGA編程時需要控制信號線過多的問題。但未見有基于現(xiàn)場可編程外圍芯片的分析儀器智能測控平臺。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是構(gòu)建一個可以根據(jù)市場需要在一個相對穩(wěn)定的單片機硬件系統(tǒng)的核心的基礎(chǔ)上方便快捷的衍生出新型智能分析儀器。簡化硬件電路，使系統(tǒng)的設(shè)計、修改和擴展都變得十分靈活方便。
本發(fā)明目的是這樣實現(xiàn)的基于現(xiàn)場可編程外圍芯片的分析儀器智能測控平臺，包括單片機與PSD、只讀存儲器構(gòu)成，單片機與PSD、只讀存儲器之間通過系統(tǒng)總線相互連接，通過PSD實現(xiàn)對外圍輸入輸出設(shè)備的配置，PSD連接數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)采集模塊為A/D轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換器輸入端連接數(shù)據(jù)采集通道，而A/D轉(zhuǎn)換器的輸出連接PSD數(shù)據(jù)總線，A/D轉(zhuǎn)換器控制端口連接PSD擴展輸入/出輸出口；設(shè)有遠程通訊在線監(jiān)控模塊，通過PSD產(chǎn)生串行信號Txd和Rxd和控制信號trcon的擴展輸入輸出口經(jīng)過光耦接通訊芯片(MAX485)，通訊芯片(Max485)通過trcon來進行控制；模擬量趨勢輸出電路由單片機輸出口產(chǎn)生PWM信號和HSO信號，經(jīng)過高頻光電隔離和電壓電流(V/I)轉(zhuǎn)換電路，輸出4～20mA的趨勢輸出，通過調(diào)節(jié)占空比實現(xiàn)對輸出的控制。在此結(jié)構(gòu)上，通過硬件模塊選擇就可以構(gòu)建出各種系列過程分析儀器。
現(xiàn)場可編程外圍芯片是一種特別適用于單片機的器件，它集成了EPROM、SRAM、通用輸入輸出接口和多種可編程邏輯器件譯碼PLD、通用PLD、外設(shè)PLD、還集成了電源管理、中斷控制、定時器等功能部件。這些功能使它可以取代絕大多數(shù)傳統(tǒng)分析儀器中除單片機外的芯片。因而可以和單片機結(jié)合在一起簡化分析儀器的結(jié)構(gòu)。由于PSD中含有大量的可編程邏輯器件，所以可以通過他們方便的控制外部設(shè)備，實現(xiàn)按用戶要求靈活配置系統(tǒng)硬件資源，組合成為不同類型分析儀器的嵌入式硬件系統(tǒng)。
單片機與PSD、只讀存儲器之間通過系統(tǒng)總線相互連接。通過PSD實現(xiàn)對外圍輸入輸出設(shè)備的配置。PSD連接數(shù)據(jù)采集模塊。數(shù)據(jù)采集模塊為A/D轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換器輸入端連接數(shù)據(jù)采集通道，而A/D轉(zhuǎn)換器的輸出連接PSD數(shù)據(jù)總線，A/D轉(zhuǎn)換器控制端口連接PSD擴展輸入/出輸出口。
A/D轉(zhuǎn)換將樣品成分傳感器的模擬信號連接A/D轉(zhuǎn)換器端口；高精度溫控設(shè)備的溫度檢測和儀器在線下的信號連接A/D轉(zhuǎn)換器端口作自動標定；或?qū)x器正常運行下若干設(shè)備控制和自診斷模擬信號連接A/D轉(zhuǎn)換器端口提供數(shù)據(jù)采集，可分析儀機內(nèi)的工作溫度控制、環(huán)境壓力、環(huán)境溫度的檢測、電源值的檢測等。
設(shè)遠程通訊在線監(jiān)控模塊，通過PSD產(chǎn)生串行信號Txd和Rxd和控制信號trcon的擴展輸入輸出口經(jīng)過光耦接到MAX485。Max485通過trcon來進行控制。
模擬量趨勢輸出電路。該電路由單片機輸出口產(chǎn)生PWM信號和HSO信號，經(jīng)高頻光電隔離芯片和V/I轉(zhuǎn)換電路輸出4～20mA的趨勢輸出，即通過調(diào)節(jié)占空比來實現(xiàn)對輸出的控制。
串行存儲器由單片機通過PSD的可擴展輸入輸出口連接來進行存取數(shù)據(jù)。用于存放廠方設(shè)置和儀器的基本參數(shù)。
本發(fā)明硬件特征為選用先進的Microchip單片機及PSD作為變送器的核心器件，配合A/D、D/A及LCD顯示器，構(gòu)成嵌入式單片微機系統(tǒng)。該系統(tǒng)對來自不同分析儀器的測量信號進行放大調(diào)整，經(jīng)系統(tǒng)計算處理轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的測量結(jié)果。該結(jié)果可直接在智能變送器的LCD上以數(shù)字形式或運行曲線顯示，也可通過串行網(wǎng)絡(luò)與上位機進行數(shù)據(jù)通信，同時輸出隔離后的直流標準模擬信號。設(shè)計將確保在硬件系統(tǒng)設(shè)計上的先進性，同時具有較長的產(chǎn)品壽命，且易于硬件升級更新。
單片機現(xiàn)場可編程外圍芯片PSD的原理及應(yīng)用現(xiàn)場可編程外圍芯片(PSD)是一種特別適用于單片機系統(tǒng)的器件，它集成了EPROM、SRAM、通用I/O口和多種可編程邏輯器件譯碼PLD、通用PLD、外設(shè)PLD，還集成了電源管理、中斷控制、定時器等功能部件。它能與當(dāng)今流行的多種8位和16位單片機、微處理器總線直接接口。采用PSD組成系統(tǒng)會大大簡化硬件電路，分析儀表的特點是多品種，小批量。所以本發(fā)明硬件平臺模塊化功能強，不僅可以適用于當(dāng)前的儀表，也可以在較小的改動軟件甚至只需用鍵盤改變一些參數(shù)的情況下用于其他類型的儀表。不僅通道數(shù)是可選的，連各組分的名稱，所用單位都可以通過鍵盤來選擇。多種校準和補償公式也可以通過鍵盤輸入，真正做到不針對某個特定組分，不依賴于某個特定的傳感器使系統(tǒng)的設(shè)計、修改和擴展都變得十分靈活方便。
本發(fā)明的有益效果是，可以在基本不改動本核心電路的前提下方便的衍生出各種用戶需要的分析儀器，同時減少產(chǎn)品開發(fā)周期。由于核心電路采用雙片結(jié)構(gòu)，芯片數(shù)量少，集成程度高，因此系統(tǒng)抗干擾性能好，結(jié)構(gòu)簡單，體積小。配套的平臺軟件可以方便的生成用戶所需要的智能分析儀器的監(jiān)控原程序，從而簡化軟件系統(tǒng)的設(shè)計。
四、附圖與說明

圖1為本發(fā)明平臺硬件結(jié)構(gòu)圖。
圖2為本發(fā)明數(shù)據(jù)采集模塊圖3為本發(fā)明遠程通訊模塊圖4為本發(fā)明模擬輸出電路五具體實施方式
如圖1所示單片機與PSD、只讀存儲器之間通過系統(tǒng)總線相互連接。單片機實現(xiàn)基本的控制功能。只讀存儲器用來存放監(jiān)控程序。PSD實現(xiàn)對外圍設(shè)備的靈活配置。PSD芯片內(nèi)包含如圖所示的電源管理、Flash存儲器、擴展輸入輸出口、靜態(tài)隨機存儲器。其中電源管理可以按用戶要求實現(xiàn)便攜機型對耗電量的控制，同時它還保證PSD芯片內(nèi)的靜態(tài)隨機存儲器在系統(tǒng)出現(xiàn)電源故障時由外接電池供電，防止丟失數(shù)據(jù)。Flash存儲器提供圖形用戶界面，中英文字庫的存放空間。靜態(tài)隨機存儲器為程序運行的計算處理和過程數(shù)據(jù)提供讀寫空間。擴展輸入輸出口可以由程序控制靈活管理配置外部其它芯片，從而實現(xiàn)靈活的按用戶的要求在基本該動核心電路的基礎(chǔ)上，通過編寫PSD控制程序就可以實現(xiàn)對外設(shè)的添加和刪除，靈活的組合出用戶需要的分析儀器。亦可以如使用ST公司(WSI公司)生產(chǎn)的PSD(單片機可編程外圍芯片)產(chǎn)品。這是一種特殊的PLD，如PSD8xx，PSD9xx，集成了PLD，EPROM，F(xiàn)lash，并支持ISP(在線編程)，價格偏貴一點，但集成度高，用于配合單片機工作。
可以通過PSD控制的有以下部分。
(一)、數(shù)據(jù)采集模塊為了能和其他任意成分檢測傳感器方便的互連，本發(fā)明的數(shù)據(jù)采集模塊統(tǒng)一被規(guī)劃為0～5V的標準電信號送入A/D轉(zhuǎn)換器。A/D轉(zhuǎn)換分為三大類一類將樣品成分傳感器的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，以供單片機系統(tǒng)處理。一類用于高精度溫控設(shè)備的溫度檢測和儀器在線下的自動標定。最后一類則為儀器正常運行下若干設(shè)備控制和自診斷提供數(shù)據(jù)采集，如分析儀機內(nèi)的工作溫度控制、環(huán)境壓力、環(huán)境溫度的檢測、電源值的檢測等。
數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道的連接如圖2所示。
由于每個A/D轉(zhuǎn)換芯片都有多個轉(zhuǎn)換通道，而且也可以通過PSD的擴展輸入輸出口來添加其他A/D轉(zhuǎn)換芯片，以實現(xiàn)多通道，多檢測器的使用。
(二)、遠程通訊為了實現(xiàn)在線監(jiān)控，本平臺提供了遠程通訊功能。這種功能是通過如圖3所示的電路來用RS-485通訊協(xié)議來實現(xiàn)的。其原理為通過程序控制PSD的擴展輸入輸出口來產(chǎn)生串行信號Txd和Rxd和控制信號trcon。使txd發(fā)送串行數(shù)據(jù)，經(jīng)過光耦接到MAX485的發(fā)送器即第4腳。Rxd接到MAX485的接收器的輸出腳上。Max485通過trcon來進行控制。當(dāng)trcon為低電平時經(jīng)過光耦后，將485的2，3腳拉高(光耦導(dǎo)通時候，三極管上電導(dǎo)通則Vcc接到485的2，3腳上，所以為高。)使能發(fā)送器，禁止接受器。保證了半雙工的工作。同理，trcon＝1時候D502截止，此時max485的2，3腳經(jīng)過下拉電阻R505接到地上，所以2，3腳為低電平，從而禁止發(fā)送器，使能接受器。從而實現(xiàn)RS-485的遠程通訊。
(三)、模擬輸出在線分析儀器的主要功能是為計算機控制系統(tǒng)提供實時的分析結(jié)果。本發(fā)明提供模擬量趨勢輸出。其電路如圖四所示。該電路由單片機通過PSD的可擴展輸出口產(chǎn)生PWM信號和HSO信號，通過調(diào)節(jié)占空比來實現(xiàn)對輸出的控制。PWM的輸出值與電路輸出毫安值的關(guān)系如下 (四)、串行存儲器由單片機通過PSD的可擴展輸入輸出口來進行存取數(shù)據(jù)。串行存儲器具有加密，掉電保持。該部分用于存放不同分析監(jiān)測器組合時的硬件信息、廠方設(shè)計以及重要的分析儀器參數(shù)，可以在用戶設(shè)置發(fā)生錯誤時恢復(fù)出廠時的設(shè)置，提高在線運行下的可靠性。
(五)、顯示與鍵盤該部分也是通過接連PSD的擴展輸入輸出口來實現(xiàn)顯示分析結(jié)果，提供友好的人機交互界面，提供對儀器的操作和設(shè)定。
(六)、其他部分由于PSD的可擴展輸入輸出接口很多，可以通過對PSD編程的方式對輸入輸出接口進行靈活的配置。所以可以進一步利用此接口實現(xiàn)其他功能。比如采樣系統(tǒng)的閥門流路控制等功能。
權(quán)利要求
1.基于現(xiàn)場可編程外圍芯片的分析儀器智能測控平臺，包括單片機與PSD、只讀存儲器構(gòu)成，其特征是單片機與PSD、只讀存儲器之間通過系統(tǒng)總線相互連接，通過PSD實現(xiàn)對外圍輸入輸出設(shè)備的配置，PSD連接數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)采集模塊為A/D轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換器輸入端連接數(shù)據(jù)采集通道，而A/D轉(zhuǎn)換器的輸出連接PSD數(shù)據(jù)總線，A/D轉(zhuǎn)換器控制端口連接PSD擴展輸入/出輸出口；設(shè)有遠程通訊在線監(jiān)控模塊，通過PSD產(chǎn)生串行信號Txd和Rxd和控制信號trcon的擴展輸入輸出口經(jīng)過光耦接通訊芯片(MAX485)，通訊芯片(Max485)通過trcon來進行控制；模擬量趨勢輸出電路由單片機輸出口產(chǎn)生PWM信號和HSO信號，經(jīng)過高頻光電隔離和電壓電流(V/I)轉(zhuǎn)換電路，輸出4～20mA的趨勢輸出，通過調(diào)節(jié)占空比實現(xiàn)對輸出的控制。
2.由權(quán)利要求1所述的基于現(xiàn)場可編程外圍芯片的分析儀器智能測控平臺，其特征是設(shè)有串行存儲器，并由單片機通過PSD的可擴展輸入輸出口連接串行存儲器，進行存取數(shù)據(jù)。
3.由權(quán)利要求1所述的基于現(xiàn)場可編程外圍芯片的分析儀器智能測控平臺，其特征是設(shè)有將樣品成分傳感器的模擬信號連接A/D轉(zhuǎn)換器端口；高精度溫控設(shè)備的溫度檢測和儀器在線下的信號連接A/D轉(zhuǎn)換器端口作自動標定；或?qū)x器正常運行下若干設(shè)備控制和自診斷模擬信號連接A/D轉(zhuǎn)換器端口提供數(shù)據(jù)采集，可實現(xiàn)對分析儀機內(nèi)的工作溫度控制、環(huán)境壓力、環(huán)境溫度的檢測、電源值的檢測。
全文摘要
基于現(xiàn)場可編程外圍芯片的分析儀器智能測控平臺，包括單片機與PSD、只讀存儲器構(gòu)成，PSD與只讀存儲器之間通過系統(tǒng)總線相互連接，PSD實現(xiàn)對外圍輸入輸出設(shè)備，PSD連接數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)采集模塊為A/D轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換器輸入端連接數(shù)據(jù)采集通道，而A/D轉(zhuǎn)換器的輸出連接PSD數(shù)據(jù)總線，A/D轉(zhuǎn)換器控制端口連接PSD擴展輸入/出輸出口；設(shè)有遠程通訊在線監(jiān)控模塊，模擬量趨勢輸出電路由單片機輸出口產(chǎn)生PWM信號和HSO信號，經(jīng)過高頻光電隔離和電壓電流(V/I)轉(zhuǎn)換電路，輸出4～20mA的趨勢輸出，通過調(diào)節(jié)占空比實現(xiàn)對輸出的控制。本發(fā)明在基本不改動本核心電路的前提下方便衍生出各種用戶需要的分析儀器。
文檔編號G06F12/00GK1725174SQ20051004034
公開日2006年1月25日 申請日期2005年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月1日
發(fā)明者程明霄, 高喜奎, 李明, 徐淮明 申請人:南京工業(yè)大學(xué), 南京南分分析儀器有限責(zé)任公司