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PSoC單片機及其茌燃氣變頻輸配與流量計量中的應用
摘要：介紹了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。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／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8x8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(1SSP)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、△P、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U
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