專利名稱：多功能自動化控制儀表的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于自動化控制儀表電路結構設計技術領域，特別涉及采用多總線混合拓撲與寄生專用子模板等技術建構回路調節(jié)/邏輯順控二合一的自動化控制儀表。
現有的自動化控制儀表分兩大類，一是PID回路調節(jié)器，可實現工藝過程模擬量(例如溫度、壓力、流量等)的數值連續(xù)調節(jié)，帶有儀表顯示操作面板，能作現場儀表獨立使用，另一是PLC邏輯順控器，可實現工藝操作開關量(例如電磁閥、繼電開關等)邏輯順序控制、不帶儀表顯示操作面板，其人機接口需配專用的監(jiān)示操作站或工控PC機。
美國霍尼威爾等公司的回路調節(jié)儀表除儀表面板完成運行管理操作外，還在儀表機芯的側面設置一個專用小鍵盤，完成數字設定和故障顯示。而另一些公司如摩爾公司、?？怂共_公司等，是把專用小鍵盤安放在儀表面板的下部，用一板蓋住。日本和歐洲的公司生產回路調節(jié)儀表也大體如此。我國現通用的DDS型回路調節(jié)儀表及一些單位自行研制的回路調節(jié)儀表也采用類似設計。唯有德國西門子公司在八十年代后期推出DR系列調節(jié)儀表取消了專用小鍵盤，在其儀表面板上采用觸膜按鍵/數字顯示復用技術，實現了運行操作、數據設定、自動整定、故障顯示等四種監(jiān)控功能。但DR系列的可編程回路調節(jié)儀表，卻用了7個觸摸按鍵，3個數字表，兩條豎直光柱模擬表和11個指示燈。上述儀表體積大且功能單一或是需配置專用顯示設備或是顯示操作元件多、繁雜且操作繁瑣。
本實用新型的目的在于，為克服已有技術的不足之處，設計出一種多功能自動化控制儀表，它是在體形短小的一塊儀表中，實現了PID回路調節(jié)和PLC邏輯順控兩類功能，同時設計出布局更加簡潔合理，可完成多種顯示操作功能的儀表面板，使其具有結構小、功能多、應用范圍廣等優(yōu)點。
本實用新型設計出一種多功能自動化控制儀表，其特征在于包括在機殼內安裝的主機電路板、向外延伸的開關量擴展電路板和面板及其操作控制電路板。所說的主機電路包括單片機及其外圍電路，前向模入通道和后向三點步進輸出通道，由SPI串行總線實現所說單片機與所說的前、后通道的互連通信，通過I2C總線的端口與所說的開關擴展電路按I2C協(xié)議進行串行通信。所說的主機電路板可背負安裝的寄生專用子模板為一液晶顯示電路板。所說的開關量擴展電路由I2C總線通信的收發(fā)器芯片，串/并轉換芯片，電源以及相應的I/O端子所組成。所說的面板及其操作控制電路板包括觸膜按鍵及其鍵入電路，顯示器及其驅動電路。所說的顯示器由多個數碼管，光柱管和發(fā)光二極管組成。
本實用新型的工作原理及主要特點在于采用多總線混合拓撲與寄生專用子模板兩項技術。多總線混合拓撲是采取多種總線混合使用的拓補結構，本儀表使用SPI串行總線實現單片機與模擬輸入/三點輸出模塊的互連通信，再用I2C串行總線實現與眾多開入/開出模塊的互連通信，從而在控制功能上實現了回路調節(jié)與邏輯順控的二合一；寄生專用子模板是在其本電路主體模板上，背負安裝專用子模板，本儀表在單片機核心系統(tǒng)電路板上，背負安裝液晶顯示操作電路板，從而在人機接口上構成回路調節(jié)與邏輯順控二合一的綜合監(jiān)視操作面板。
主機電路的核心是單片機系統(tǒng)，它由51單片機芯片、RAM存儲器芯片和PSD外圍集成接口芯片組成；前向模入通道由1NA117或具類似運算放大器的芯片和MAX186或具類似A/D變換的芯片組成；后向三點步進輸出通道由7475A和74LS38A或具有類似功能的芯片組成，可不經司服放大器而直接與電動執(zhí)行器相連。單片機與前向/后向通道連通的還由SPI串行總線完成，這使儀表具有6路4～20MA信號輸入和兩路三點步進信號輸出，可實現單回路或雙回路調節(jié)功能。主機電路板還設置I2C總線的端口可與開關擴展板按I2C協(xié)議進行串行通信，使儀表開關量總數可達到40個點，且輸入/輸出及其方式可任意組合，便于實現各種邏輯順序控制，此外主機電路板設置了與背面接線端板直接連接的插針式接插件，設置了與前面顯示操作板扁平軟線連接的插針式接插件。
開關量擴展電路由I2C總線通信的收發(fā)器芯片，串/并轉換芯片、電源及相應的I/O端子所組成?？陕?lián)5組，總共40個開關量，其設置(輸入或輸出)可任意組合。
在儀表主機電路板上，背負安裝液晶顯示操作電路子模板，該電路子模板與所配套的液晶面板，可以從有關生產廠家購入。
采用觸膜按鍵/數字顯示復用技術實現自動化儀表面板的多種監(jiān)控功能。
本可編程回路調節(jié)儀表只用了多個觸膜按鍵、數字表、水平光柱模擬表和多個指示燈，完成運行操作、數據設定、自動整定、故障顯示等四種監(jiān)控功能，并且儀表面板的外觀和布置實屬新穎別致。
附圖簡要說明

圖1為本實用新型實施例主機電路原理圖。
圖2為本實用新型實施例開關量擴展電路原理圖。
圖3為本實用新型實施例液晶顯示操作電路子模板背負安裝在主機板的結構示意圖。
圖4為本實用新型實施例面板結構布局示意圖。
圖5為本實用新型面板控制電路示意圖。
本實用新型設計的一種多功能自動化控制儀表實施例如圖1～5所示，結合附圖分別詳細描述如下本實施例包括一機殼尺寸為80×160×160毫米的機殼，機殼內安裝有主機電路板，該主機模板上背負安裝的液晶顯示操作電路板，向外延伸的開關量擴展電路板以及面板及其控制電路板。
(一)主機電路組成如圖1所示。由前向模擬輸入通道、單片機、后向三點步進輸出通道、I2C總線端口與插針式接插件(用來與前面顯示操作板/背面接線端子板相聯(lián))組成。由現場變送器來的6路4～20MA信號經背面板上的電阻轉變成電壓，通過接插件輸入到IU1～IU6運算放大器。運算放大器選用1NA117芯片是因它具有大的抗共模干擾能力，并把輸入的電壓轉換成A/D變換器相匹配的電壓，A/D變換器選用MAX186芯，它可輸入8個模擬電壓，而輸入端為SPI端口，通過三條信號線串行通信，將數據傳到單片機系統(tǒng)。單片機系統(tǒng)的核心是80C51芯片，通過復用總線與PSD4芯片相聯(lián)，PSD4內含鎖存器、譯碼邏輯陣列、通用邏輯陣列、EPROM和多個I/O端口，并與數據存儲器62256芯片相聯(lián)，達到32K字節(jié)數據存儲空間，這樣構成的單片機系統(tǒng)，能對輸入通道送來的數據進行實時處理，產生PID或其它智能控制策略，再作為指令信號傳到輸出通道。輸出通道中的7475A鎖存芯片，把單片機系統(tǒng)送來控制指令數據進行鎖存，在通過74LS38A的與非運算，操作AO1-、AO2-、AO3-、AO4-四個開關量，構成兩路三點(正轉、停止、反轉)步進信號去操作外接固態(tài)繼電器的開/合，控制電動執(zhí)行器運行，最終實現單回路或雙回路調節(jié)。主機電路板還設置I2C總線端口，即80C51的P1口的6、7腳與I2C總線的SCL、SDA信號線相聯(lián)，使P1、6和P1、7成為I2C總線端口，這樣就可以經過SCL和SDA信號線按I2C協(xié)議與開關量擴展板進行串行通信，使儀表開關量得到擴展，按實際需要增加數量。此外，主機板所設置插針式接插件，可實現主機電路板與背面接線端子板的直接連接和主機電路板與前面顯示操作板的扁平軟線連接。圖中所選用MAX705微處理器監(jiān)控電路芯片，能監(jiān)視單片機CPU的工作，如有異常可發(fā)出報警信號。
(二)開關量擴展電路組成如圖2所示。由串行端口、收發(fā)器、串/并轉換器和電源及接插件組成。由主機電路板80C51單片機I2C端口P1、6和P1、7經SCL、SDA線送來的信號，經開關量擴展電路串行端口送入I2C收發(fā)器82B715芯片，完成接收工作后再把信號傳到串/并轉換器PCF8574A芯片，將串行信號變成并行開關量，再經DB9接插件輸出，用去控制相應的繼電開關，或繼電開關的狀態(tài)信號經并/串轉換器PCF857A4芯片，將標識開關狀態(tài)的并行信號變成串行信號，再由I2C收發(fā)器82B715芯片，經開關量擴展電路串行端口將信號發(fā)送到I2C的SCL、SDA線上，最終通過P1、6和、P1、7端口為80C51單片機所接收。這樣就在I2C總線上完成了雙向通信，對單片機來說就可實現8個開關量的擴展，而開入或開出可任意組合，在單片機軟件中設定。此外，圖2中所示只是掛一組(8個)開關量的情況，實際設計在I2C總線SCL、SDA線上可掛5組，由此可以實現40開關量的擴展，而開入或開出可任意組合，只需要在單片機軟件中設定即可?？傊鳈C電路板外延連接開關量擴展板后，就相當于一個小型可編程邏輯控制器(一臺PLC)，從而在控制功能上實現了回路調節(jié)與邏輯順控的二合一。
(三)在儀表主機電路板上背負安裝液晶顯示電路子模板如圖3所示，該電路子模板與所配套的液晶顯示操作面板，可以從有關生產廠家購入。
背負的安裝液晶顯示操作電路子模板通過插件式接插件321連于主機電路板上，并通過扁平軟線接插座322與儀表前面安裝的液晶顯示操作面板相聯(lián)，從而構造了對回路調節(jié)和邏輯順控的監(jiān)視操作功能，成為回路調節(jié)與邏輯順控二合一綜合監(jiān)視操作儀表面板。
(四)儀表面板結構布局及電路如圖4、圖5所示。
儀表面板電路實現三種功能將觸膜按鍵狀態(tài)輸入單片機；將單片機系統(tǒng)中的測量、設定等數值和系統(tǒng)運行狀態(tài)顯示出來；單片機系統(tǒng)異常故障報警。鍵入電路由VCC電源，電阻(R9A、R9B、R9C、R9D、R9E、R9F)、接插件JP2和面板上的6個觸膜按鍵(分別為手動按鍵411、自動按鍵412、串聯(lián)按鍵413、增/減按鍵414、416及功能選樣415)組成。按鍵的開/合狀態(tài)，由JP1接插件的1、2、3、4、5、6腳傳送到主機電路板的JP2接插件1、2、3、4、5、6腳上，最終送到單片機系統(tǒng)。顯示電路由兩個MAX7219串行接口、8位數字LED顯示驅動器芯片、10個數碼管LED8，(其中上排5個為為紅色21顯示數字，下排5個為綠色22顯示數字)兩個光柱管P01083為模擬指示表31和6個發(fā)光二極管(分別為通訊指示燈41，高限報警燈42，低限報警燈43，手動按鍵指示燈44，自動按鍵批示燈45及串聯(lián)按鍵指示燈46)組成。主機電路板上的單片機系統(tǒng)將測量值、給定值、閥位值等數據和手動M、自動A、串級C、高限AH、低限AL與計算機通訊等狀態(tài)，通過SPI串行總線(主機電路板JP2的7、9、11腳/儀表顯示操作電路板JP1的7、9、11腳)傳送到7219芯片，由7219芯片經運算處理輸出控制信號，操作10個數碼管顯示測量值和給定值，操作兩個光柱管顯示閥位，操作6個發(fā)光二極管顯示運行狀態(tài)。報警電路由電源VCC、電阻R3和發(fā)光二級管(CPU異常指示燈)組成。當主機電路板上單片機芯片發(fā)生故障，則由MAX705微處理器監(jiān)控電路芯片產生報警信號WDO高電平，通過7407非門變成WDO低電平信號，經過JP2的12腳到儀表顯示操作電路板JP1的12腳，最終使CPU異常指示燈(發(fā)光二極管)通電發(fā)亮，完成單片機系統(tǒng)故障報警。
權利要求1.一種多功能自動化控制儀表，其特征在于包括在機殼內安裝的主機電路板、向外延伸開關量擴展電路板和面板及其操作控制電路板，所說的主機電路包括單片機及其外圍電路，前向模入通道和后向三點步進路出通道，由SPI串行總線實現所說單片機與前、后通道的互連通信，并通過I2C總線的端口與所說的開關擴展電路按I2C協(xié)議進行串行通信。
2.如權利要求1所述的一種多功能自動化控制儀表，其特征在于所說的主機電路板可背負安裝一液晶顯示操作電路板。
3.如權利要求1所述的一種多功能自動化控制儀表，其特征在于所說的開關量擴展電路由I2C總線通信的收發(fā)器芯片，串/并轉換芯片，電源以及相應的I/O端子所組成。
4.如權利要求1所述的一種多功能自動化控制儀表，其特征在于所說的面板及其操作控制電路板包括觸膜按鍵及其鍵入電路，顯示器及其驅動電路。所說的顯示器由數碼管，光柱管和發(fā)光二極管組成。
專利摘要本實用新型屬于多功能自動化控制儀表。它包括機殼內安裝的主機電路板、向外延伸的開關量擴展電路板和面板及其操作控制電路板,主機電路包括單片機其外圍電路,前向和后向通道,由SPI串行總線實現單片機與前、后通道的互連通信。本實用新型實現了PID回路調節(jié)和PLC邏輯順控兩類功能,設計出布局更加簡潔合理,可完成多種顯示操作功能的儀表面板,使其具有結構小、功能多、應用范圍廣等優(yōu)點。
文檔編號G01D21/00GK2319788SQ9820373
公開日1999年5月19日 申請日期1998年4月29日 優(yōu)先權日1998年4月29日
發(fā)明者王焰秋 申請人:王焰秋