專(zhuān)利名稱(chēng)：一種工程師站dcs模擬量輸出模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種工程師站DCS模擬量輸出模塊，屬于大型操作系統(tǒng)的信號(hào)輸出 領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
工程師站DCS是分散控制系統(tǒng)(Disttibuted Control System)的簡(jiǎn)稱(chēng)，國(guó)內(nèi) 一般 習(xí)慣稱(chēng)為集散控制系統(tǒng)。它是一個(gè)由過(guò)程控制級(jí)和過(guò)程監(jiān)控級(jí)組成的以通信網(wǎng)絡(luò)為 紐帶的多級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，綜合了計(jì)算機(jī)(Computer)、通訊(Communication)、顯示(CRT) 和控制(Control)等4C技術(shù)，其基本思想是分散控制、集中操作、分級(jí)管理、配置靈 活、組態(tài)方^_。
工程師站DCS的控制決策是由過(guò)程控制站完成的，所以控制程序是由過(guò)程控制 站執(zhí)行的。
控制系統(tǒng)需要建立信號(hào)的輸入和輸出通道，這就是I/0。工程師站DCS中的I/O 一般是模塊化的， 一個(gè)1/0模塊上有一個(gè)或多個(gè)1/0通道，用來(lái)連接傳感器和執(zhí)行 器(調(diào)節(jié)閥)。
目前通用的IO模塊包括AI (模擬量輸入信號(hào))；AO (模擬量輸出信號(hào))；DI (數(shù)字量輸入信號(hào))；DO (數(shù)字量輸出信號(hào))四種，其中作為控制驅(qū)動(dòng)模擬信號(hào)執(zhí) 行機(jī)構(gòu)動(dòng)作的AO模塊，目前現(xiàn)有技術(shù)和產(chǎn)品其基本的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和原理大體如圖1 所示
模擬量輸出模塊作為的現(xiàn)場(chǎng)控制站的輸出控制IO節(jié)點(diǎn)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)通訊接收 工程師站組態(tài)下發(fā)的各通道配置輸出值數(shù)據(jù)，在本地進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換后，由電流驅(qū)動(dòng) 電路輸出電流。
現(xiàn)有工業(yè)應(yīng)用模擬量輸出模塊，從核安全級(jí)儀控系統(tǒng)智能IO板卡應(yīng)用角度考慮， 在產(chǎn)品可靠性方面無(wú)法滿(mǎn)足要求，具體的說(shuō)，普通的模擬量輸出模塊僅僅在功能上 滿(mǎn)足正常使用在產(chǎn)品運(yùn)行可靠性保證，以及故障診斷，運(yùn)行自監(jiān)視以及通訊獨(dú)立性 等等方面，核安全級(jí)智能IO板卡需要具備的性能上沒(méi)有很好的實(shí)現(xiàn)。工程師站DCS系統(tǒng)是隨著現(xiàn)代大型工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的不斷興起和過(guò)程控制要求 的日益復(fù)雜應(yīng)運(yùn)而生的綜合控制系統(tǒng)，它是計(jì)算機(jī)技術(shù)、系統(tǒng)控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊 技術(shù)和多媒體技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，可提供窗口友好的人機(jī)界面和強(qiáng)大的通訊功能。 是完成過(guò)程控制、過(guò)程管理的現(xiàn)代化設(shè)備。
現(xiàn)場(chǎng)控制站(FCS)接收來(lái)自工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)的傳感器(變送器)的信號(hào)，進(jìn)行運(yùn) 算處理后，發(fā)送給現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行器，完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與外界交換 數(shù)據(jù)。FCS可以理解為具備輸入輸出和數(shù)據(jù)處理功能的數(shù)字計(jì)算機(jī)，通過(guò)輸入板卡 采集現(xiàn)場(chǎng)儀表的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)運(yùn)算板卡處理完成信號(hào)轉(zhuǎn)換和邏輯運(yùn)算功能，通過(guò)輸出 板卡輸出信號(hào)到現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行器。
模擬量輸出板卡作為FCS中完成輸出模擬信號(hào)功能的智能IO板卡，在通用工程 師站DCS系統(tǒng)中經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，其應(yīng)用已經(jīng)比較成熟，如北京和利時(shí)公司的針 對(duì)核電站常規(guī)島非安全級(jí)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的NM系列產(chǎn)品中，其模擬量輸出模塊在沿用常 規(guī)模擬量輸出設(shè)計(jì)基本思路的情況下，已經(jīng)增加開(kāi)發(fā)了一些如DA輸出回讀，熱插 拔等功能，產(chǎn)品的安全性和可靠性已經(jīng)比常規(guī)電廠(chǎng)工程師站DCS系統(tǒng)有了一定幅度 的提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的發(fā)明目的為針對(duì)目前現(xiàn)有模擬量輸出裝置產(chǎn)品在可靠性要求方面無(wú)法 滿(mǎn)足核站安全級(jí)^f義控系統(tǒng)要求，4是供一種新的 一種工程師站DCS模擬量輸出模塊 本發(fā)明是通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的
一種工程師站DCS模擬量輸出模塊，所述工程師站DCS模擬量輸出模塊0-20.mA 電流輸出板卡，板卡包括D/A轉(zhuǎn)換模塊、電流驅(qū)動(dòng)輸出及通訊電路上述功能組件， 所述板卡通過(guò)SN1總線(xiàn)通訊協(xié)議接收工程師站設(shè)定各通道的輸出碼值送入D/A控制 器，D/A輸出的電壓值經(jīng)驅(qū)動(dòng)輸出電路輸出電流，所述工程師站DCS模擬量輸出模 塊通過(guò)SN1總線(xiàn)接收IO通信單元板卡下行的配置數(shù)據(jù)，并將配置數(shù)據(jù)通過(guò)SPI 口各 通道輸入DA芯片中，控制DA輸出，DA輸出的電壓經(jīng)電流驅(qū)動(dòng)芯片XTR300輸出 0-20mA信號(hào)，所述電流驅(qū)動(dòng)芯片XTR300設(shè)有報(bào)警輸出信號(hào)EFCM和EFLD以及在 輸出總線(xiàn)末端設(shè)置信號(hào)回讀程序。
所述電流驅(qū)動(dòng)芯片XTR300內(nèi)部集成IA檢測(cè)負(fù)載兩端電壓，1AOUT輸出成比例 電流信號(hào)，配置采樣電阻RIA，將配置采樣電阻RIA上的電壓輸入AD，通過(guò)AD輸 出值結(jié)合當(dāng)前通道輸出電流值，即可計(jì)算獲得通道負(fù)載阻抗。
所述電流驅(qū)動(dòng)芯片XTR300計(jì)算獲得通道負(fù)載阻抗的步驟具體設(shè)計(jì)如下
考慮板卡輸出20mA時(shí)，驅(qū)動(dòng)負(fù)載不低于750Q (HRS-1BD01-011),按照負(fù)載為1KD時(shí)RIA上采樣電壓為4V,配置電阻^g， ， a"分別選取如下
XTR300內(nèi)部?jī)x放增益配置電阻&，選用10kQ ±0.1%,溫漂10ppm〃C
AD輸入采樣電阻選用lkQ ± 0.1 % ，溫漂10ppm/°C 才艮據(jù)XTR300內(nèi)部^f義放部分工作原理滿(mǎn)足如下公式
八g房 ^ /w 一 J加,a j、ia4d
可以驗(yàn)證令= 1 kQ ; 7加=20mA; &°相=1KQ ;及g房=! okQ
按照上面公式計(jì)算可以實(shí)現(xiàn)電流輸出20mA,A"d二lKQ時(shí)，AD采樣輸入電壓 為4V;
XTR300中的EFLD引腳為芯片對(duì)輸出狀態(tài)負(fù)載監(jiān)控的引腳。當(dāng)XTR300工作 在0~20mA電流輸出模式時(shí)，負(fù)載增加到芯片無(wú)法按照輸入電壓輸出正常電流時(shí)， 該引腳將置低電平，表明負(fù)載過(guò)大或開(kāi)路；
EFCM引腳為芯片監(jiān)控內(nèi)部IA共模輸入范圍報(bào)警輸出，當(dāng)負(fù)載兩端電壓超過(guò) XTR300內(nèi)部IA輸入共模電壓范圍[(V-)+3 (V+)-3]時(shí)，EFCM引腳將輸出低電平； 此信號(hào)將用于保證IA測(cè)量值的正確性。
所述工程師站DCS模擬量輸出模塊采取在輸出信號(hào)終端進(jìn)行輸出電路信號(hào)回讀 處理，所述輸出電路信號(hào)回讀處理為……(需要技術(shù)人員提供詳細(xì)技術(shù)方案)
所述DA/AD控制器芯片采用亢余設(shè)計(jì)，所述輸出電路信號(hào)回讀處理回路分別設(shè) 置在與DA/AD連接的每個(gè)電流驅(qū)動(dòng)芯片XTR300上。
在板卡輸出通道最末端的電流環(huán)路上串接一個(gè)小阻值的檢測(cè)電阻，通過(guò)采樣這個(gè) 小電阻上的壓降，經(jīng)A/D回讀通過(guò)SPI 口送回板卡MCU，與對(duì)應(yīng)通道設(shè)定值進(jìn)行比 對(duì)，來(lái)做為通道輸出正常的判據(jù)的基準(zhǔn)。
SN1總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)部分使用網(wǎng)絡(luò)變壓器實(shí)現(xiàn)本板卡電路與底板通訊信號(hào)的隔離，MCU 在與A/D和D/A的SPI通訊采用高速數(shù)字隔離器進(jìn)行隔離，其他低速數(shù)字信號(hào)通過(guò) 光耦進(jìn)行隔離，8路輸出通道之間不隔離。
板卡支持定期檢測(cè)各通道DA控制器芯片的正常響應(yīng)動(dòng)態(tài)輸入信號(hào)正常輸出，在
7對(duì)上述通道進(jìn)行檢測(cè)時(shí)將變換輸入碼值驗(yàn)證DA芯片能夠正常響應(yīng)輸出，這個(gè)檢測(cè) 為在線(xiàn)完成的，此時(shí)對(duì)應(yīng)上述通道電流輸出功能保持不受影響，對(duì)DA控制器芯片 采用了冗余設(shè)計(jì)，每個(gè)通道均由一個(gè)2:1模擬開(kāi)關(guān)控制選擇常閉觸點(diǎn)端對(duì)外輸出進(jìn)入 電流驅(qū)動(dòng)輸出芯片XTR300。
MCU通過(guò)SN1總線(xiàn)接收IO通信單元板卡下行的配置數(shù)據(jù)，并將配置數(shù)據(jù)通過(guò) SPI 口各通道輸?shù)腄A芯片中，控制DA輸出。D/A輸出的電壓經(jīng)電流驅(qū)動(dòng)芯片 XTR300輸出0-20mA信號(hào)。同時(shí)在最末端的輸出通道上串接一個(gè)小阻值的檢測(cè)電阻， 通過(guò)采樣這個(gè)小電阻上的壓降，經(jīng)A/D回讀通過(guò)SPI 口送回板卡MCU，與對(duì)應(yīng)通道 設(shè)定值進(jìn)行比對(duì)，做為通道輸出正常的判據(jù)。
現(xiàn)有最好的技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)
(1) 通訊電路獨(dú)立性，
(2) 實(shí)現(xiàn)全通道自檢測(cè)，輸出回讀能夠在板卡輸出最終端(即輸出電流環(huán)上的 實(shí)際輸出電流)上進(jìn)行，大大提高了輸出回讀檢測(cè)覆蓋率。
(3) 板卡關(guān)鍵電路周期性自檢測(cè)，對(duì)板卡上影響安全輸出的關(guān)鍵電路部分，能 夠定期的進(jìn)行自診斷，驗(yàn)證板卡的硬件電路好壞。
(4) 對(duì)電流輸出負(fù)載故障預(yù)診斷，在故障監(jiān)視及自診斷方面進(jìn)行了相當(dāng)程度的
加強(qiáng)，如實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出斷路以及輸出負(fù)載預(yù)先檢測(cè)判斷。
(5) 具備安全輸出功能


圖l為現(xiàn)有技術(shù)和產(chǎn)品其基本的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和原理圖2為一種工程師站DCS模擬量輸出模塊板卡功能柩圖3為一種工程師站DCS模擬量輸出模塊硬件原理框圖4為XTR300電流輸出圖5為DA輸出動(dòng)態(tài)檢測(cè)示意具體實(shí)施例
本發(fā)明為8路0 20mA電流輸出板卡，輸出量程為0-20mA。板卡主要有由D/A 轉(zhuǎn)換、電流驅(qū)動(dòng)輸出、輸出回讀及通訊電路等組成。板卡通過(guò)SN1總線(xiàn)通訊協(xié)議 接收操作站設(shè)定各通道的輸出碼值送入D/A控制器，D/A輸出的電壓值經(jīng)驅(qū)動(dòng)輸出電路輸出電流；同時(shí)采樣輸出通道上的電流并通過(guò)A/D回讀上報(bào)MCU與通道 設(shè)定值進(jìn)行比較確定輸出是否正常；板卡能夠檢測(cè)MCU自身工作狀態(tài)情況，支持 實(shí)時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)、通信狀態(tài)、故障報(bào)警指示，并具有電流輸出開(kāi)路、負(fù)載故障檢測(cè) 功能。
功能框圖見(jiàn)圖2: 英文縮寫(xiě)說(shuō)明
MCU:采用的是FREESCALE公司的16位微處理器，MC9S12NE64,內(nèi)部集成一個(gè) 以太網(wǎng)口
DAControler: TI公司的DAC芯片DAC8554, 4通道16位的DAC芯片
AD Controler:TI公司的ADC芯片ADC7844， 8通道12位SAR型ADC芯片，采樣
速率較高，達(dá)到200Ksps
V-I Driver: TI公司的工業(yè)級(jí)壓流轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)芯片XTR300
COM.Circuit for SN1:這部分代表IO板卡與上位機(jī)通訊采用的自定義以太網(wǎng)總線(xiàn)SN1 公共電路，即所有的IO板卡使用這部分電路實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)通訊 CSS Board:為另外一塊板卡，提供SN1物理鏈路，我們成為IO通訊轉(zhuǎn)接板卡 說(shuō)明MCU與ADC和DAC通訊采用SPI接口， CPLD為復(fù)雜可編程邏輯器件的簡(jiǎn)稱(chēng)， 內(nèi)部邏輯可編程，用于實(shí)現(xiàn)一些不需要MCU操控的邏輯控制操作。
圖3為SABD01板卡的;E更件原理框圖，板卡通過(guò)48針通訊連接器與底板相連，
8路電流信號(hào)通過(guò)48針信號(hào)連接器送到現(xiàn)場(chǎng)。系統(tǒng)24V電源通過(guò)通訊連接器送到板
卡，現(xiàn)場(chǎng)電源24V通過(guò)信號(hào)連接器送到板卡。板卡與I/O通訊板卡間通過(guò)SN1總線(xiàn)
進(jìn)行通訊。
MCU通過(guò)SN1總線(xiàn)接收IO通信單元板卡下行的配置數(shù)據(jù)，并將配置數(shù)據(jù)通過(guò) SPI 口各通道輸?shù)腄A芯片中，控制DA輸出。D/A輸出的電壓經(jīng)電流驅(qū)動(dòng)芯片 XTR300輸出0-20mA信號(hào)。同時(shí)在最末端的輸出通道上串接一個(gè)小阻值的檢測(cè)電阻， 通過(guò)采樣這個(gè)小電阻上的壓降，經(jīng)A/D回讀通過(guò)SPI 口送回板卡MCU，與對(duì)應(yīng)通道 設(shè)定值進(jìn)行比對(duì)，來(lái)作為通道輸出正常的判據(jù)。
此外由于板卡要求診斷輸出通道開(kāi)路及負(fù)載故障，故利用XTR300內(nèi)部集成的 IA測(cè)量負(fù)載端電壓，并從IAout引腳采樣按照一定比例輸出的電流值，這部分?jǐn)?shù)值 結(jié)合XTR300的報(bào)警輸出信號(hào)EFCM和EFLD可用來(lái)判斷當(dāng)前通道負(fù)載狀況。
MCU根據(jù)XTR300的故障信息以及A/D回讀數(shù)據(jù)和輸出到D/A數(shù)據(jù)的比較結(jié)
果，來(lái)判斷整個(gè)輸出通道是否工作正常，并可以診斷對(duì)應(yīng)的故障狀態(tài)，如果通道有故障或者板卡本身故障，則上傳故障診斷信息。
SN1總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)部分使用網(wǎng)絡(luò)變壓器實(shí)現(xiàn)本板卡電路與底板通訊信號(hào)的隔離，MCU在與A/D和D/A的SPI通訊采用高速數(shù)字隔離器進(jìn)行隔離，其他低速數(shù)字信號(hào)通過(guò)光耦進(jìn)行隔離，8路輸出通道之間不隔離。輸出負(fù)載測(cè)量設(shè)計(jì)
如圖4所示利用XTR300內(nèi)部集成IA檢測(cè)負(fù)載兩端電壓，IAOUT輸出成比例電流信號(hào)，配置采樣電阻RIA，將RIA上的電壓輸入A/D，通過(guò)AD輸出值結(jié)合當(dāng)前通道輸出電流值，即可計(jì)算獲得通道負(fù)載阻抗。具體設(shè)計(jì)如下
考慮板卡輸出20mA時(shí)，驅(qū)動(dòng)負(fù)載不低于750Q (HRS-1BD01-011),按照負(fù)載為
1KQ時(shí)RIA上采樣電壓為4V，配置電阻&， ， 分別選取如下
XTR300內(nèi)部?jī)x放增益配置電阻&週選用10kQ ±0,1 % ，溫漂10ppm/°C
AD輸入采樣電阻選用lkQ ± 0.1 % ,溫漂10ppm〃C根據(jù)XTR300內(nèi)部^f義放部分工作原理滿(mǎn)足如下公式
「 = 2及"xj/
可以驗(yàn)證令二 1 kQ ; 7。"' 二20mA; Ao相二iKH ;及g揚(yáng)=! okQ
按照上面公式計(jì)算可以實(shí)現(xiàn)電流輸出20mA,A d二lKn時(shí)，AD采樣輸入電壓為4V;
XTR300中的EFLD引腳為芯片對(duì)輸出狀態(tài)負(fù)載監(jiān)控的引腳。當(dāng)XTR300工作在0 20mA電流輸出模式時(shí)，負(fù)載增加到芯片無(wú)法按照輸入電壓輸出正常電流時(shí)，該引腳將置低電平，表明負(fù)載過(guò)大或開(kāi)路；
EFCM引腳為芯片監(jiān)控內(nèi)部IA共模輸入范圍報(bào)警輸出，當(dāng)負(fù)載兩端電壓超過(guò)XTR300內(nèi)部IA輸入共模電壓范圍[(V-)+3 (V+)-3]時(shí)，EFCM引腳將輸出低電平；此信號(hào)將用于保證IA測(cè)量值的正確性。DA輸出動(dòng)態(tài)檢測(cè)功能設(shè)計(jì)圖5DA輸出動(dòng)態(tài)檢測(cè)示意圖
AOS電流輸出板卡能夠支持定期檢測(cè)各通道DA控制器芯片是否還能夠正常響應(yīng)動(dòng)態(tài)輸入信號(hào)正常輸出，在對(duì)某通道進(jìn)行檢測(cè)時(shí)將變換輸入碼值驗(yàn)證DA芯片是否能夠正常響應(yīng)輸出，
這個(gè)檢測(cè)應(yīng)該是在線(xiàn)完成的，故此時(shí)對(duì)應(yīng)通道電流輸出功能應(yīng)該要求保持不受影響，故對(duì)DA控制器芯片采用了冗余設(shè)計(jì)，每個(gè)通道均由一個(gè)2:1模擬開(kāi)關(guān)(AnalogSwitches)控制選擇常閉觸點(diǎn)端對(duì)外輸出進(jìn)入電流驅(qū)動(dòng)輸出芯片XTR300。
該狀態(tài)為AOS板卡完成正常的模擬量輸出功能時(shí)所處的狀態(tài)， 一旦啟動(dòng)進(jìn)行DAC動(dòng)態(tài)檢測(cè)功能時(shí)；
(1) 則首先MCU通過(guò)SPI接口控制備用的DAC芯片輸出當(dāng)前通道正在保持輸出的
電壓
(2) 通過(guò)GPIO腳控制模擬開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)位置，使觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)移動(dòng)到NO位置(常開(kāi)觸點(diǎn))，模擬開(kāi)關(guān)切換的速度是很快的，在ns級(jí)，故對(duì)外正常輸出功能不會(huì)收到影響
(3) 接下來(lái)，將對(duì)之前一直作為主芯片工作的DAC芯片響應(yīng)動(dòng)態(tài)輸入命令變化輸出的功能進(jìn)行檢測(cè)，即進(jìn)行DAC動(dòng)態(tài)輸出檢測(cè)，具體操作是，由單片機(jī)通過(guò)SPI接口對(duì)這片待測(cè)DAC芯片寫(xiě)入一系列變化的碼值，由一片ADC芯片采集該DAC的輸出，檢查其響應(yīng)是否正確，若正確則該DAC芯片的動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試通過(guò)，不正確說(shuō)明該片DAC損壞，需要報(bào)警。
GPIO:標(biāo)識(shí)由單片機(jī)(MCU)的通用IO引腳給出的控制信號(hào)，用于控制模擬開(kāi)關(guān)的觸點(diǎn)位置(NC常閉觸點(diǎn)，NO常開(kāi)觸點(diǎn))
AOS電流輸出板卡能夠支持定期檢測(cè)各通道DA控制器芯片是否還能夠正常響應(yīng)動(dòng)態(tài)輸入信號(hào)正常輸出，在對(duì)某通道進(jìn)行檢測(cè)時(shí)將變換輸入碼值驗(yàn)證DA芯片是否能夠正常響應(yīng)輸出，
這個(gè)檢測(cè)應(yīng)該是在線(xiàn)完成的，故此時(shí)對(duì)應(yīng)通道電流輸出功能應(yīng)該要求保持不受影響，故對(duì)DA控制器芯片采用了冗余設(shè)計(jì)，每個(gè)通道均由一個(gè)2:1模擬開(kāi)關(guān)(AnalogSwitches)控制選擇常閉觸點(diǎn)端對(duì)外輸出進(jìn)入電流驅(qū)動(dòng)輸出芯片XTR300。
該狀態(tài)為AQS板卡完成正常的模擬量輸出功能時(shí)所處的狀態(tài)， 一旦啟動(dòng)進(jìn)行DAC動(dòng)態(tài)檢測(cè)功能時(shí)，
(1) 則首先MCU通過(guò)SPI接口控制備用的DAC芯片輸出當(dāng)前通道正在保持輸出的
電壓
(2) 通過(guò)GPIO腳控制模擬開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)位置，使觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)移動(dòng)到NO位置(常開(kāi)觸點(diǎn))，模擬開(kāi)關(guān)切換的速度是很快的，在ns級(jí)，故對(duì)外正常輸出功能不會(huì)收到影響
(3) 接下來(lái)，將對(duì)之前一直作為主芯片工作的DAC芯片響應(yīng)動(dòng)態(tài)輸入命令變化輸出的功能進(jìn)行檢測(cè)，即進(jìn)行DAC動(dòng)態(tài)輸出檢測(cè)，具體操作是，由單片機(jī)通過(guò)SPI接
11口對(duì)這片待測(cè)DAC芯片寫(xiě)入一系列變化的碼值，由一片ADC芯片采集該DAC的輸出，檢查其響應(yīng)是否正確，若正確則該DAC芯片的動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試通過(guò)，不正確說(shuō)明該片DAC損壞，需要報(bào)警。
板卡能夠支持定期檢測(cè)各通道DA控制器芯片是否還能夠正常響應(yīng)動(dòng)態(tài)輸入信
號(hào)正常輸出，在對(duì)某通道進(jìn)行檢測(cè)時(shí)將變換輸入碼值驗(yàn)證DA芯片是否能夠正常響
應(yīng)輸出，這個(gè)檢測(cè)應(yīng)該是在線(xiàn)完成的，故此時(shí)對(duì)應(yīng)通道電流輸出功能應(yīng)該要求保持
不受影響，故對(duì)DA控制器芯片采用了冗余設(shè)計(jì)，每個(gè)通道均由一個(gè)2:1模擬開(kāi)關(guān)控
制選擇常閉觸點(diǎn)端對(duì)外輸出進(jìn)入電流驅(qū)動(dòng)輸出芯片XTR300。
本申請(qǐng)文件中所用其他英文縮寫(xiě)的說(shuō)明
MCU:采用的是FREESCALE公司的16位微處理器，MC9S12NE64,內(nèi)部集成一個(gè)以太網(wǎng)口
DA Controler: TI公司的DAC芯片DAC8554, 4通道16位的DAC芯片
AD Controler:TI公司的ADC芯片ADC7844, 8通道12位SAR型ADC芯片，采樣
速率較高，達(dá)到200Ksps
V-I Driver: TI公司的工業(yè)級(jí)壓流轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)芯片XTR300
COM.Circuit for SN1:這部分代表IO板卡與上位機(jī)通訊采用的自定義以太網(wǎng)總線(xiàn)SN1公共電路，即所有的IO板卡使用這部分電路實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)通訊CSS Board:為另外一塊板卡，提供SN1物理鏈路，我們成為IO通訊轉(zhuǎn)接板卡說(shuō)明MCU與ADC和DAC通訊采用SPI接口， CPLD為復(fù)雜可編程邏輯器件的簡(jiǎn)稱(chēng)，內(nèi)部邏輯可編程，用于實(shí)現(xiàn)一些不需要MCU操控的邏輯控制操作。
權(quán)利要求
1、一種工程師站DCS模擬量輸出模塊，所述工程師站DCS模擬量輸出模塊、0-20mA電流輸出板卡，板卡包括D/A轉(zhuǎn)換模塊、電流驅(qū)動(dòng)輸出及通訊電路上述功能組件，所述板卡通過(guò)SN1總線(xiàn)通訊協(xié)議接收工程師站組態(tài)下發(fā)的設(shè)定各通道的輸出碼值送入D/A控制器，D/A輸出的電壓值經(jīng)驅(qū)動(dòng)輸出電路輸出電流，其特征在于所述工程師站DCS模擬量輸出模塊通過(guò)SN1總線(xiàn)接收IO通信單元板卡下行的配置數(shù)據(jù)，并將配置數(shù)據(jù)通過(guò)SPI口各通道輸入DA芯片中，控制DA輸出，DA輸出的電壓經(jīng)電流驅(qū)動(dòng)芯片XTR300輸出0-20mA信號(hào)，所述電流驅(qū)動(dòng)芯片XTR300設(shè)有報(bào)警輸出信號(hào)EFCM和EFLD以及在輸出總線(xiàn)末端設(shè)置信號(hào)回讀程序。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種工程師站DCS模擬量輸出模塊，其特征在于所述電 流驅(qū)動(dòng)芯片XTR300內(nèi)部集成IA檢測(cè)負(fù)載兩端電壓，IAOUT輸出成比例電流信號(hào)， 配置采樣電阻RIA，將配置采樣電阻RIA上的電壓輸入AD，通過(guò)AD輸出值結(jié)合當(dāng) 前通道輸出電流值，即可計(jì)算獲得通道負(fù)載阻抗。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種工程師站DCS模擬量輸出模塊，其特征在于所述電 流驅(qū)動(dòng)芯片XTR300計(jì)算獲得通道負(fù)載阻抗的步驟具體設(shè)計(jì)如下考慮板卡輸出20mA時(shí)，驅(qū)動(dòng)負(fù)載不低于750Q (HRS-1BD01-011),按照負(fù)載為1KQ時(shí)RIA上采樣電壓為4V，配置電阻^"/w ， 分別選取如下XTR300內(nèi)部?jī)x放增益配置電阻&房選用10kQ ±0.1%,溫漂10ppm〃CAD輸入采樣電阻選用lkQ ± 0.1 % ，溫漂10ppm/°C 根據(jù)XTR300內(nèi)部?jī)x放部分工作原理滿(mǎn)足如下公式<formula>formula see original document page 2</formula>可以驗(yàn)證令= 1 kQ ; 7。"' =20mA; ^。必二 1KD ;及"加=10kf2按照上面公式計(jì)算可以實(shí)現(xiàn)電流輸出20mA,A^。二lKT2時(shí)，AD采樣輸入電壓 為4V;XTR300中的EFLD引腳為芯片對(duì)輸出狀態(tài)負(fù)載監(jiān)控的引腳。當(dāng)XTR300工作在0~20mA電流輸出模式時(shí)，負(fù)載增加到芯片無(wú)法按照輸入電壓輸出正常電流時(shí)， 該引腳將置低電平，表明負(fù)載過(guò)大或開(kāi)路；EFCM引腳為芯片監(jiān)控內(nèi)部IA共模輸入范圍報(bào)警輸出，當(dāng)負(fù)載兩端電壓超過(guò) XTR300內(nèi)部IA輸入共模電壓范圍[(V-)+3 (V+)-3]時(shí)，EFCM引腳將輸出低電平； 此信號(hào)將用于保證IA測(cè)量值的正確性。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種工程師站DCS模擬量輸出模塊，其特征在于所述工 程師站DCS模擬量輸出模塊采取在輸出信號(hào)終端進(jìn)行輸出電路信號(hào)回讀處理，所述 輸出電路信號(hào)回讀處理為……(需要技術(shù)人員提供詳細(xì)技術(shù)方案)
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種工程師站DCS模擬量輸出模塊，其特征在于所述 DA/AD控制器芯片采用亢余設(shè)計(jì)，所述輸出電路信號(hào)回讀處理回路分別設(shè)置在與 DA/AD連接的每個(gè)電流驅(qū)動(dòng)芯片XTR300上。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種工程師站DCS模擬量輸出模塊，其特征在于在板卡 輸出通道最末端的電流環(huán)路上串接一個(gè)小阻值的檢測(cè)電阻，通過(guò)采樣這個(gè)小電阻上 的壓降，經(jīng)A/D回讀通過(guò)SPI 口送回板卡MCU，與對(duì)應(yīng)通道設(shè)定值進(jìn)行比對(duì)，來(lái)做 為通道輸出正常的判據(jù)的基準(zhǔn)。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種工程師站DCS模擬量輸出模塊，其特征在于SN1 總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)部分使用網(wǎng)絡(luò)變壓器實(shí)現(xiàn)本板卡電路與底板通訊信號(hào)的隔離，MCU在與 A/D和D/A的SPI通訊采用高速數(shù)字隔離器進(jìn)行隔離，其他低速數(shù)字信號(hào)通過(guò)光耦 進(jìn)行隔離，8路輸出通道之間不隔離。
8、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種工程師站DCS模擬量輸出模塊，其特征在于板卡支 持定期檢測(cè)各通道DA控制器芯片的正常響應(yīng)動(dòng)態(tài)輸入信號(hào)正常輸出，在對(duì)上述通 道進(jìn)行檢測(cè)時(shí)將變換輸入碼值驗(yàn)證DA芯片能夠正常響應(yīng)輸出，這個(gè)檢測(cè)為在線(xiàn)完 成的，此時(shí)對(duì)應(yīng)上述通道電流輸出功能保持不受影響，對(duì)DA控制器芯片采用了冗 余設(shè)計(jì)，每個(gè)通道均由一個(gè)2:1模擬開(kāi)關(guān)控制選擇常閉觸點(diǎn)端對(duì)外輸出進(jìn)入電流驅(qū)動(dòng) 輸出芯片XTR300。
9 、根據(jù)權(quán)利要求8所述的 一 種工程師站DCS模擬量輸出模 塊，其特征在于MCU通過(guò)SNl總線(xiàn)接收IO通信單元板卡下行的配置數(shù)據(jù)，并將配置數(shù)據(jù)通過(guò)SPI 口各通道輸?shù)腄A芯片中， 控制DA輸出。D/A輸出的電壓經(jīng)電流驅(qū)動(dòng)芯片 XTR300輸出 0-20mA信號(hào)。同時(shí)在最末端的輸出通道上串接 一 個(gè)小阻值的檢 測(cè)電阻，通過(guò)采樣這個(gè)小電阻上的壓降，經(jīng) A/D回讀通過(guò)SPI 口送回板卡 MCU ，與對(duì)應(yīng)通道設(shè)定值進(jìn)行比對(duì)，做為通道輸出 正常的判據(jù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種工程師站DCS模擬量輸出模塊，所述工程師站DCS模擬量輸出模塊0-20mA電流輸出板卡，板卡包括D/A轉(zhuǎn)換模塊、電流驅(qū)動(dòng)輸出及通訊電路上述功能組件，所述板卡通過(guò)SN1總線(xiàn)通訊協(xié)議接收操作站設(shè)定各通道的輸出碼值送入D/A控制器，D/A輸出的電壓值經(jīng)驅(qū)動(dòng)輸出電路輸出電流，其特征在于所述工程師站DCS模擬量輸出模塊通過(guò)SN/1總線(xiàn)接收IO通信單元板卡下行的配置數(shù)據(jù)，并將配置數(shù)據(jù)通過(guò)SPI口各通道輸入DA芯片中，控制DA輸出，DA輸出的電壓經(jīng)電流驅(qū)動(dòng)芯片XTR300輸出0-20mA信號(hào)，所述電流驅(qū)動(dòng)芯片XTR300設(shè)有報(bào)警輸出信號(hào)EFCM和EFLD以及在輸出總線(xiàn)末端設(shè)置信號(hào)回讀程序。
文檔編號(hào)G05B19/418GK101655713SQ20091009156
公開(kāi)日2010年2月24日 申請(qǐng)日期2009年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月25日
發(fā)明者康 程 申請(qǐng)人:北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司