WorldFIP接口型機車用能耗記錄儀的製作方法

2023-05-08 06:28:16

專利名稱：WorldFIP接口型機車用能耗記錄儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及機車網絡控制，尤其涉及一種基於WorldFIP的標準網絡通過測 量電流和電壓來測量電功率的機車耗能記錄裝置。
背景技術：
目前，用於機車能耗測量記錄的方法，是基於傳統的控制方式，通過電壓、 電流傳感器接收設備的電壓和電流值，然後將這些測值通過硬線直連的方式送 到司機室內，並與儀表相連，從而顯示或記錄能耗情況。由於這種方法需要將 每個設備分別接入，設備越多所需的接線量越大，故使搭建的測能系統也越復 雜，造成系統構成成本增加，可靠性降低，操作、維護及檢修工作也相對繁瑣。 如今，很多機車在控制上實現了網絡化，記錄能耗需測量的電壓電流信息，也 和其他數據一樣在網絡上傳輸，這就為使用一種設備從網絡上直接得到所需電 流電壓的相關信息，並依此計算其電功率提供了可能，從而克服了傳統測量方 式所帶來的問題，為能耗測量開闢了一個新方向。
WorldFIP(World Factory Instrumentation Protocol),是符合EN50170標準的 一種面向工業控制的現場總線，提供現場設備和控制器以及控制器之間的數字 化連接。相對於其他的國際現場總線標準，WorldFIP在技術上的特點和優勢如 下
1) 可靠性高。WorldFIP具有極強的抗幹擾能力；能完全滿足IEC關於電磁 兼容性的EMC標準；支持電纜冗餘，大部分協議固化在硬體上，穩定性強。
2) 實時性好。生產者一消費者模式和總線仲裁器的調度方式保證了在一條 總線上傳遞大量信息的同時，不會干擾實時變量的通信。
3) 協議單一。WorldFIP現場總線不論低速還是高速，只有一套通信協議， 所以不需要任何網橋或網關，低速與高速網絡的銜接只用軟體完成。
4) 可與Internet透明連接。由於WoridFIP能分別處理實時數據和消息， 滿足了 Internet通信與實時自動化通信互不幹擾的要求。因此WoridFIP是連接
總線和Internet的當然之選。
由於WoridFIP網絡是國際上許多大公司採用的一種技術，使用範圍廣泛， 而機車的能耗測量又是一項較重要的工作，因此基於WoridFIP網絡的WoridFIP 接口型機車用能耗記錄儀既順應發展趨勢又具有很強的實用性。

發明內容
本發明的目的是提供一種WoridFIP接口型機車用能耗記錄儀。當WoridFIP 網絡應用於機車上時，幾乎所有數據都是通過網絡進行傳輸的，機車運行的電 壓電流等信息也不例外，它們由網絡系統的主控制器發送到WoridFIP網上(此 過程由網絡自主完成)，所述能耗記錄儀則直接從網上讀取電壓電流信息並進行 記錄。
本發明的技術解決方案是這樣實現的
一種WoridFIP接口型機車用能耗記錄儀，其特徵在於包括C8051F040構 成的主控制器模塊、MICROFIP構成的WoridFIP協議控制模塊、由LCM12864ZK 型液晶顯示屏和控制鍵盤構成的數據顯示控制單元、以及WoridFIP專用總線收 發器和供電單元，所述的WoridFIP專用總線收發器通過內側接口與WoridFIP 協議控制模塊的信號收發和控制引腳相連；所述的WoridFIP協議控制模塊通過 地址總線A0-A8和數據總線D0-D8以及讀寫控制線RD/WR、片選信號CS、選 通信號ALE與主控制器模塊相連；所述的數據顯示控制單元的數據線DT0-DT7 與主控模塊的P3 口相連，鍵盤控制接口與P2.0-P2.4弓l腳相連；所述的主控制 器模塊主要通過P6和P7 口與WoridFIP協議控制模塊通信，通過P2和P3 口與 數據顯示控制單元交換信息；所述的供電單元將+5V電壓送到WoridFIP專用總 線收發器和數據顯示單元的VCC引腳，將+3.3V電壓送入主控模塊和WoridFIP 協議控制模塊的電源引腳，供電單元的參考地輸出GND則與板內所有GND信 號相連，與正電壓構成迴路；WoridFIP總線上傳輸的信號通過WoridFIP專用總 線送入到WoridFIP協議控制模塊，經解碼後，將數據轉入主控制器，數據在主 控模塊內進行解析、處理、存儲，最後以8位並口數據的形式發送給數據顯示 控制單元。
所述的WoridFIP專用總線收發器包括WoridFIP專用的總線收發晶片 FIELDRIVE、接口隔離晶片FIELDTR以及具有三態輸出的驅動晶片74LVC244; 所述各模塊通過內部總線電連接。
所述的供電單元電路包括電源轉換晶片AS1117M3-3.3和MIC5207，以及隔 離晶片BO505T。
一種所述WorldFIP接口型機車用能耗記錄儀的控制方法，其控制過程包括 系統初始化和主控制器狀態設置的步驟，其特徵在於還包括下述步驟
(1) 協議控制器MICROFIP初始化；
(2) 埠信息配置；
(3) 讀取電壓電流信息；
(4) 計算能耗；
(5) 顯示存儲信息；
(6) 判斷有否按鍵信息，並在下述步驟中進行選擇
(7) 無按鍵信息，則返回系統初始化；
(8) 有按鍵信息，則進行鍵盤處理；
(9) 返回系統初始化。
與現有技術相比較，本發明的優點在於能直接從網絡上取出電流電壓信息 進行記錄，並依其值計算出電功率，從而改變了傳統的基於傳感器的控制方式。


本發明有7幅附圖，其中
圖l是本發明的結構框圖2是本發明的電路結構圖3是本發明的主控制器晶片C8051F040電路圖4是本發明的FIP協議控制器MICROFIP電路圖5是本發明的總線收發器FIELDRIVE及隔離變壓器FIELDTR構成的 WorldFIP接口電路圖6是本發明的液晶顯示屏與顯示屏控制鍵盤的接口電路圖； 圖7是供電單元部分電路圖8是本發明的程序框圖。
具體實施例方式
如圖1-圖7所示的一種WorldFIP接口型機車用能耗記錄儀，硬體組成包括 主控制器模塊、WorldFIP協議控制模塊、數據顯示控制單元以及WorldFIP專用
總線收發器和供電單元，見圖1所示。硬體的作用主要是為各模塊電路提供物
理連接，接收或截留WorldFIP總線中的電壓、電流信號並負責信號物理傳輸過 程，同時為設備提供工作電源。
所述能耗記錄儀包括兩路WorldFIP信號通路，總線信號通過WorldFIP專用 總線收發器採集到系統內部，其中FIP隔離變壓器FIELDTR2可防止外部信號 對系統的幹擾，隔離後的信號送入專用收發晶片FIELDTR2的12、 18管腳，經 電平轉換後送入驅動晶片SN74LVC244A的12、 14、 16、 18管腳，信號經驅動 後再送入MICROFIP協議控制晶片。WorldFIP信號通路為雙向設計，信號也可 從系統內部向WorldFIP總線發送。系統的主控模塊與MICROFIP協議控制晶片 之間通過數據總線、地址總線互傳數據，並連有ALE、 CS、 RD、 WR等控制信 號，保證正確的傳輸時序。主控模塊將轉換後的數據通過P3 口傳輸到顯示控制 單元的DT0-DT7數據引腳內。與二者相連的S1-S5鍵控制顯示單元的/RST、PSB、 SCLK、 R/W和CS信號並通過TO旋鈕控制顯示屏的明亮度。
FIP隔離變壓器FIELDTR是將WorldFIP網絡的外電路信號經過磁隔離送入 總線收發器，或將總線收發器的信號經高頻隔離變壓器送至WorldFIP網絡，它 的隔離電壓達3000Vrms， EMC滿足IEC61000-4標準。
FIP總線收發晶片F正LDRIVE是一個集成的線路工具，為WorldFIP協議 控制器和高頻隔離變壓器提供電氣接口，它將協議控制器送來的數位訊號轉換 成曼徹斯特信號，然後將功率驅動後的信號送至高頻隔離變壓器，或將高頻隔 離變壓器送來的曼徹斯特網絡信號解碼成數位訊號，送入協議控制器。
FIP協議控制器MICROFIP是一種通信微控制器，按功能分為控制部分、 雙口存儲器、用戶接口、 PIA、 PIB 口和訂戶號輸入口、 UART (要求符合NFC 或是IEC標準的幀結構和FCS計算)、介質冗餘管理。內置的通信協議與 WorldFIP標準兼容，可提供周期性緩衝傳輸和數據鏈路層報文服務，也支持應 用層更新和提示機制。另外還能支持和管理介質冗餘，無需外加晶片。
C8051F040主控制器是整個設備的核心部分，完成了能耗記錄的功能控制。 C8051F040是完全集成的混合信號片上系統型MCU，具有64個數字I/O弓l腳， 片內採用Silicon Lab的專利CIP-51微控制器內核。每個MCU都可在工業溫 度範圍(-45°CilJ+85°C)工作，工作電壓為2.7 3.6V。由於能耗記錄儀的應用
需要，要求設備具有存儲數據的功能，當系統暫時掉電時，FLASH存儲器除了
用於存儲程序代碼之外還可以用於非易失性數據存儲。這就有效的保證了應用 的安全可靠。
LCM12864ZK型液晶顯示屏的字型ROM內含8192個16*16點中文字型和 128個16*8半寬的字母符號字型；電源操作範圍寬(2.7Vto5.5V)，低功耗設 計可滿足產品的省電要求；同時與單片機等微控器的接口界面靈活(三種模式: 並行8位/4位，串行3線/2線)。
供電單元包括幾種等級的電源晶片及保護電路，負責整個系統的供電。產 生的電壓等級包括隔離的+5V電壓、+3.3V電壓和+2.5V電壓。
軟體的作用是根據現場應用要求，控制WorldFIP協議控制晶片的工作時序， 將WorldFIP數據在主控晶片中進行處理、存儲，將數據送入顯示屏並處理人機 接口的鍵盤掃描工作。
權利要求
1.一種WorldFIP接口型機車用能耗記錄儀，其特徵在於包括C8051F040構成的主控制器模塊(6)、MICROFIP構成的WorldFIP協議控制模塊(5)、由LCM12864ZK型液晶顯示屏(7)和控制鍵盤(8)構成的數據顯示控制單元、以及WorldFIP專用總線收發器(1)和供電單元(9)，所述的WorldFIP專用總線收發器(1)通過內側接口與WorldFIP協議控制模塊(5)的信號收發和控制引腳相連；所述的WorldFIP協議控制模塊(5)通過地址總線A0-A8和數據總線D0-D8以及讀寫控制線RD/WR、片選信號CS、選通信號ALE與主控制器模塊(6)相連；所述的數據顯示控制單元的數據線DT0-DT7與主控模塊的P3口相連，鍵盤控制接口與P2.0-P2.4引腳相連；所述的主控制器模塊(6)主要通過P6和P7口與WorldFIP協議控制模塊(5)通信，通過P2和P3口與數據顯示控制單元交換信息；所述的供電單元將+5V電壓送到WorldFIP專用總線收發器(1)和數據顯示單元的VCC引腳，將+3.3V電壓送入主控模塊和WorldFIP協議控制模塊的電源引腳，供電單元的參考地輸出GND則與板內所有GND信號相連，與正電壓構成迴路；WorldFIP總線上傳輸的信號通過WorldFIP專用總線送入到WorldFIP協議控制模塊(5)，經解碼後，將數據轉入主控制器(6)，數據在主控模塊(6)內進行解析、處理、存儲，最後以8位並口數據的形式發送給數據顯示控制單元。
2、根據權利要求l所述的WorldFIP接口型機車用能耗記錄儀，其特徵在 於所述的WorldFIP專用總線收發器(1)包括WorldFIP專用的總線收發晶片 FIELDRIVE (3)、接口隔離晶片FIELDTR (2)以及具有三態輸出的驅動晶片 74LVC244 (4);所述各模塊通過內部總線電連接。
3、 根據權利要求2所述的WorldFIP接口型機車用能耗記錄儀，其特徵在 於所述的供電單元電路包括電源轉換晶片AS1117M3-3.3和MIC5207，以及隔離 晶片BO505T。
4、 一種如權利要求1所述WorldFIP接口型機車用能耗記錄儀的控制方法， 其控制過程包括系統初始化和主控制器狀態設置的步驟，其特徵在於還包括下 述步驟 (1) 協議控制器MICROFIP初始化；(2) 埠信息配置；(3) 讀取電壓電流信息；(4) 計算能耗；(5) 顯示存儲信息；(6) 判斷有否按鍵信息，並在下述步驟中進行選擇:(7) 無按鍵信息，則返回系統初始化；(8) 有按鍵信息，則進行鍵盤處理；(9) 返回系統初始化。
全文摘要
本發明公開了一種WorldFIP接口型機車用能耗記錄儀。包括主控制器模塊、WorldFIP協議控制模塊、WorldFIP專用總線收發器、數據顯示控制單元和供電單元。WorldFIP信號從總線收發器接收，經協議控制器和主控制器模塊的處理後，發送給數據顯示單元，完成能耗記錄和顯示的功能。
文檔編號G05B19/418GK101367384SQ200810013190
公開日2009年2月18日 申請日期2008年9月11日 優先權日2008年9月11日
發明者濤 吳, 董笑辰, 馬晨普 申請人:中國北車股份有限公司