本發(fā)明涉及數(shù)字溫度傳感器在工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)、環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)應(yīng)用領(lǐng)域，尤其涉及火電廠直接空冷機(jī)組的空冷系統(tǒng)溫度場(chǎng)在線監(jiān)測(cè)應(yīng)用領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

1、在北方地區(qū)直接空冷機(jī)組發(fā)展迅速，但在其運(yùn)行過程中，空冷系統(tǒng)冬季防凍是直接空冷機(jī)組冬季運(yùn)行的一個(gè)尤為重要的問題?？绽涔苁鴥?nèi)結(jié)冰，使空冷翅片管堵塞，嚴(yán)重時(shí)造成管壁破裂泄漏，危及火電廠汽輪機(jī)組的安全運(yùn)行。

2、利用空冷系統(tǒng)溫度場(chǎng)在線監(jiān)測(cè)裝置，通過監(jiān)測(cè)整個(gè)空冷島的溫度場(chǎng)，可輔助判斷空氣側(cè)流動(dòng)的不均勻性而造成局部過冷的情況，以及蒸汽側(cè)在小流量情況下流量分配不均造成局部過冷的情況。

3、由于空冷島溫度場(chǎng)在線監(jiān)測(cè)一般需要布置上千個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，如果用傳統(tǒng)的熱電阻或熱電偶溫度傳感器測(cè)量，需要鋪設(shè)大量電纜線，并且鋪設(shè)安裝也困難。

4、因此，用單總線(一線)數(shù)字溫度傳感器非常適合解決這個(gè)難題。一根線纜上可以安裝上百個(gè)數(shù)字溫度傳感器，并且傳感器僅需一根數(shù)據(jù)線即可完成與微控制器mcu的雙向數(shù)據(jù)通信。此外，每個(gè)數(shù)字溫度傳感器都有一個(gè)唯一的64位rom序列號(hào)，使得mcu能夠識(shí)別并單獨(dú)尋址每個(gè)傳感器，得到其測(cè)量的溫度數(shù)據(jù)。由于一根線纜上可安裝上百個(gè)溫度傳感器，線纜數(shù)量大大減少，鋪設(shè)安裝也變得簡(jiǎn)單，于是單總線數(shù)字溫度傳感器被廣泛應(yīng)用于空冷島溫度場(chǎng)的在線監(jiān)測(cè)。

5、圖1為一個(gè)常見的4通道單總線數(shù)字溫度傳感器數(shù)據(jù)采集電路，其工作過程包括以下步驟：

6、步驟1、微控制器mcu的4個(gè)輸入/輸出i/o腳p1.0～p1.3分別連接至溫度傳感器總線1～溫度傳感器總線4，i/o腳p1.0～p1.3上分別連接有一個(gè)上拉電阻r1～r4到vcc(+5v)，其作用是增加i/o腳p1.0～p1.3的總線驅(qū)動(dòng)能力。

7、步驟2、微控制器mcu控制數(shù)字溫度傳感器的溫度轉(zhuǎn)換過程如下：

8、步驟201、微控制器mcu通過i/o腳p1.0～p1.3分別對(duì)溫度傳感器總線1～溫度傳感器總線4上的溫度傳感器進(jìn)行復(fù)位操作；

9、步驟202、復(fù)位成功后，微控制器mcu對(duì)溫度傳感器總線1～溫度傳感器總線4上的溫度傳感器發(fā)送搜索rom指令，確定接在每根總線上的溫度傳感器的個(gè)數(shù)以及每個(gè)溫度傳感器的64位rom序列號(hào)，并把每根線纜上的溫度傳感器個(gè)數(shù)及每個(gè)溫度傳感器的64位rom序列號(hào)保存到微控制器mcu的e2prom存儲(chǔ)器中；

10、步驟203、微控制器mcu通過i/o腳p1.0～p1.3分別對(duì)溫度傳感器總線1～溫度傳感器總線4上的溫度傳感器進(jìn)行復(fù)位操作，然后對(duì)溫度傳感器總線1～溫度傳感器總線4上的溫度傳感器發(fā)送啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換命令；

11、步驟204、微控制器mcu等待溫度傳感器總線1～溫度傳感器總線4的溫度傳感器完成溫度轉(zhuǎn)換；

12、步驟205、微控制器mcu通過i/o腳p1.0～p1.3分別對(duì)溫度傳感器總線1～溫度傳感器總線4上的溫度傳感器進(jìn)行復(fù)位操作，從e2prom存儲(chǔ)器中取得溫度傳感器總線1上的第一個(gè)溫度傳感器的64位rom序列號(hào)，通過p1.0腳對(duì)總線1發(fā)送rom匹配命令，并寫64位rom序列號(hào)；然后，微控制器mcu發(fā)送讀傳感器暫存器操作命令，讀取與尋址的64位rom序列號(hào)相匹配的溫度傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)；同理，微控制器mcu通過p1.1～p1.3腳可得到溫度傳感器總線2～溫度傳感器總線4上的每個(gè)溫度傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)；

13、步驟206、重復(fù)步驟203～步驟205，微控制器mcu可連續(xù)采集溫度傳感器總線1～溫度傳感器總線4上的溫度傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)。

14、步驟3、微控制器mcu把從溫度傳感器總線1～溫度傳感器總線4上得到的所有溫度傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)，通過uart口經(jīng)rs-485通信接口及總線網(wǎng)絡(luò)傳送到dcs系統(tǒng)中。

15、圖1所示電路工作簡(jiǎn)單，但此電路的缺點(diǎn)有：抗干擾能力、對(duì)傳感器總線驅(qū)動(dòng)能力較差，單總線長(zhǎng)度及接入總線的溫度傳感器數(shù)量受到限制。并且，微控制器mcu與dcs系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信速率也受到限制。因dcs系統(tǒng)是數(shù)據(jù)通信主機(jī)方，裝置的微控制器mcu是數(shù)據(jù)通信從機(jī)方，數(shù)據(jù)通信速率由dcs系統(tǒng)決定，一般dcs系統(tǒng)用modbus?rtu通信協(xié)議時(shí)，數(shù)據(jù)通信速率不高于19200bps。假設(shè)每根溫度傳感器總線上接有100個(gè)溫度傳感器，則4根總線上共有400個(gè)溫度傳感器(400個(gè)溫度測(cè)點(diǎn))，每個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)占用2個(gè)字節(jié)單元。由于modbus?rtu通信協(xié)議一次通信測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)最多125個(gè)(數(shù)據(jù)報(bào)文長(zhǎng)度255個(gè)字節(jié))，則400個(gè)測(cè)點(diǎn)需通信4次才能完成數(shù)據(jù)傳輸(3次125個(gè)測(cè)點(diǎn)，1次25個(gè)測(cè)點(diǎn))。這樣，在19200bps通信速率、“1個(gè)起始位，8個(gè)數(shù)據(jù)位，無(wú)校驗(yàn)位，1個(gè)停止位”10位通信方式下，理論上125個(gè)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)通信時(shí)間(8個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)請(qǐng)求幀傳輸時(shí)間加上255個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)響應(yīng)幀傳輸時(shí)間)最小約：(8+255)*10/19200≈136.98ms，理論上25個(gè)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)通信時(shí)間(8個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)請(qǐng)求幀傳輸時(shí)間加上55個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)響應(yīng)幀傳輸時(shí)間)最小約：(8+55)*10/19200≈32.813ms。于是，400個(gè)測(cè)點(diǎn)理論上總的通信時(shí)間最小約：3*136.98+32.813≈443.8ms。但是，實(shí)際數(shù)據(jù)通信需要考慮通信超時(shí)時(shí)間，dcs系統(tǒng)通信掃描間隔時(shí)間一般會(huì)設(shè)置成200ms，則完成400個(gè)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)通信的周期需要4*200＝800ms。另外，微控制器mcu通過一根數(shù)據(jù)線對(duì)數(shù)字溫度傳感器雙向數(shù)據(jù)通信時(shí)，時(shí)序控制要求非常嚴(yán)格，而且時(shí)序是通過微控制器mcu軟延時(shí)控制i/o腳“高電平”或“低電平”持續(xù)時(shí)間產(chǎn)生的，會(huì)占用mcu處理時(shí)間較長(zhǎng)。如果微控制器mcu去快速響應(yīng)、處理通信事件，可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集出現(xiàn)問題，影響數(shù)據(jù)采集可靠性；如果微控制器mcu不去快速響應(yīng)、處理通信事件，可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)通信有丟包現(xiàn)象，影響數(shù)據(jù)通信可靠性(對(duì)dcs系統(tǒng)方來(lái)說(shuō))。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是：提供一種數(shù)據(jù)采集冗余電路，其不但抗工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)干擾能力強(qiáng)，而且總線驅(qū)動(dòng)能力也強(qiáng)，一根總線上可接入一二百個(gè)數(shù)字溫度傳感器。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種基于前述數(shù)據(jù)采集冗余電路實(shí)現(xiàn)的監(jiān)測(cè)裝置。

2、為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案一個(gè)方面提供了一種單總線數(shù)字溫度傳感器的數(shù)據(jù)采集冗余電路，其特征在于，包括：

3、m個(gè)相同的溫度傳感器數(shù)據(jù)采集模塊，m≥2，其中，每個(gè)溫度傳感器數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)一步包括n個(gè)帶有存儲(chǔ)寄存器的k位串行移位寄存器、n個(gè)k位并行轉(zhuǎn)串行移位寄存器、n個(gè)比較器以及一個(gè)微控制器mcu，n≥2，k≥2：

4、微控制器mcu將n個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)送至n個(gè)k位串行移位寄存器，并鎖存至n個(gè)k位串行移位寄存器的存儲(chǔ)寄存器；n個(gè)k位串行移位寄存器的存儲(chǔ)寄存器并行輸出至n個(gè)k位并行轉(zhuǎn)串行移位寄存器，其中，每個(gè)字節(jié)k位；

5、n個(gè)k位并行轉(zhuǎn)串行移位寄存器經(jīng)由串行數(shù)據(jù)輸出線與n個(gè)比較器對(duì)應(yīng)連接，n個(gè)k位并行轉(zhuǎn)串行移位寄存器輸出的數(shù)據(jù)分別經(jīng)對(duì)應(yīng)的比較器作信號(hào)比較處理后，經(jīng)數(shù)據(jù)總線接口分別發(fā)送至n根溫度傳感器總線；

6、微控制器mcu從n根溫度傳感器總線上讀取的每一位串行數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)總線接口及比較器作信號(hào)比較處理后，從比較器的驅(qū)動(dòng)輸出信號(hào)線上讀取。

7、優(yōu)選地，m個(gè)所述溫度傳感器數(shù)據(jù)采集模塊中：m-1個(gè)所述溫度傳感器數(shù)據(jù)采集模塊為剩余一個(gè)所述溫度傳感器數(shù)據(jù)采集模塊的冗余模塊，一個(gè)所述溫度傳感器數(shù)據(jù)采集模塊構(gòu)成n通道單總線數(shù)字溫度傳感器數(shù)據(jù)采集電路；或者m個(gè)所述溫度傳感器數(shù)據(jù)采集模塊同時(shí)工作，m個(gè)所述溫度傳感器數(shù)據(jù)采集模塊融合成m×n通道單總線數(shù)字溫度傳感器數(shù)據(jù)采集電路。

8、優(yōu)選地，所述微控制器mcu通過第一信號(hào)總線將n個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)送至n個(gè)k位串行移位寄存器，第一信號(hào)總線包括一根移位控制信號(hào)線、一根數(shù)據(jù)線以及一根數(shù)據(jù)鎖存信號(hào)線，則有：

9、第一信號(hào)總線中的一根數(shù)據(jù)線，接到n個(gè)k位串行移位寄存器中的第一個(gè)k位串行移位寄存器，第一個(gè)k位串行移位寄存器的串行數(shù)據(jù)輸出線再接到第二個(gè)k位串行移位寄存器的串行數(shù)據(jù)輸入線，第二個(gè)k位串行移位寄存器的串行數(shù)據(jù)輸出線再接到第三個(gè)k位串行移位寄存器的串行數(shù)據(jù)輸入線，依次串接，直至第n個(gè)k位串行移位寄存器；

10、第一信號(hào)總線中的移位控制信號(hào)線、數(shù)據(jù)鎖存信號(hào)線并接到所述n個(gè)k位串行移位寄存器；

11、微控制器mcu用移位控制信號(hào)把n個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)串行移位送至對(duì)應(yīng)的所述n個(gè)k位串行移位寄存器，再用數(shù)據(jù)鎖存信號(hào)把數(shù)據(jù)鎖存至所述n個(gè)k位串行移位寄存器的存儲(chǔ)寄存器中。

12、優(yōu)選地，所述微控制器mcu用第二信號(hào)總線控制所述n個(gè)k位并行轉(zhuǎn)串行移位寄存器，第二信號(hào)總線包括一根移位控制信號(hào)線以及一根并行數(shù)據(jù)裝載信號(hào)線，則有：

13、移位控制信號(hào)、并行數(shù)據(jù)裝載信號(hào)都并接到所述n個(gè)k位并行轉(zhuǎn)串行移位寄存器；所述微控制器mcu先用并行數(shù)據(jù)裝載信號(hào)，把所述n個(gè)k位串行移位寄存器的存儲(chǔ)寄存器輸出的并行數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)裝載到所述n個(gè)k位并行轉(zhuǎn)串行移位寄存器中；所述微控制器mcu再用移位控制信號(hào)把數(shù)據(jù)從串行數(shù)據(jù)輸出線經(jīng)對(duì)應(yīng)比較器作信號(hào)比較處理后，經(jīng)所述數(shù)據(jù)總線接口發(fā)送至所述n根溫度傳感器總線。

14、本發(fā)明的另一個(gè)技術(shù)方案是公開了一種單總線數(shù)字溫度傳感器數(shù)據(jù)采集裝置，其特征在于，包括j個(gè)基于上述的單總線數(shù)字溫度傳感器的數(shù)據(jù)采集冗余電路實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)采集模塊、兩個(gè)高性能32位arm處理器以及信號(hào)隔離電路，其中：

15、兩個(gè)高性能32位arm處理器中的任意一個(gè)arm處理器通過cs控制信號(hào)，經(jīng)信號(hào)隔離電路使能工作中的所述數(shù)據(jù)采集模塊的溫度傳感器總線上的溫度傳感器開始測(cè)量數(shù)據(jù)；由兩個(gè)arm處理器通過信號(hào)隔離電路同步接收所述數(shù)據(jù)采集模塊反饋的數(shù)據(jù)；兩個(gè)arm處理器通過隔離的兩個(gè)冗余通信總線網(wǎng)絡(luò)把采集的溫度數(shù)據(jù)傳送至dcs系統(tǒng)。

16、優(yōu)選地，所述j個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊中：

17、j-1個(gè)所述數(shù)據(jù)采集模塊為剩余一個(gè)所述數(shù)據(jù)采集模塊的冗余模塊，則兩個(gè)高性能32位arm處理器中的任意一個(gè)arm處理器無(wú)法獲得工作中的所述數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)其發(fā)出的命令請(qǐng)求作出的響應(yīng)時(shí)，由另一個(gè)arm處理器通過cs控制信號(hào)，經(jīng)信號(hào)隔離電路使能冗余的所述數(shù)據(jù)采集模塊中的任意一個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊的溫度傳感器總線上的溫度傳感器開始測(cè)量數(shù)據(jù)；

18、或者所述j個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊中同時(shí)工作，則兩個(gè)高性能32位arm處理器中的任意一個(gè)arm處理器輪詢向所述j個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)送讀取數(shù)據(jù)的通信請(qǐng)求幀。

19、本發(fā)明通過對(duì)串行轉(zhuǎn)并行移位寄存器、并行轉(zhuǎn)串行移位寄存器的簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)傳輸控制，微控制器mcu把數(shù)據(jù)/命令從內(nèi)部預(yù)存儲(chǔ)至外部。同時(shí)，本發(fā)明變換數(shù)據(jù)傳送控制對(duì)象，簡(jiǎn)化統(tǒng)一程序執(zhí)行流程，增加數(shù)據(jù)采集、通信可靠性，同時(shí)保證對(duì)多個(gè)通道的傳感器總線數(shù)據(jù)傳送時(shí)序，始終同步一致。

20、本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的電路，根據(jù)需要可以實(shí)現(xiàn)為4通道數(shù)字溫度傳感器數(shù)據(jù)采集冗余電路及裝置，也可靈活、方便地實(shí)現(xiàn)為8通道、12通道、16通道等等數(shù)字溫度傳感器數(shù)據(jù)采集裝置，并且，由本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的監(jiān)測(cè)裝置，集溫度數(shù)據(jù)采集器與數(shù)據(jù)通信控制器于一體，數(shù)據(jù)采集、通信可靠實(shí)時(shí)。