基于WorldFIP现场总线的微机电量变送器的开发
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摘要
现场总线控制系统（FCS）取代分散控制系统（DCS）已经成为自动化技术的发展趋势。相应的，采用数字传输技术的现场总线智能仪表正逐渐成为自控领域发展的热点。
基于上述技术背景，课题设计开发了基于WorldFIP现场总线的一种底层设备－微机电量变送器。
文章从应用角度出发对WorldFIP现场总线协议及其技术特点，通信处理器MicroFIP芯片的功能和结构以及相应的开发工具等内容进行了阐述，分析了其在电力行业的独特优势。
合理选择采样算法是提高微机电量变送器准确度的重要环节。通过对各种采样算法的分析，采用具有完全滤掉各种整次谐波和纯直流分量功能的傅氏算法且采样率为12点/周的交流采样方案，它是能兼顾精度与速度的“最佳”组合。
变送器硬件设计以M68HC12单片机为核心，采用硬件测频技术与高精度高速A/D，对电流、电压进行同步交流采样。软件上考虑了谐波、频率对测量精度的影响，使用自检方法以及抗干扰技术。
该装置采用以MicroFIP芯片为核心的WorldFIP通信卡代替以往的RS-485，根本上改善了通信性能。通信卡能够完成WorldFIP协议所规定的物理层和数据链路层的所有功能。软件设计完成MicroFIP寄存器的初始化和读写、网络变量的配置和管理，实现WorldFIP通信功能。
该装置具有较高的精度和理想的实时通信性能，为WorldFIP现场总线底层设备的后续开发奠定了基础。
Having replaced DCS (Distributed Control System), FCS (Fieldbus Control System) has become the tendency of automation technology. Accordingly, the intelligent instrument adopting digital transmission technology is becoming the focus in the field of automation.
According to the forementioned technical background, the paper will plane to study on the field instrument based on WorldFIP fieldbus in the bottom layer, microcomputer transducer of electric variables.
The protocol and features of WorldFIP fieldbus, MicroFIP component and the device WorldFIP development kit are introduced from the point of application. On the basis of analyzing we have a conclusion of its unique advantages in the power system.
To seek an appropriate algorithm is an important task for improving the accuracy of microcomputer transducer of electric variables. Through comparison of all sorts of sampling methods, the conclusion is obtained: under the sampling rate of 12 point/cycle the Fourier algorithm would meet the need of both accuracy and speed.
The transducer adopts M68HC12 microcontroller as the core in hardware design; The frequency measurement unit employs hardware to measure frequency. The advanced techniques are applied in it, such as synchronous sampling, high speed and high precision A/D converter. The influence of harmonics and frequency on the accuracy of measurement is considered; Self-testing method and anti-interference measures are adopted in software design.
Instead of RS-485 interface, a communication board of WorldFIP whose core is MicroFIP chip, can improve communicate capability. The board can accomplish the functions specified by the physical layer and data link layer of WorldFIP protocol. We can fulfill initializing of register and writing and reading of network variables and message. And then, the transducer of electrical variables can communications with othereqiupments based on WorldFIP fieldbus.
In conclusion, the transducer has higher measuring precision and powerful real-time communicate function. The study will establish favorable base for latter development of field instrument based on WorldFIP fieldbus.
Zhao yingyu(industrial automation)
Directed by Professor Bai yan
基于上述技术背景，课题设计开发了基于WorldFIP现场总线的一种底层设备－微机电量变送器。
文章从应用角度出发对WorldFIP现场总线协议及其技术特点，通信处理器MicroFIP芯片的功能和结构以及相应的开发工具等内容进行了阐述，分析了其在电力行业的独特优势。
合理选择采样算法是提高微机电量变送器准确度的重要环节。通过对各种采样算法的分析，采用具有完全滤掉各种整次谐波和纯直流分量功能的傅氏算法且采样率为12点/周的交流采样方案，它是能兼顾精度与速度的“最佳”组合。
变送器硬件设计以M68HC12单片机为核心，采用硬件测频技术与高精度高速A/D，对电流、电压进行同步交流采样。软件上考虑了谐波、频率对测量精度的影响，使用自检方法以及抗干扰技术。
该装置采用以MicroFIP芯片为核心的WorldFIP通信卡代替以往的RS-485，根本上改善了通信性能。通信卡能够完成WorldFIP协议所规定的物理层和数据链路层的所有功能。软件设计完成MicroFIP寄存器的初始化和读写、网络变量的配置和管理，实现WorldFIP通信功能。
该装置具有较高的精度和理想的实时通信性能，为WorldFIP现场总线底层设备的后续开发奠定了基础。
Having replaced DCS (Distributed Control System), FCS (Fieldbus Control System) has become the tendency of automation technology. Accordingly, the intelligent instrument adopting digital transmission technology is becoming the focus in the field of automation.
According to the forementioned technical background, the paper will plane to study on the field instrument based on WorldFIP fieldbus in the bottom layer, microcomputer transducer of electric variables.
The protocol and features of WorldFIP fieldbus, MicroFIP component and the device WorldFIP development kit are introduced from the point of application. On the basis of analyzing we have a conclusion of its unique advantages in the power system.
To seek an appropriate algorithm is an important task for improving the accuracy of microcomputer transducer of electric variables. Through comparison of all sorts of sampling methods, the conclusion is obtained: under the sampling rate of 12 point/cycle the Fourier algorithm would meet the need of both accuracy and speed.
The transducer adopts M68HC12 microcontroller as the core in hardware design; The frequency measurement unit employs hardware to measure frequency. The advanced techniques are applied in it, such as synchronous sampling, high speed and high precision A/D converter. The influence of harmonics and frequency on the accuracy of measurement is considered; Self-testing method and anti-interference measures are adopted in software design.
Instead of RS-485 interface, a communication board of WorldFIP whose core is MicroFIP chip, can improve communicate capability. The board can accomplish the functions specified by the physical layer and data link layer of WorldFIP protocol. We can fulfill initializing of register and writing and reading of network variables and message. And then, the transducer of electrical variables can communications with other
In conclusion, the transducer has higher measuring precision and powerful real-time communicate function. The study will establish favorable base for latter development of field instrument based on WorldFIP fieldbus.
Zhao yingyu(industrial automation)
Directed by Professor Bai yan
引文
1 阳宪惠. 现场总线技术及其应用. 清华大学出版社，1999.
2 白焰，吴鸿，杨国田. 分散控制系统与现场总线控制系统－基础、评选、设计和应用. 中国电力出版社，2001.
3 赵伟，吕鸿莉，郭蕴蛟. 电子式电能表及其在现代用电管理中的应用. 中国电力出版社，1999
4 何立民. 单片机应用系统设计—系统配置与接口技术. 北京航空航天大学出版社，1990
5 李国杰，孙元章，卢强. 微机多功能电量变送器的研究. 电力系统自动化，1993，17(6)：33-
6 陈虹，唐鸿儒，曹卫. 基于现场总线的变电所智能仪表的技术研究. 自动化与仪表，1997，12(2)：
7 刚寒秋，齐秋群. MOTOROLA单片机应用系统设计与接口技术.机械工业出版社，1996.
8 黄益庄. 变电站综合自动化技术. 中国电力出版社，2000.
9 陈向群，杨宗刚. 预付费电能表及其检定. 中国电力出版社，2000.
10 胡道元. 信息网络集成技术. 清华大学出版社，1996.
11 斯可克. 现场总线的现状与发展——北京国际现场总线展览会观感. 自动化博览，
12 翟坦. 数据及网络基础. 南开大学出版社，1996.
13 邵贝贝. WorldFIP：现场总线的又一颗新星. 电子产品世界，2000，5：59-60.
14 吴亚平. WorldFIP概述. 中国仪器仪表，1998，4：1-3.
15 张红，王诚梅. 电力系统常用交流采样方法比较. 华北电力技术，1999，4:25-27.
16 郑兴华，滤除衰减直流分量的全周傅氏精确算法. 浙江电力，1998，1:46-48.
17 文康珍，黎文安. 基于现场总线的变电站监测监控的设计与实现. 电工技术杂志，2000，9:21-23.
18 曹孝宁，龙可微，陈小虎. 交流采样的微机电量变送器及其自检技术. 电力自动化设备，2000，20(6):23-26.
19 刘丽阁，东南. 电量变送器的发展回顾与展望. 电测与仪表，1999，36(404):10-14.
20 张高峰，权先璋，张勇传. 电气参数测量研究. 水电能源科学，1999，17(2):53-55.
21 杨长春，史国栋. 基于LonWorks的智能化电量计量系统. 江苏石油化工学院学报，2000，12(4):39-42.
22 MicroFIP User Reference Manual， ALS 50280
23 杨兆华，刘俊虎. 多回线交流电参数的采样研究与应用. 佛山大学学报，1997，15(4):52-58.
24 王守权，张薇. 单片机实现交流信号参数的测量. 长春邮电学院学报，1999，17(1):40-47.
25 杨佃福. 基金会现场总线控制器及网板的设计. 化工自动化仪表，1998，25(6):49-54.
26 张至柔，李哲英. 现场总线技术及其在铁路系统中的应用. 铁路信号，1999，35(9):30-32.
27 冯玉贵，刘思久，张礼勇，杨江浑. 分布式测控系统中的CAN总线技术. 电测与仪表，1999，36(398):38-41.
28 谭天乐. PML3720在电力监控系统中的应用. 电力自动化设备，2000，20(1):9-11.
29 王家桢，王军阶. 传感器与变送器. 清华大学出版社，1998.
30 熊岗. 一种能滤除衰减分量的交流采样新算法. 电力系统自动化，1997，24(2).
31 Marcelo Luis Dultra. Fieldbus Control System. Advance in Instrumentation and Control，Vol.51，1996.
2 白焰，吴鸿，杨国田. 分散控制系统与现场总线控制系统－基础、评选、设计和应用. 中国电力出版社，2001.
3 赵伟，吕鸿莉，郭蕴蛟. 电子式电能表及其在现代用电管理中的应用. 中国电力出版社，1999
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6 陈虹，唐鸿儒，曹卫. 基于现场总线的变电所智能仪表的技术研究. 自动化与仪表，1997，12(2)：
7 刚寒秋，齐秋群. MOTOROLA单片机应用系统设计与接口技术.机械工业出版社，1996.
8 黄益庄. 变电站综合自动化技术. 中国电力出版社，2000.
9 陈向群，杨宗刚. 预付费电能表及其检定. 中国电力出版社，2000.
10 胡道元. 信息网络集成技术. 清华大学出版社，1996.
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12 翟坦. 数据及网络基础. 南开大学出版社，1996.
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15 张红，王诚梅. 电力系统常用交流采样方法比较. 华北电力技术，1999，4:25-27.
16 郑兴华，滤除衰减直流分量的全周傅氏精确算法. 浙江电力，1998，1:46-48.
17 文康珍，黎文安. 基于现场总线的变电站监测监控的设计与实现. 电工技术杂志，2000，9:21-23.
18 曹孝宁，龙可微，陈小虎. 交流采样的微机电量变送器及其自检技术. 电力自动化设备，2000，20(6):23-26.
19 刘丽阁，东南. 电量变送器的发展回顾与展望. 电测与仪表，1999，36(404):10-14.
20 张高峰，权先璋，张勇传. 电气参数测量研究. 水电能源科学，1999，17(2):53-55.
21 杨长春，史国栋. 基于LonWorks的智能化电量计量系统. 江苏石油化工学院学报，2000，12(4):39-42.
22 MicroFIP User Reference Manual， ALS 50280
23 杨兆华，刘俊虎. 多回线交流电参数的采样研究与应用. 佛山大学学报，1997，15(4):52-58.
24 王守权，张薇. 单片机实现交流信号参数的测量. 长春邮电学院学报，1999，17(1):40-47.
25 杨佃福. 基金会现场总线控制器及网板的设计. 化工自动化仪表，1998，25(6):49-54.
26 张至柔，李哲英. 现场总线技术及其在铁路系统中的应用. 铁路信号，1999，35(9):30-32.
27 冯玉贵，刘思久，张礼勇，杨江浑. 分布式测控系统中的CAN总线技术. 电测与仪表，1999，36(398):38-41.
28 谭天乐. PML3720在电力监控系统中的应用. 电力自动化设备，2000，20(1):9-11.
29 王家桢，王军阶. 传感器与变送器. 清华大学出版社，1998.
30 熊岗. 一种能滤除衰减分量的交流采样新算法. 电力系统自动化，1997，24(2).
31 Marcelo Luis Dultra. Fieldbus Control System. Advance in Instrumentation and Control，Vol.51，1996.
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