CN205532881U - 一种用于柴油机监控***的主控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于柴油机监控技术领域，公开的一种用于柴油机监控***的主控制器，包括：输入处理电路、输出处理电路，输入处理电路的2路转速测量电路、8路PT1000测量电路、4路热电偶测量电路、12路4‑20mA测量电路、2路电压测量电路、22路开关量输入测量电路分别与处理器MCU的输入端相连；输出处理电路的2路4‑20mA输出电路、20路开关量输出驱动电路分别与处理器MCU输出端相连；本实用新型实现了柴油机各种参数的监控及预警、自动控制功能，达到了替代原监控***中PLC器件的目的，更好的满足了高速大功率柴油机监控需求，且综合成本低等优势。

Description

一种用于柴油机监控***的主控制器

技术领域

本实用新型属于柴油机监控技术领域，主要涉及用于柴油机转速、温度、压力、蓄电池电压等物理参数的监测、预警的一种用于柴油机监控***的主控制器 ，同时也能实现柴油机自动起停车、数据通讯、冷却水预热、滑油预供等自动控制功能。

背景技术

国内经济的快速发展，石油装备、海洋工程装备、道路工程机械等领域对高速大功率柴油机的需求越来越多，对柴油机监控***的智能化程度要求越来越高。计算机、微电子、网络通信等技术不断升级带动了工业自动化控制技术的快速发展，为柴油机监控***的智能化提升起到了重要作用。早期柴油机监控***多采用毛细管仪表加分立电器元件相结合的形式，具有主控电路原理简单、控制逻辑简单、功能少等特点。当前柴油机监控***更多采用数字式控制方式，仪表多采用数码显示或LCD图形显示，主控部分多采用PLC器件或以单片机为核心的控制器构成。尽管PLC具有硬件通用性强、稳定性好、开发周期短等优点，但存在综合应用成本较高、部分硬件资源闲置、与柴油机控制需求贴合不够紧密等缺点。

发明内容

为解决上述技术问题，本实用新型的目的是提出一种用于柴油机监控***的主控制器。

本实用新型为完成其发明任务采用如下技术方案：

一种用于柴油机监控***的主控制器，包括：输入处理电路、输出处理电路、通讯电路、处理器MCU、电源电路、箱体，箱体内设置有印刷电路板，印刷电路板上设置有与电源电路相连的输入处理电路、输出处理电路、通讯电路、处理器MCU、实时时钟电路；

所述输入处理电路包括：2路转速测量电路、8路PT1000测量电路、4路热电偶测量电路、12路4-20mA测量电路、2路电压测量电路、22路开关量输入测量电路，所述的2路转速测量电路与处理器MCU第一输入端相连，所述的8路PT1000测量电路与处理器MCU第二输入端相连，所述的4路热电偶测量电路与处理器MCU第三输入端相连，所述的12路4-20mA测量电路与处理器MCU第四输入端相连，所述的2路电压测量电路与处理器MCU第五输入端相连，所述的22路开关量输入测量电路与处理器MCU第六输入端相连；

所述输出处理电路包括：2路4-20mA输出电路、20路开关量输出驱动电路，所述的2路4-20mA输出电路与处理器MCU第一输出端相连，所述的20路开关量输出驱动电路与处理器MCU第二输出端相连；

所述通讯电路包括： 2路RS485总线驱动电路和2路CAN总线驱动电路，所述的2路RS485总线驱动电路由RS485隔离收发器组成，RS485隔离收发器一传输端与处理器MCU两个通讯端SCI接口相连，另一传输端与***的2路RS485通讯总线相连；所述的2路CAN总线驱动电路由CAN隔离收发器组成，CAN隔离收发器一传输端与处理器MCU两个CAN控制器相连，另一传输端与***的2路CAN通讯总线相连；

所述电源电路包括：开关电压调节器LM2596-12、DC-DC隔离电源模块，所述的开关电压调节器LM2596-12输入端分别与24V电源转换为隔离的24V的DC-DC隔离电源模块、24V电源转换为隔离的5V的DC-DC隔离电源模块相连，24V电源转换为隔离的24V的DC-DC隔离电源模块型号为：URB2424XD-10WR2；24V电源转换为隔离的5V的DC-DC隔离电源模块型号为：URB2405XD-10WR2；所述处理器MCU电路为飞思卡尔16位处理器9S12XEP100。

一种用于柴油机监控***的主控制器，所述转速测量电路由阻容电路、三极管BC846、光耦PS2811组成，阻容电路通过三极管BC846与光耦PS2811输入端相连，光耦PS2811输入端设置有发光管LED。

一种用于柴油机监控***的主控制器，所述PT1000测量电路，包括：***外部温度传感器PT1000采集输入电路Part_A、8选1多路复用电子开关电路和精密运算放大器，所述的8选1多路复用电子开关电路的输入端Sa-Sb与***外部温度传感器PT1000采集输入电路Part_A输出端相连；8选1多路复用电子开关电路的输出端Da-Db与精密运算放大器输入端相连。

一种用于柴油机监控***的主控制器，所述热电偶测量电路由带冷端补偿的K型热电偶数字转换器MAX6675组成。

一种用于柴油机监控***的主控制器，所述4-20mA测量电路，包括具有供电控制和总电流过流保护功能的压力变送器的供电电源电路Part_A、具有对压力变送器信号进行转换、放大和采样及对单路传感器的过流保护功能的压力变送器的信号采样电路Part_B；

所述的压力变送器的供电电源电路Part_A一端通过接线端P+与***外部压力变送器电源端连接，另一端连接直流电源24V；所述的压力变送器的信号采样电路Part_B一端通过接线端P-与***外部压力变送器信号输出端连接，另一端连接处理器MCU；

所述的压力变送器的供电电源电路Part_A由二极管D1通过三极管Q1与场效应管Q2相连，三极管Q1与场效应管Q2相连B端点通过三极管Q3连接处理器MCU；三极管Q1与场效应管Q2相连B端点与比较器LM2901相连；场效应管Q2型号为FQD17P06；

所述的压力变送器的信号采样电路Part_B由场效应管Q4通过取样电阻与运放器AD8608相连组成；与场效应管Q4相连的取样电阻取样端为D端点，运放器AD8608输出端为F端点；场效应管Q4型号为2N7002。

一种用于柴油机监控***的主控制器，所述电压测量电路为对供电电压或蓄电池电压测量的电路，包括电压隔离输入的隔离变送器T6630P与运放器AD8608，运放器AD8608为同向缓冲器；隔离变送器T6630P的输入端Input1与Input2间电位差即待测电压。

一种用于柴油机监控***的主控制器，所述开关量输入测量电路，包括：开关量输入信号检测电路、带断线侦测的开关量信号检测电路，

所述开关量信号检测电路由检测电路供电电路Part_A、对开关量信号的转换、开关量通道采集电路Part_B与两个多路复用开关电路HC151连接组成，所述检测电路供电电路Part_A由三极管、场效应管、运放器、光耦组成，三极管与场效应管运放器连接构成的复合管A点与第一光耦相连，通过运放器与第二光耦相连；所述开关量通道采集电路Part_B由光耦U4与发光管LED电连接组成；

所述带断线侦测的开关量信号检测电路由检测电路的供电电路Part_A 、开关量通道采集及断线侦测电路Part_B分别与***外部开关量连接组成，开关量通道采集及断线侦测电路Part_B由两组采集/断线侦测电路组成，每组采集/断线侦测电路由阻容电路通过运放器L2901与光耦连接组成。

一种用于柴油机监控***的主控制器，所述4-20mA输出电路由运放AD8608与隔离变送器T6130P电连接构成0V-5V的电压信号转变为4-20mA的电流信号的隔离输出电路。

一种用于柴油机监控***的主控制器，所述开关量输出驱动电路由光耦通过三极管放大器与驱动继电器连接组成，所述的驱动继电器为常开触点输出的继电器，或为常开常闭触点输出的继电器。

由于采用如上所述的技术方案，本实用新型具有如下优越性：

本实用新型所述主控制器综合运用了单片机、现场总线、传感器测量等技术，实现了柴油机各种参数的监控及预警、自动控制功能，达到了替代原监控***中PLC器件的目的，具有控制需求贴合更好、逻辑处理能力更灵活、硬件资源配置更适合、综合成本低等优势。与其它同类柴油机监控***主控部分相比，从硬件资源配置、MCU选用、传感器测量电路、控制器结构等方面都存在不同之处，更好的满足了高速大功率柴油机监控需求。

附图说明

图1 为柴油机监控***架构示意图；

图2 为主控单元实物及面板布局示意图；

图3为主控单元***架构示意图；

图4为转速测量电路原理示意图；

图5为波形示意图；

图6为PT1000测量电路原理图示意图；

图7为电阻值-温度修正值分度表示意图；

图8 为K型热电偶测量电路；

图9为4-20mA测量电路原理示意图；

图10为电压测量电路原理图；

图11为开关量信号检测电路原理图；

图12 为带断线侦测的开关量信号检测电路原理图；

图13 为图12检测电路的局部A放大图；

图14 为图12检测电路的局部B放大图；

图15 为4-20mA输出电路原理示意图；

图16 为开关量输出驱动电路原理示意图；

图17为MCU与通讯电路连接示意图。

具体实施方式

结合附图和具体实施对本发明加以说明：

如图1至图17所示，一种用于柴油机监控***的主控制器，包括：输入处理电路、输出处理电路、通讯电路、处理器MCU、电源电路、箱体，箱体内设置有印刷电路板，印刷电路板上设置有与电源电路相连的输入处理电路、输出处理电路、通讯电路、处理器MCU、实时时钟电路；

所述输入处理电路包括：2路转速测量电路、8路PT1000测量电路、4路热电偶测量电路、12路4-20mA测量电路、2路电压测量电路、22路开关量输入测量电路，所述的2路转速测量电路与处理器MCU第一输入端相连，所述的8路PT1000测量电路与处理器MCU第二输入端相连，所述的4路热电偶测量电路与处理器MCU第三输入端相连，所述的12路4-20mA测量电路与处理器MCU第四输入端相连，所述的2路电压测量电路与处理器MCU第五输入端相连，所述的22路开关量输入测量电路与处理器MCU第六输入端相连；

所述输出处理电路包括：2路4-20mA输出电路、20路开关量输出驱动电路，所述的2路4-20mA输出电路与处理器MCU第一输出端相连，所述的20路开关量输出驱动电路与处理器MCU第二输出端相连；

所述通讯电路包括： 2路RS485总线驱动电路和2路CAN总线驱动电路，所述的2路RS485总线驱动电路由RS485隔离收发器组成，RS485隔离收发器一传输端与处理器MCU两个通讯端SCI接口相连，另一传输端与***的2路RS485通讯总线相连；所述的2路CAN总线驱动电路由CAN隔离收发器组成，CAN隔离收发器一传输端与处理器MCU两个CAN控制器相连，另一传输端与***的2路CAN通讯总线相连；

所述电源电路包括：开关电压调节器LM2596-12、DC-DC隔离电源模块，所述的开关电压调节器LM2596-12输入端分别与24V电源转换为隔离的24V的DC-DC隔离电源模块、24V电源转换为隔离的5V的DC-DC隔离电源模块相连，24V电源转换为隔离的24V的DC-DC隔离电源模块型号为：URB2424XD-10WR2；24V电源转换为隔离的5V的DC-DC隔离电源模块型号为：URB2405XD-10WR2；LM2596-12为开关电压调节器可以将外部输入的24V电源转换为12V电源为***内部电路供电。

由图1可知柴油机整个监控***主要由基本监控***、安全保护***及调速控制***构成。柴油机监控***能够实现柴油机的监视、控制、保护、外部***连接、数字通讯等功能。

所述的基本监控***，包括：显示单元、主控制器、传感器及执行部件单元，主控制器是基本监控***的核心单元——主控单元，它对柴油机运行状态信息进行采集和监测，当发现故障时能够及时发出报警信息，同时可以接收外部的操作指令产生相应控制信号。

整个***的对外接口包括50路输入，22路输出和4路通信接口（见图2）。可以实现对转速信号、PT1000温度传感器信号、4～20mA信号、K分度热电偶信号、电压信号、开关量信号的采集。同时，实现4～20mA模拟量输出和开关量继电器输出。另外，通讯接口包括RS485总线和CAN总线两类。各类别接口数量见表1所示。表1 各类别接口数量表

主控单元***架构如图3所示。输入处理包括6种类型的单元电路，分别为：转速测量电路、PT1000测量电路、热电偶测量电路、4-20mA测量电路、电压测量电路和开关量输入测量电路。输出处理包括2种类型的单元电路，分别为：4-20mA输出电路和开关量输出驱动电路。电源电路为***内各电路提供所需电源。

1、输入处理电路

1）、转速测量电路

转速测量电路完成转速信号的采样、整形和电平转换。所述转速测量电路由阻容电路、三极管BC846、光耦PS2811组成，阻容电路通过三极管BC846与光耦PS2811输入端相连，光耦PS2811输入端设置有发光管LED。其原理如图4所示，该电路主要器件包括1个三极管BC846和1个光耦PS2811。

电路输入Input和输出Output-MCU的波形示意如图5所示。电路将输入的转速信号转换为5V左右的矩形波，送入MCU。

MCU在200ms内对送入的信号Output-MCU计数，将时间、计数值和飞轮齿数代入以下公式，即可计算出转速值。

其中：转速单位为转/分钟，柴油机飞轮齿数由被监控柴油机技术参数决定。

2）、PT1000测量电路

PT1000测量电路完成对PT1000温度传感器信号的转换、校准和采样。它将PT1000的电阻值转换为电压值，并将其和供电参考电压一起送入MCU，MCU对送入的电压信号进行AD转换后，可以根据电压值计算出电阻值，并根据传感器电阻与温度的推算公式计算出温度值。该电路解决了因MCU AD转换器的基准电压与采样电路供电电压不一致造成的测量结果不准确的问题，同时，在仅占用2个MCU AD采样通道的情况下实现了对8路PT1000信号的分时复用采集。

所述PT1000测量电路，包括：***外部温度传感器PT1000采集输入电路Part_A、8选1多路复用电子开关电路和精密运算放大器，所述的8选1多路复用电子开关电路的输入端Sa-Sb与***外部温度传感器PT1000采集输入电路Part_A输出端相连；8选1多路复用电子开关电路的输出端Da-Db与精密运算放大器输入端相连。此电路原理如图6所示，该电路主要器件包括8选1多路复用电子开关ADG507和精密运算放大器AD8608。

图6中左侧实线框内表示外部PT1000温度传感器的连接方法。为了使电路简洁便于理解，这里仅画出1路PT1000采集的输入电路即局部电路Part_A。实际电路板含有8路PT1000采集输入电路，即使用了相同的共8个Part_A电路，其对应的输出Sa、Sb依次接入ADG507的输入端口S1a～S8a和S1b～S8b。局部电路Part_A和局部电路Part_B间通过ADG507相连。MCU输出控制信号MCU-A0、MCU-A1、MCU-A2和MCU-EN，用以控制ADG507从8路PT1000输入电路中选择希望采集的1路信号送入Part_B，并最终输出Output-MCU-AD1和Output-MCU-AD2至MCU。

为便于说明整个电路的工作原理，这里以Sa、Sb信号经过ADG507送入Da、Db的情况 为例加以说明。其中各符号代表的电气特性如表2所示。

符号	电气特性
		Rpt	PT1000传感器电阻值
Upt	PT1000电压值
		Ipt	流经R1、R2、Rpt的电流
USa	Sa的电压值
		USb	Sb的电压值
UDa	Da的电压值
		UDb	Db的电压值
UA	A点的电压值
		UB	B点的电压值
UC	C点的电压值
		Uout1	Output-MCU-AD1的电压值
Uout2	Output-MCU-AD2的电压值
		Uref	MCU中AD转换器的基准电压值
U	PT1000采样电路供电电压值
		D1	Output-MCU-AD1的AD转换结果
D2	Output-MCU-AD2的AD转换结果
		Rstar	电阻值-温度修正值分度表分段区域电阻起始值
Rend	电阻值-温度修正值分度表分段区域电阻结束值
		Tstar	电阻值-温度修正值分度表分段区域温度修正起始值
Tend	电阻值-温度修正值分度表分段区域温度修正结束值

表2 符号电气特性对照表

MCU对Uout1进行12位采样精度的AD转换，有

（1）

运放U4作为差分放大器使用，有

（2）

运放U2、U3作为同相缓冲器使用，结合ADG507的信号转接作用有：

（3）

（4）

（5）

故将公式（5）、（2）代入（1）中，且 ，则有

（6）

根据设计，理想情况下AD采样的基准电压Uref与采样电路供电电压U相等为5V，公式（6）可以简化为

（7）

MCU直接按照公式（7）即可计算出所需的传感器电阻值。但实际情况，Uref和U与设计电压值并不完全一致，经实际测试，Uref在4.97V～5.03V之间，U在4.96V～5.05V之间。如果仍然使用公式（7），由此对待测温度值引入的最大误差可达13℃左右。为解决此问题，电路设计时，在C点引出一个供电参考电压UC送入MCU，如图6所示。MCU对Uout2进行12位采样精度的AD转换，则有

（8）

运放U5作为同相缓冲器使用，有

（9）

由电路图可知

（10）

（11）

（12）

考虑到，，将公式（9）、（10）、（11）、（12）代入（8）中，有

（13）

将公式（13）代入（6）得到

（14）

MCU按照公式（14）即可计算出所需传感器电阻值。 通过引入供电参考电压UC的AD采样值D2，可以在计算传感器电阻值的过程中使用D2代替比例因子，消除了由MCU AD转换器的基准电压Uref与采样电路供电电压U不一致带来的误差。使用Rpt根据下面的公式即可计算出温度值。

（15）

PT1000在温度测量时存在非线性误差，对其进行线性化校正可以使测量结果更加准确。因此，在向外输出待测温度前，MCU会采用分段查表和线性插值的方法对温度值Tr进行线性化校正。具体方法如下：首先在MCU中建立一个电阻值-温度修正值的分度表（见图7），

然后根据Rpt所在区域用插值法确定温度修正值Tc，如公式（16）所示

（16）

最后根据温度修正值Tc对温度值Tr进行修正后输出待测温度值T，如公式（17）所示。

(17)

3)、热电偶测量电路

热电偶测量电路完成对K型热电偶信号的放大、补偿、转换和采样。该电路主要器件采用带冷端补偿的K型热电偶数字转换器MAX6675，可以实现0℃到1024℃的温度测量，并将温度值以数字量的形式通过SPI串口送入MCU，同时还具有热电偶断线检测功能。

所述热电偶测量电路由带冷端补偿的K型热电偶数字转换器MAX6675组成。电路原理图如图8所示，该图中包含4路热电偶测量电路，它们共享数据线MCU-SO和时钟线MCU-SCK，MCU通过片选信号MCU-CS1、MCU-CS2、MCU-CS3和MCU-CS4，从输入的4路热电偶信号中选择希望采集的1路信号送入MCU 。电路在仅占用1个SPI串口的情况下实现了对4路热电偶信号的采集。

4)、4-20mA测量电路

4-20mA测量电路在为压力变送器供电的同时完成对压力变送器信号的转换、放大和采样，并具有分级过流保护功能，即对测量电路的总电流和各采集通道的分电流都有对应的过流保护。

所述4-20mA测量电路，包括具有供电控制和总电流过流保护功能的压力变送器的供电电源电路Part_A、具有对压力变送器信号进行转换、放大和采样及对单路传感器的过流保护功能的压力变送器的信号采样电路Part_B；

所述的压力变送器的供电电源电路Part_A一端通过接线端P+与***外部压力变送器电源端连接，另一端连接直流电源24V；所述的压力变送器的信号采样电路Part_B一端通过接线端P-与***外部压力变送器信号输出端连接，另一端连接处理器MCU；

所述的压力变送器的供电电源电路Part_A由二极管D1通过三极管Q1与场效应管Q2相连，三极管Q1与场效应管Q2相连B端点通过三极管Q3连接处理器MCU；三极管Q1与场效应管Q2相连B端点与比较器LM2901相连；场效应管Q2型号为FQD17P06；

所述的压力变送器的信号采样电路Part_B由场效应管Q4通过取样电阻与运放器AD8608相连组成；与场效应管Q4相连的取样电阻取样端为D端点，运放器AD8608输出端为F端点；场效应管Q4型号为2N7002。其电路原理如图9所示，该电路主要器件包括三极管BC856和BC846、场效应管FQD17P06和2N7002、比较器LM2901、运放AD8608。

图9中上部实线框内表示外部压力变送器的连接方法，压力变送器以串连方式接入电路。为了使电路简洁便于理解，这里仅画出1路传感器通道采集电路即局部电路Part_B。实际电路板含有12路传感器通道采集电路，即使用了相同的共12个Part_B电路，12路输出Output-MCU-AD分别送入MCU进行AD采样。同时，MCU输出1路供电控制信号MCU-PW-CRT和12路通道控制信号MCU-CH-CRT，前者可以实现对测量电路的供电控制，后者可以实现对每个通道采集电路的单独控制。为便于说明各符号代表的电气特性如表3所示。

表3符号电气特性

符号	电气特性及意义
		IR1	R1的电流值
UR1	R1的电压值
		UB	B点电压
UC	C点电压约为16V
		UD	D点电压
ID	D点电流
		UE	E点电压
UF	F点电压
		MCU-PW-CRT	供电控制信号
MCU-CH-CRT	通道控制信号
		D	Output-MCU-AD的AD转换结果
Uref	MCU中AD转换器的基准电压值，通常为5V
		P	待测传感器压力值

4-20mA测量电路主要包括Part_A，Part_B两部分（见图9）。其中Part_A是测量电路的供电电路并具有供电控制和总电流过流保护功能；Part_B是传感器通道采集电路，它对压力变送器信号进行转换、放大和采样，同时具有对单路传感器的过流保护功能。

局部电路Part_A的供电控制功能是指通过控制信号MCU-PW-CRT实现对测量电路的供电通断控制。供电控制信号MCU-PW-CRT与供电状态的关系见表4所示。当MCU-PW-CRT为逻辑1时，电压UE接近5V,三极管Q3饱和导通，在R2、R3的分压作用下UB电压约为12V，场效应管Q2为P沟道MOS管，其栅源极阀值电压V_GS（th）＝4V，实际Q2的栅源极电压V_GS≈24V-UB＝12V＞V_GS（th）故Q2导通，24V供电电源被接入测量电路。当MCU-PW-CRT为逻辑0时，对应输入电压UE接近0V，Q3截止，UB电压约为24V，Q2的栅源极电压V_GS≈24V-UB＝0V＜V_GS（th）故Q2关断，24V供电电源被断开。

表4 控制信号与供电状态

MCU-PW-CRT信号逻辑值	供电状态
		1	供电
0	断电

局部电路Part_A的总电流过流保护功能是指当4-20mA测量电路总工作电流超过设计的额定电流值时，电路会自动将24V供电电源断开，达到电路保护的目的。考虑到压力传感器的工作电流每路最大为25mA，12路压力传感器接入电路后的最大电流值约为300mA，故将4-20mA测量电路额定电流值设计为350mA，这样可以在保证不影响电路正常工作的同时防止过大电流误流入可能对测量电路造成的损坏。

自动断电保护的具体实现过程和实现原理如下所述。MCU通过读取Output-MCU-PW的值来判断电路的供电状态，一旦Output-MCU-PW为0，则MCU认为测量电路需要断开电源，置MCU-PW-CRT为0。状态对应关系如表5所示。实现原理为：当MCU-PW-CRT为逻辑1，24V供电电源接入测量电路后，如果正常供电，UB约为12V，有UB＜UC，比较器U1输出端为高阻关断状态，Output-MCU-PW被上拉至5V左右，MCU将其读作逻辑1，此时MCU认为电路正常供电，MCU-PW-CRT不变仍为1。当MCU-PW-CRT为逻辑0正常切断供电时，UB约为24V，有UB＞UC，比较器U1输出端为低阻导通状态，Output-MCU-PW接近0V，MCU将其读作逻辑0，此时MCU认为电路供电被切断，MCU-PW-CRT不变仍为0。当MCU-PW-CRT为逻辑1时，如果电路出现过流，IR1为350mA，则UR1为0.7V，故三极管Q1饱和导通，UB电压约24V，UB＞UC,比较器U1输出端为低阻导通状态，Output-MCU-PW接近0V，MCU将其读作逻辑0，此时MCU认为电路总工作电流异常需要对测量电路进行保护，强制置MCU-PW-CRT为逻辑0,24V供电电源被断开。

表5 状态对应关系表

局部电路Part_B将压力变送器输入的4-20mA信号转换为电压信号并放大后送入MCU，MCU可以根据电压值计算出电流值，并根据电流与压力的转换公式计算出实际的压力值。计算过程如下所述。

MCU对UF进行12位AD转换，有

（18）

运放U2对UD起到放大2倍的作用，故

（19）

根据传感器压力与电流的关系，以0-1MPa量程为例，待测压力值P为

(20)

根据ID与UD有如下关系

（21）

将公式（18）、（19）、（21）代入（20）可得

(22)

MCU按照公式（22）即可计算出待测压力值，单位MPa。

压力变送器信号的量程为4-20mA，对应UF的范围为0.96-4.8V，当MCU检测到输入电压UF超过此量程上限时，认为需要对该通道传感器进行过流保护，故强制置MCU-CH-CRT为逻辑0。场效应管Q4为N沟道MOS管，其栅源极阀值电压V_GS（th）＝3V，当MCU-CH-CRT为逻辑0时Q4的栅源极电压V_GS≈0V＜V_GS（th），则Q4关断，传感器被断开，达到了对该通道传感器过流保护的目的。

5)、电压测量电路

电压测量电路完成对供电电压或蓄电池电压的测量。

所述电压测量电路为对供电电压或蓄电池电压测量的电路，包括电压隔离输入的隔离变送器T6630P与运放器AD8608，运放器AD8608为同向缓冲器；隔离变送器T6630P的输入端Input1与Input2间电位差即待测电压。电路原理如图10所示。该电路主要器件为隔离变送器T6630P和运放AD8608，前者实现电压的隔离输入，后者作为同向缓冲器使用。Input1与Input2间电位差即待测电压;

待测电压经分压衰减为原来的后，通过T6630P隔离送入MCU进行AD采样，MCU对采样结果按比例放大即可得到待测电压值。

电压测量电路的测压范围为0-50V，因MCU AD转换的电压范围由其基准电压Uref决定，故在电路中使用固定电阻R1和可调电阻R2将输入电压分压衰减至满足AD转换的电压条件后再送入MCU，即衰减为原来的。

MCU对衰减并隔离后的电压值进行AD采样后，按照如下公式即可计算出待测电压值U。

式中，D为AD转换器的采样值，Uref为AD转换器的基准电压。

6)、开关量输入测量电路

开关量输入测量电路包括两种类型的单元电路，分别是开关量信号检测电路和带断线侦测的开关量信号检测电路。

(1）开关量信号检测电路完成对开关量信号的检测，并具有去抖和过流保护功能。该电路在仅占用2个MCU输入端口的情况下实现了对14路开关量信号的分时复用采集。

所述开关量信号检测电路由检测电路供电电路Part_A、对开关量信号的转换、开关量通道采集电路Part_B与两个多路复用开关路HC151电连接组成，所述检测电路供电电路Part_A由三极管、场效应管、运放器、光耦组成，三极管与场效应管运放器连接构成的复合管A点与第一光耦相连，通过运放器与第二光耦相连；所述开关量通道采集电路Part_B由光耦U4与发光管LED电连接组成；其电路原理如图11所示。该电路主要器件包括三极管BC856、场效应管FQD17P06、运放AD8608、光耦PS2811和8选1多路复用开关HC151。

图11中上部实线框内表示外部开关量的连接方法。为了使电路简洁便于理解，这里仅画出1路开关量通道采集电路即局部电路Part_B。实际电路板中含有14路开关量通道采集电路，即使用了相同的共14个Part_B电路，其对应的输出SD依次接入2个HC151的输入端口D0～D7。开关量信号检测电路与MCU间通过HC151相连。MCU输出控制信号MCU-A、MCU-B、MCU-C和MCU-G，用以控制2个HC151从14路开关量输入信号中选择希望采集的2路开关量信号送入MCU。同时，MCU输出1路供电控制信号MCU-PW-CRT实现对测量电路的供电控制。

开关量信号检测电路主要包括Part_A，Part_B两部分（见图11）。Part_A是检测电路的供电电路，具有供电控制和过流保护功能。与4-20mA测量电路的Part_A电路相比，开关量信号检测电路的Part_A电路仅仅只是把供电电源由24V变为12V，将三极管替换为光耦，其电路原理是一样的，详见1.4节所述。

Part_B是开关量通道采集电路，它完成对开关量信号的转换和采样。当输入开关量闭合时，光耦U4导通，C点电压UC接近0V，MCU将其读作逻辑0；当输入断开时，光耦U4截止，UC被上拉至接近5V，MCU将其读作逻辑1。因为使用了两个多路复用开关HC151，一次可以选通2路信号送入MCU，缩短了***对14路信号的采样周期，提高了工作效率。

对于按键类开关量信号，当键被按下或释放时可能会出现按键在闭合和断开位置之间跳几下的抖动问题。为了消除抖动，硬件上，电路在输入端并联了一个去抖电容C3；软件上，则在程序中采用多次识别判断后再动作的方式。一般机械按键的抖动频率为100Hz左右，抖动持续时间在5～10ms，这里选择0.1uF的电容C3使电容充放电时间大于10ms，以消除抖动。同时，在软件中对输入开关量每隔50ms进行采样，两次采样结果一致则认为当前信号状态有效，以避免因误碰触或其他不希望的情况造成的误判。

(2）带断线侦测的开关量信号检测电路可以同时完成开关量信号检测和断线故障侦测，且具有去抖和过流保护功能。该电路在仅占用2个MCU输入端口的情况下实现了对8路开关量信号的分时复用采集。

所述带断线侦测的开关量信号检测电路由检测电路的供电电路Part_A 、开关量通道采集及断线侦测电路Part_B分别与***外部开关量连接组成，开关量通道采集及断线侦测电路Part_B由两组采集/断线侦测电路组成，每组采集/断线侦测电路由阻容电路通过运放器L2901与光耦连接组成。其电路原理如图12所示，图13和图14为图12的局部放大图。该电路主要器件包括三极管BC856、场效应管FQD17P06、运放AD8608、比较器LM2901、光耦PS2811和8选1多路复用开关HC151。

图12中上部实线框内表示外部线路的连接方法，在接入开关量的同时必须并联一个10KΩ的电阻。为了使电路简洁便于理解，这里仅画出1路开关量通道采集及断线侦测电路即局部电路Part_B。实际电路板中含有8路开关量通道采集及断线侦测电路，即使用了相同的共8个Part_B电路，其对应输出的8个SD1接入一个HC151的输入端D0～D7，8个SD2接入另一个HC151的输入端D0～D7。检测电路与MCU间通过HC151相连。MCU输出控制信号MCU-A、MCU-B、MCU-C和MCU-G，用以控制2个HC151从8路开关量输入信号中选择希望的1路开关量相关信号送入MCU。同时，MCU输出1路供电控制信号MCU-PW-CRT实现对检测电路的供电控制。为便于说明这里以1路开关量的SD1、SD2经HC151输出端Output-MCU1和Output-MCU2送至MCU的情况为例加以说明。其中各符号代表的电气特性如表6所示。

表6符号电气特性

符号	电气特性及意义
		UA	A点电压
UB	B点电压约为10V
		UC	C点电压约为2V
USD1	SD1电压
		USD2	SD2电压

带断线侦测的开关量信号检测电路主要包括Part_A，Part_B两部分。局部电路Part_A是检测电路的供电电路，具有供电控制和过流保护功能，其电路与1.6.1节所述开关量信号检测电路的局部电路Part_A相同，电路原理同4-20mA测量电路的Part_A电路，详见1.4节所述。局部电路Part_B是开关量通道采集及断线侦测电路，它完成对开关量信号的转换和采样，且具有去抖和断线故障侦测功能。去抖功能的作用与上一节开关量信号检测电路的去抖功能相同，详见1.6.1节所述。这里主要对断线故障侦测功能进行说明。MCU通过读取Output-MCU1和Output-MCU2不同组合值来判断输入的实际状态，其组合如表7所示。

表7 输出真值表

输入状态	Output-MCU1	Output-MCU2
			正常断开	0	1
正常闭合	1	1
			断线	0	0

当输入开关量正常断开时，在外部并联电阻R与R11的分压作用下UA约为6V，UB在R13和R14的分压作用下约为10V，UA＜UB，比较器U4输出端为高阻关断状态，光耦U6导通，USD1接近0V，Output-MCU1与USD1相同，MCU将其读作逻辑0。同时，UC在R16和R17的分压作用下约为2V，UA＞UC，比较器U5输出端为低阻导通状态，光耦U7截止，USD2接近5V，Output-MCU2与USD2相同，MCU将其读作逻辑1。

当输入开关量正常闭合时，UA约为12V，UA＞UB，比较器U4输出端为低阻导通状态，光耦U6截止，USD1接近5V，Output-MCU1与USD1相同，MCU将其读作逻辑1。同时，UA＞UC，比较器U5输出端为低阻导通状态，光耦U7截止，USD2接近5V，Output-MCU2与USD2相同，MCU将其读作逻辑1。

当出现断线故障时，UA约为0V，UA＜UB，比较器U4输出端为高阻关断状态，光耦U6导通，USD1接近0V，Output-MCU1与USD1相同，MCU将其读作逻辑0。同时，UA＜UC，比较器U5输出端为高阻关断状态，光耦U7导通，USD2接近0V，Output-MCU2与USD2相同，MCU将其读作逻辑0。

2、输出处理电路

1）、4-20mA输出电路，4-20mA输出电路将物理量转换为4-20mA信号输出。所述4-20mA输出电路由运放AD8608与隔离变送器T6130P电连接构成0V-5V的电压信号转变为4-20mA的电流信号的隔离输出电路。电路原理图如图15所示。该电路主要器件为运放AD8608和隔离变送器T6130P，隔离变送器T6130P可以将0V-5V的电压信号转变为4-20mA的电流信号并隔离输出。

输入信号Input-MCU是来自MCU的PWM（脉宽调制）信号，MCU根据物理量的值来调整PWM信号的占空比，以此来控制Input-MCU的平均电压。同时由于PWM为方波，故在电路中加入平滑滤波电容C1、C2、C3以保证进入电路的是近似平滑的电压信号。电压信号经运放和隔离变送器T6130P后变为4-20mA信号输出。为了防止输出端电流倒灌和瞬态电压浪涌，在接近输出端的位置添加了整流二极管MRA4007和瞬态电压抑制二极管SMBJ15A。

2）、开关量输出驱动电路

开关量输出驱动电路根据MCU送出的逻辑信号驱动继电器输出。该电路包括两种类型的单元电路，所述开关量输出驱动电路由光耦通过三极管放大器与驱动继电器连接组成，所述的驱动继电器为常开触点输出的继电器，或为常开常闭触点输出的继电器。如图16所示。单元电路类型一与类型二仅在继电器输出方面存在差别，类型一电路的继电器为常开触点输出，类型二电路的继电器为常开常闭触点输出。实际电路板中有16路开关量输出采用单元电路类型一，4路开关量输出采用单元电路类型二。因两种类型电路原理相同，这里以单元电路类型一为例加以说明。

当MCU送出逻辑1时，Input-MCU-A接近5V，光耦U1和三极管Q1导通，继电器线圈两端电压约为12V，继电器吸合。当MCU送出逻辑0时，Input-MCU-A接近0V，光耦U1和三极Q1截止，继电器线圈两端电压约为0V，继电器释放。

3、通讯电路，通讯电路主要与MCU配合完成总线通讯，如图17所示。通讯电路包括2路RS485总线驱动电路和2路CAN总线驱动电路。使用1片RSM485D实现2路RS485总线的电源电气隔离、收发器等驱动功能，使用 1片CTM8251D实现2路CAN总线的电源电气隔离、收发器等驱动功能。

当主控单元通过RS485总线与外部***进行包括物理量、控制指令在内的信息交换时，遵循Modbus-RTU协议且工作在半双工模式下，最高传输速率为115.2Kbps，具有很好的隔离、静电保护和抗电磁干扰特性。

当主控单元通过CAN总线与外部***进行包括物理量、控制指令在内的信息交换时，遵循自定义的CAN协议，最高传输速率为1Mbps，具有很好的隔离和抗电磁干扰特性。

4、MCU及实时时钟，处理器MCU采用飞思卡尔16位处理器9S12XEP100，是主控单元的核心器件，它接收柴油机状态信息、外部控制信息及其他输入信号，进行综合处理后送出待执行的控制信号、相关报警信息和状态信息，此外，它还负责***与外界的信息交换，结合通讯电路，可以实现RS485和CAN总线通讯。实时时钟为***提供当前时间，MCU根据实时时钟提供的时间信息进行事件记录。

、采用的电源电路用于将外部提供的电源转换为***所需的电源为内部电路供电，采用将外部输入的24V电源转换为隔离的24V电源的DC-DC隔离电源模块URB2424XD-10WR2为***内部电路供电，采用将外部输入的24V电源转换为隔离的5V电源的DC-DC隔离电源模块URB2405XD-10WR2为***内部电路供电；采用将外部输入的24V电源转换为12V电源的开关电压调节器LM2596-12为***内部电路供电。

Claims (9)

1.一种用于柴油机监控***的主控制器，其特征是：包括：输入处理电路、输出处理电路、通讯电路、处理器MCU、电源电路、箱体，箱体内设置有印刷电路板，印刷电路板上设置有与电源电路相连的输入处理电路、输出处理电路、通讯电路、处理器MCU、实时时钟电路；

所述输入处理电路包括：2路转速测量电路、8路PT1000测量电路、4路热电偶测量电路、12路4-20mA测量电路、2路电压测量电路、22路开关量输入测量电路，所述的2路转速测量电路与处理器MCU第一输入端相连，所述的8路PT1000测量电路与处理器MCU第二输入端相连，所述的4路热电偶测量电路与处理器MCU第三输入端相连，所述的12路4-20mA测量电路与处理器MCU第四输入端相连，所述的2路电压测量电路与处理器MCU第五输入端相连，所述的22路开关量输入测量电路与处理器MCU第六输入端相连；

所述输出处理电路包括：2路4-20mA输出电路、20路开关量输出驱动电路，所述的2路4-20mA输出电路与处理器MCU第一输出端相连，所述的20路开关量输出驱动电路与处理器MCU第二输出端相连；

所述通讯电路包括： 2路RS485总线驱动电路和2路CAN总线驱动电路，所述的2路RS485总线驱动电路由RS485隔离收发器组成，RS485隔离收发器一传输端与处理器MCU两个通讯端SCI接口相连，另一传输端与***的2路RS485通讯总线相连；所述的2路CAN总线驱动电路由CAN隔离收发器组成，CAN隔离收发器一传输端与处理器MCU两个CAN控制器相连，另一传输端与***的2路CAN通讯总线相连；

所述电源电路包括：开关电压调节器LM2596-12、DC-DC隔离电源模块，所述的开关电压调节器LM2596-12输入端分别与24V电源转换为隔离的24V的DC-DC隔离电源模块、24V电源转换为隔离的5V的DC-DC隔离电源模块相连，24V电源转换为隔离的24V的DC-DC隔离电源模块型号为：URB2424XD-10WR2；24V电源转换为隔离的5V的DC-DC隔离电源模块型号为：URB2405XD-10WR2；所述处理器MCU电路为飞思卡尔16位处理器9S12XEP100。

2.根据权利要求1所述的一种用于柴油机监控***的主控制器，其特征是：所述转速测量电路由阻容电路、三极管BC846、光耦PS2811组成，阻容电路通过三极管BC846与光耦PS2811输入端相连，光耦PS2811输入端设置有发光管LED。

3.根据权利要求1所述的一种用于柴油机监控***的主控制器，其特征是：所述PT1000测量电路，包括：***外部温度传感器PT1000采集输入电路Part_A、8选1多路复用电子开关电路和精密运算放大器，所述的8选1多路复用电子开关电路的输入端Sa-Sb与***外部温度传感器PT1000采集输入电路Part_A输出端相连；8选1多路复用电子开关电路的输出端Da-Db与精密运算放大器输入端相连。

4.根据权利要求1所述的一种用于柴油机监控***的主控制器，其特征是：所述热电偶测量电路由带冷端补偿的K型热电偶数字转换器MAX6675组成。

5.根据权利要求1所述的一种用于柴油机监控***的主控制器，其特征是：所述4-20mA测量电路，包括具有供电控制和总电流过流保护功能的压力变送器的供电电源电路Part_A、具有对压力变送器信号进行转换、放大和采样及对单路传感器的过流保护功能的压力变送器的信号采样电路Part_B；

所述的压力变送器的供电电源电路Part_A一端通过接线端P+与***外部压力变送器电源端连接，另一端连接直流电源24V；所述的压力变送器的信号采样电路Part_B一端通过接线端P-与***外部压力变送器信号输出端连接，另一端连接处理器MCU；

所述的压力变送器的供电电源电路Part_A由二极管D1通过三极管Q1与场效应管Q2相连，三极管Q1与场效应管Q2相连B端点通过三极管Q3连接处理器MCU；三极管Q1与场效应管Q2相连B端点与比较器LM2901相连；场效应管Q2型号为FQD17P06；

所述的压力变送器的信号采样电路Part_B由场效应管Q4通过分压电阻与运放器AD8608相连组成；与场效应管Q4相连的分压电阻分压端为D端点，运放器AD8608输出端为F端点；场效应管Q4型号为2N7002。

6.根据权利要求1所述的一种用于柴油机监控***的主控制器，其特征是：所述电压测量电路为对供电电压或蓄电池电压测量的电路，包括电压隔离输入的隔离变送器T6630P与运放器AD8608，运放器AD8608为同向缓冲器；隔离变送器T6630P的输入端Input1与Input2间电位差即待测电压。

7.根据权利要求1所述的一种用于柴油机监控***的主控制器，其特征是：所述开关量输入测量电路，包括：开关量输入信号检测电路、带断线侦测的开关量信号检测电路，

所述开关量信号检测电路由检测电路供电电路Part_A、对开关量信号的转换、开关量通道采集电路Part_B与两个多路复用开关路HC151电连接组成，所述检测电路供电电路Part_A由三极管、场效应管、运放器、光耦组成，三极管与场效应管运放器连接构成的复合管A点与第一光耦相连，通过运放器与第二光耦相连；所述开关量通道采集电路Part_B由光耦U4与发光管LED电连接组成；

所述带断线侦测的开关量信号检测电路由检测电路的供电电路Part_A 、开关量通道采集及断线侦测电路Part_B分别与***外部开关量连接组成，开关量通道采集及断线侦测电路Part_B由两组采集/断线侦测电路组成，每组采集/断线侦测电路由阻容电路通过运放器L2901与光耦连接组成。

8.根据权利要求1所述的一种用于柴油机监控***的主控制器，其特征是：所述4-20mA输出电路由运放AD8608与隔离变送器T6130P电连接构成0V-5V的电压信号转变为4-20mA的电流信号的隔离输出电路。

9.根据权利要求1所述的一种用于柴油机监控***的主控制器，其特征是：所述开关量输出驱动电路由光耦通过三极管放大器与驱动继电器连接组成，所述的驱动继电器为常开触点输出的继电器，或为常开常闭触点输出的继电器。