陳 輝，周文超，閆冠宇，甄利鵬

（河南中美鋁業(yè)有限公司 河南 鄭州 452477）

工業(yè)現(xiàn)場需要監(jiān)測的生產(chǎn)狀況參數(shù)包括礦漿溫度、熔鹽溫度、電機、變頻器、變壓器等多種設(shè)備的溫度、濕度以及電壓、電流、壓力、流量等其他數(shù)據(jù)。監(jiān)測點多且分散、通信距離遠，因此研制一種實時性高且性能可靠的分布式測控系統(tǒng)[1]非常重要。

CAN總線是一種用于智能化現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的開放式、數(shù)字化、雙向串行、多節(jié)點的通信總線，廣泛應(yīng)用于分布式測控系統(tǒng)。在本系統(tǒng)中，測控節(jié)點和嵌入式測控中心通過CAN總線進行通信，節(jié)點數(shù)多達110個且通信方式靈活。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計及工作原理

本文研究的主要內(nèi)容是設(shè)計一種可遠程測控工業(yè)現(xiàn)場多種設(shè)備的溫度、濕度、電壓、電流、壓力、流量等數(shù)據(jù)的分布式測控系統(tǒng)，由測控主機、嵌入式測控中心、觸摸屏和測控節(jié)點組成[2-3]。圖1為本系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖。測控節(jié)點由多種精密傳感器組成，用來采集溫度、濕度、壓力、流量等數(shù)據(jù)，由帶CAN控制器的微處理器P87C591將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)字處理后通過CAN總線傳送至嵌入式測控中心，測控中心對傳送過來的數(shù)據(jù)進行存儲、觸摸屏顯示、波形圖繪制、報警后通過以太網(wǎng)上傳至監(jiān)控主機，完成對多種數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測和遠程測控。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System general structure diagram

2 測控系統(tǒng)硬件設(shè)計

硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。測控中心采用帶CAN控制器的嵌入式工控板EM9161通過外接CAN收發(fā)器和測控節(jié)點進行CAN通訊，簡化了硬件電路設(shè)計；測控中心和監(jiān)控主機之間采用以太網(wǎng)通訊，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單且通訊速率高。該系統(tǒng)硬件設(shè)計簡單，傳感器采用非接觸式，安裝布置靈活，簡單、可靠。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Hardware structure diagram

2.1 EM9161工控板及LCD觸摸屏

EM9161是一款面向工業(yè)自動化領(lǐng)域的高性價比嵌入式主板，其內(nèi)核CPU為工業(yè)級品質(zhì)的32位ARM9系列AT91SAM9261S，帶有1路以太網(wǎng)接口，4路標(biāo)準(zhǔn)UART串口，64 MB系統(tǒng)內(nèi)存，64 MB FLASH，支持 I2C總線、CAN總線和精簡ISA總線。由于AT91SAM9261S是一款專為具備液晶顯示屏的應(yīng)用而優(yōu)化的主機處理器，可直接驅(qū)動觸摸屏，支持最大800×600的分辨率。本設(shè)計采用5.6英寸四線制電阻式觸摸屏，型號為 AT056TN52，它是 256色真彩色 LCD顯示屏，TTL接口，分辨率為 648×480，3.3 V電源供電。

2.2 CAN總線驅(qū)動模塊

一個CAN總線接口由微控制器、CAN控制器和CAN收發(fā)器3個部分組成，分別對應(yīng)于CAN總線的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。其中微控制器主要負責(zé)上層應(yīng)用及系統(tǒng)控制，包括CAN協(xié)議的應(yīng)用層協(xié)議的實現(xiàn)，協(xié)調(diào)個系統(tǒng)設(shè)備的工作；CAN控制器負責(zé)處理數(shù)據(jù)幀，完成數(shù)據(jù)的打包、解包，錯誤界定，并提供報文緩沖和傳輸濾波；CAN收發(fā)器主要負責(zé)接口電平的轉(zhuǎn)換，接口電氣特性的處理[1]。由于EM9161內(nèi)部自帶有CAN控制器，因此，只需外接CAN收發(fā)器即可通信。圖3為CAN總線收發(fā)電路圖。

圖3 CAN總線收發(fā)電路圖Fig.3 CAN bus transceiver circuit diagram

CAN總線收、發(fā)兩路信號分別經(jīng)兩個反相器74HCT14濾除掉輸入信號的突變干擾再經(jīng)高速光電耦合器6N137隔離后，送入CAN收發(fā)接口芯片PCA82C250即可進行CAN通訊。

3 測控系統(tǒng)軟件設(shè)計

EM9161已預(yù)裝正版 Window CE5.0（WINCE）實時多任務(wù)操作系統(tǒng)，可以將一個進程劃分為多個線程，每個線程輪流占用CPU的運行時間和資源[4]。本設(shè)計使用Microsoft提供的著名免費軟件開發(fā)工具 Embedded Visual C++（EVC）（+SP4）進行人機界面和應(yīng)用程序的開發(fā)，包括CAN通訊和測控界面設(shè)計。

3.1 CAN通訊

CAN通訊包括CAN口初始化、CAN數(shù)據(jù)發(fā)送、CAN數(shù)據(jù)接收[5-6]?；赪INCE系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)的WINCE流式驅(qū)動程序，CAN通訊的數(shù)據(jù)收發(fā)均采用中斷方式：硬件在接收數(shù)據(jù)報文時，底層的驅(qū)動接收程序會自動讀取該報文，同時發(fā)送一個接收中斷事件，作為應(yīng)用程序的接收線程在等待到該中斷事件后，調(diào)用相應(yīng)讀取幀函數(shù)即可進行CAN數(shù)據(jù)報文的讀取。CAN口初始化、CAN數(shù)據(jù)發(fā)送、CAN數(shù)據(jù)接收程序流程圖如圖4所示。

圖4 CAN通訊初始化、發(fā)送、接收流程圖Fig.4 CAN communication initialization，sending and receiving flow chart

CAN數(shù)據(jù)報文的發(fā)送時，直接調(diào)用發(fā)送幀函數(shù)將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)填入驅(qū)動的發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中，真正的數(shù)據(jù)發(fā)送是由驅(qū)動程序中的發(fā)送線程自動完成的；數(shù)據(jù)接收線程里通過WaitForSingleObject（）來等待CAN接口的接收事件發(fā)生，當(dāng)CAN接口收到數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)放入指定的接收數(shù)據(jù)緩存中，然后通過調(diào)用讀數(shù)據(jù)函數(shù)，將數(shù)據(jù)從緩存中讀出。

3.2 測控系統(tǒng)界面設(shè)計

如圖5為本測控系統(tǒng)主界面。系統(tǒng)功能設(shè)有系統(tǒng)初始化、采樣參數(shù)設(shè)置、報警參數(shù)設(shè)置、連續(xù)采樣、間斷采樣、停止采樣和故障記錄查詢[7]。其中采樣參數(shù)設(shè)置對采集周期進行設(shè)置，單位是毫秒；報警參數(shù)設(shè)置根據(jù)各狀態(tài)情況需要上、限報警值；連續(xù)采樣即每隔一定時間采集一次數(shù)據(jù)，在連續(xù)采集按鈕的消息響應(yīng)函數(shù)里設(shè)置時鐘，并添加時鐘消息響應(yīng)函數(shù)；間斷采樣即手動采樣；通過故障記錄查詢按鈕可以方便的查看故障。

圖5 測控主界面Fig.5 Main interface of monitoring and control

4 運行結(jié)果

將遠程數(shù)據(jù)分布式測控系統(tǒng)在現(xiàn)場調(diào)試運行，通過波形圖查看按鈕即可看到實時波形圖，圖6為正在運行的變壓器1溫度測控界面，結(jié)果表明系統(tǒng)性價比高、檢測可靠、操作簡單、人機界面友好。

5 結(jié)束語

圖6 變壓器1溫度測控界面Fig.6 Transformer temperature monitoring and control interface

CAN總線是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)上各節(jié)點可以與測控系統(tǒng)中其他節(jié)點傳送各種數(shù)據(jù)，并接受來自測控主機的命令與數(shù)據(jù)，不僅運行可靠而且電纜投入成本較低。本系統(tǒng)硬件設(shè)計簡單、可靠，采用光電隔離并對信號采取濾波措施，極大地降低了工業(yè)現(xiàn)場干擾對系統(tǒng)正常運行的影響；軟件采用具有強大功能和友好界面的EVC4.0，程序代碼尺寸小，移植能力強且運行速度高。

[1]田敏，鄭瑤，李江全，等.Visual C++數(shù)據(jù)采集與串口通信測控應(yīng)用實戰(zhàn)[M].北京：人民郵電出版社，2010.

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