劉佳佳　竇宇宏　趙庚怡

【摘 要】 針對基于CAN總線的分布式海洋站觀測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以MCGS為例對組態(tài)軟件的特點(diǎn)和開發(fā)流程進(jìn)行了詳細(xì)描述，并與傳統(tǒng)上位機(jī)軟件開發(fā)方式進(jìn)行了比較。根據(jù)海洋站觀測的特點(diǎn)和業(yè)務(wù)需求，對上位機(jī)軟件進(jìn)行組態(tài)化開發(fā)。結(jié)合CAN總線技術(shù)在分布式數(shù)據(jù)采集方面的特點(diǎn)，論證了基于組態(tài)技術(shù)的分布式海洋站觀測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、開發(fā)周期、開發(fā)難度、升級維護(hù)等方面與傳統(tǒng)方式相比所具有的顯著優(yōu)勢。并對軟件開發(fā)和系統(tǒng)升級維護(hù)制定了簡單、易用的通用工作流程。

【關(guān)鍵詞】 組態(tài) 分布式 海洋站觀測系統(tǒng) 數(shù)據(jù)采集

【Abstract】 Characteristics and developing progress of MCGS as a configuration software is described in detail and it is compared to traditional PC software developing method for distributed station-based ocean observation data acquisition system. The software is developed with configuration platform according to the professional requirements and features of station-based ocean observation. Combined with the characteristics of distributed data acquisition based on CAN-bus， the remarkable advantage and superiority are illustrated in terms of system structure， developing period， developing difficulty， system upgrade and maintenance by being compared with traditional software developing method. A general and easy-to-use developing process is offered for software development， system upgrade and maintenance.

【Key words】 Configuration distributed station-based ocean observation system data acquisition

目前，我國海洋觀測站所采用的觀測系統(tǒng)為集中式結(jié)構(gòu)。集中式數(shù)據(jù)采集方式由于結(jié)構(gòu)封閉，導(dǎo)致傳感器獨(dú)立性不強(qiáng)，互換性差，當(dāng)擴(kuò)充觀測功能，增加新的要素傳感器時，不能直接進(jìn)行升級，必須對數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行更換，從而造成重復(fù)建設(shè)和資源浪費(fèi)。筆者曾將基于CAN總線的分布式數(shù)據(jù)采集技術(shù)應(yīng)用到海洋站觀測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，并驗(yàn)證了其應(yīng)用可行性。以開放式的結(jié)構(gòu)代替了傳統(tǒng)封閉式的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化[1]。但在上位機(jī)軟件開發(fā)還是采用原有的C++ Builder開發(fā)平臺，采用虛擬CAN接口函數(shù)庫，即VCI函數(shù)庫，實(shí)現(xiàn)對CAN網(wǎng)絡(luò)的控制。此種編程方法對熟悉高級程序語言開發(fā)的人員來說是一種較為便捷的開發(fā)方式，但后期進(jìn)行系統(tǒng)升級時需要對程序代碼和界面進(jìn)行修改并重新進(jìn)行測試后才能部署。而此項(xiàng)工作無法在海洋觀測站現(xiàn)場由非專業(yè)軟件開發(fā)人員在短時間內(nèi)完成。因此即使能夠在現(xiàn)場完成硬件設(shè)備的升級，也無法真正實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)的現(xiàn)場快速升級。而對于業(yè)務(wù)化運(yùn)行的海洋站觀測系統(tǒng)，為了使分布式的系統(tǒng)在系統(tǒng)升級和組網(wǎng)的時候具有更高的靈活性，應(yīng)當(dāng)考慮使用組態(tài)軟件進(jìn)行系統(tǒng)軟件開發(fā)。通過組態(tài)軟件開發(fā)方式可以取代傳統(tǒng)程序開發(fā)中漫長的代碼編寫過程，大大縮短軟件開發(fā)流程并降低開發(fā)難度。當(dāng)需要為觀測系統(tǒng)增減觀測要素時，只需增減軟件界面上對應(yīng)的可視化控件和相應(yīng)的數(shù)據(jù)對象及相應(yīng)腳本，在上位機(jī)上現(xiàn)場進(jìn)行簡單操作便可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟件升級。

1 基于CAN總線的分布式海洋站觀測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

為了解決當(dāng)前海洋站觀測數(shù)據(jù)采集方式的局限性和由此帶來的相關(guān)問題，本項(xiàng)目在對海濱觀測業(yè)務(wù)需求和海洋環(huán)境進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，將目前在國際上廣泛應(yīng)用在汽車控制、工業(yè)現(xiàn)場的CAN總線技術(shù)引入到海洋站觀測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中來。CAN總線為多主結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)信息幀優(yōu)先級進(jìn)行總線訪問，大大提高了系統(tǒng)的性能?？偩€采用短幀報文結(jié)構(gòu)，實(shí)時性好，并具有完善的數(shù)據(jù)校驗(yàn)、錯誤處理以及檢錯機(jī)制。此外CAN總線節(jié)點(diǎn)在嚴(yán)重錯誤下會自動脫離總線，對總線通訊沒有影響。CAN-bus網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)收發(fā)、硬件檢錯均由CAN控制器硬件完成，大大增強(qiáng)了CAN-bus網(wǎng)絡(luò)的抗電磁干擾能力。CAN總線適用于節(jié)點(diǎn)數(shù)目多，傳輸距離在10公里以內(nèi)，對實(shí)時性和安全性要求較高的場合。因此，CAN總線的適用范圍與海洋環(huán)境現(xiàn)場觀測的需求較為相符。

CAN總線網(wǎng)絡(luò)可以通過基于單片機(jī)的方式或基于PC機(jī)的方式進(jìn)行主從節(jié)點(diǎn)開發(fā)。由于目前海洋觀測站均配有工控PC，因此適于選用基于x86平臺的方式進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)[2]。本項(xiàng)目采用基于iCAN應(yīng)用層協(xié)議的功能模塊和CAN智能協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊和傳感器組成智能子節(jié)點(diǎn)。根據(jù)傳感器的不同信號輸出類型選擇相對應(yīng)的功能模塊。對于距值班室較遠(yuǎn)的測點(diǎn)可以利用網(wǎng)關(guān)將總線信號轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)信號通過網(wǎng)線進(jìn)行傳輸。主節(jié)點(diǎn)采用在工控PC上安裝CAN接口卡的方式實(shí)現(xiàn)。通過分布式數(shù)據(jù)采集方式替代集中式數(shù)據(jù)采集方式，使原有的封閉結(jié)構(gòu)變?yōu)殚_放式，將系統(tǒng)需要升級擴(kuò)容時，可直接將新傳感器根據(jù)信號輸出類型接入到對應(yīng)的功能模塊，即可在現(xiàn)場快速完成系統(tǒng)硬件升級。而無須像傳統(tǒng)的集中式數(shù)據(jù)采集器一樣需要重新設(shè)計并制造數(shù)據(jù)采集電路，經(jīng)過調(diào)試和試運(yùn)行等漫長周期才能完成系統(tǒng)升級。endprint

2 傳統(tǒng)方式開發(fā)上位機(jī)軟件

傳統(tǒng)的集中式海洋站觀測系統(tǒng)上位機(jī)軟件是在C++ Builder平臺上開發(fā)的。同時，C++ Builder也可以作為開發(fā)平臺用于基于CAN總線的分布式觀測系統(tǒng)上位機(jī)軟件的開發(fā)。通過調(diào)用VCI（虛擬CAN接口）函數(shù)庫的方式實(shí)現(xiàn)對接口的控制。VCI函數(shù)庫是位于應(yīng)用程序到驅(qū)動程序之間的中間層，有效地把調(diào)用程序的一些繁瑣復(fù)雜的步驟隱藏起來，提供給用于一個統(tǒng)一、簡單的應(yīng)用接口。而對于基于應(yīng)用層協(xié)議的接口程序開發(fā)則是要調(diào)用建立在PC-CAN接口卡和VCI函數(shù)庫基礎(chǔ)之上的主站函數(shù)DLL庫，實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)的控制。

該種軟件開發(fā)方式利用調(diào)用函數(shù)庫的方式對接口進(jìn)行控制比起直接操作接口函數(shù)去控制接口已經(jīng)省去了很多復(fù)雜的開發(fā)步驟，但當(dāng)觀測系統(tǒng)需要升級擴(kuò)容時，上位機(jī)軟件也要重新修改代碼重新編譯和進(jìn)行程序測試，其修改周期少則幾周多則數(shù)月。如原先的軟件開發(fā)人員已經(jīng)離開，則整個軟件可能要進(jìn)行重新開發(fā)，可能會需要更長的時間，因此盡管系統(tǒng)硬件可以在現(xiàn)場完成快速升級，其上位機(jī)軟件也無法在短時間內(nèi)完成相應(yīng)的升級，從而影響整個觀測系統(tǒng)升級的進(jìn)度。

3 組態(tài)方式開發(fā)上位機(jī)軟件

3.1 什么是組態(tài)軟件

簡單地將，組態(tài)就是用應(yīng)用軟件中提供的工具、方法，完成工程中某一具體任務(wù)的過程。在組態(tài)的概念出現(xiàn)之前，要實(shí)現(xiàn)某一軟件開發(fā)任務(wù)，都是通過編寫程序（如使用VC，VB等）來實(shí)現(xiàn)的，不但工作量大、周期長，而且容易犯錯誤，不能保證工期。而組態(tài)軟件的出現(xiàn)，解決了這個問題，對于過去需要幾個月的工作，通過組態(tài)幾天就可以完成。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計需求

組態(tài)軟件的專業(yè)性較強(qiáng)，本項(xiàng)目使用在工業(yè)計算機(jī)控制領(lǐng)域較為成熟的組態(tài)軟件MCGS，結(jié)合海洋站自動觀測系統(tǒng)的業(yè)務(wù)需求對系統(tǒng)軟件進(jìn)行開發(fā)。用MCGS軟件設(shè)計出的海洋站觀測系統(tǒng)軟件要求具備以下主要功能：

（1）具有數(shù)據(jù)采集功能，使監(jiān)控軟件中心能實(shí)時接收現(xiàn)場氣象傳感器和水文傳感器的采集數(shù)據(jù)，并保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。（2）具有數(shù)據(jù)分析處理功能，能對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、統(tǒng)計以及按照日月年進(jìn)行報表輸出打印。（3）通過畫面組態(tài)能直觀的顯示各個傳感器采集的實(shí)時測量值。（4）具有測量值超限的報警功能，用戶根據(jù)實(shí)際情況，可以修改上下限的值。以便對測量信息的有效分析和設(shè)備的安全運(yùn)行。（5）通過MCGS變量，對數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)各種操作和數(shù)據(jù)處理。系統(tǒng)中需要將數(shù)據(jù)按照所設(shè)定時間存入數(shù)據(jù)庫中，同時也能將數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)讀入至MCGS中。

3.3 監(jiān)控軟件功能模塊設(shè)計

按照對系統(tǒng)功能的需求分析，整個系統(tǒng)軟件主要完成數(shù)據(jù)監(jiān)測、數(shù)據(jù)處理、系統(tǒng)設(shè)置、報表輸出、超限報警以及數(shù)據(jù)庫鏈接。因此可以將總體系統(tǒng)規(guī)劃為幾個模塊，主要分為參數(shù)設(shè)置，系統(tǒng)自檢，數(shù)據(jù)采集，歷史數(shù)據(jù)曲線，超限報警等。系統(tǒng)總體框架如圖2所示。參數(shù)設(shè)置主要是報警值的設(shè)置以及存儲周期的設(shè)置，即用戶在此模塊中可以根據(jù)實(shí)際情況改變水文氣象觀測值參數(shù)的上下限，這樣報警范圍就會發(fā)生變化。而存儲周期的設(shè)置用于確定數(shù)據(jù)多長時間存入數(shù)據(jù)庫中一次；系統(tǒng)自檢為監(jiān)測與硬件設(shè)備通訊是否正常；數(shù)據(jù)采集為各個要素的實(shí)時觀測值。歷史數(shù)據(jù)曲線可以查看過去一段時間內(nèi)的氣象水文要素測量值的變化趨勢；報警模塊與前面的參數(shù)設(shè)置模塊相對應(yīng)，用于顯示報警信息。

3.4 開發(fā)步驟

利用MCGS組態(tài)軟件進(jìn)行項(xiàng)目開發(fā)，一般分為以下步驟：

（1）安裝并運(yùn)行ZOPC_Server服務(wù)器軟件。ZOPC_SERVER作為CAN-bus數(shù)據(jù)接收/發(fā)送服務(wù)器，一方面將MCGS要發(fā)送的命令和數(shù)據(jù)寫進(jìn)CAN接口卡，另一方面將CAN接口卡從CAN總線上收集來的數(shù)據(jù)讀取出來送給MCGS進(jìn)行處理。通過軟件菜單添加主站和從站并啟動服務(wù)器。（2）建立MCGC工程，制作工程畫面。從工具箱中向用戶窗口插入元件、符號和標(biāo)簽搭建顯示界面。包括實(shí)時數(shù)據(jù)標(biāo)簽、動畫元件、歷史數(shù)據(jù)曲線和報表等。（3）定義數(shù)據(jù)對象。實(shí)時數(shù)據(jù)庫是整個工程的數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)處理中心，它把MCGS工程的各個部分連接成一個有機(jī)的整體。首先，根據(jù)海濱觀測規(guī)范的要求制定各觀測要素測量值（數(shù)據(jù)變量）的名稱、類型、初始值和范圍。然后，確定與數(shù)據(jù)變量存盤相關(guān)的參數(shù)（存盤周期、存盤時間范圍和保存期限）。（4）動畫連接。將第2步中建立的用戶窗口中的圖形對象與實(shí)時數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)對象建立相關(guān)性連接，并設(shè)置相應(yīng)的動畫屬性。在屬性窗口的表達(dá)式選項(xiàng)中根據(jù)信號輸出特性輸入相應(yīng)的表達(dá)式。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，圖形對象的外觀和狀態(tài)特征由數(shù)據(jù)對象的實(shí)時采集值驅(qū)動，從而實(shí)現(xiàn)了圖形的動畫效果。（5）設(shè)備連接。在設(shè)備窗口中添加OPC設(shè)備，并指定在第1步中啟動的OPC服務(wù)器。即可對連接到OPC服務(wù)器的各通道進(jìn)行設(shè)置和調(diào)試。（6）制定運(yùn)行策略。通過對運(yùn)行策略的定義，是系統(tǒng)能夠按照設(shè)定的順序和條件操作實(shí)時數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)對外部設(shè)備工作過程的精確控制。當(dāng)觀測數(shù)據(jù)超過正常范圍時，由用戶策略控制系統(tǒng)進(jìn)行報警。

3.5 升級維護(hù)

當(dāng)觀測系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)容升級時，需要對上位機(jī)軟件做出相應(yīng)的改動。由于使用組態(tài)軟件開發(fā)的是基于模塊化的應(yīng)用軟件。所以只需在用戶窗口中添加新增觀測要素的顯示圖形對象，并在實(shí)時數(shù)據(jù)庫中添加新增的數(shù)據(jù)對象并將其與用戶窗口的圖形對象進(jìn)行關(guān)聯(lián)，對設(shè)備通道進(jìn)行簡單的設(shè)置并適當(dāng)調(diào)整策略，無需編寫代碼只要進(jìn)行配置即可在現(xiàn)場完成軟件升級。

4 組態(tài)軟件開發(fā)方式與傳統(tǒng)軟件開發(fā)方式對比

和傳統(tǒng)軟件開發(fā)方式相比，組態(tài)軟件的主要特點(diǎn)有：

（1）延續(xù)性和可擴(kuò)充性。使用組態(tài)軟件開發(fā)的應(yīng)用程序，當(dāng)現(xiàn)場（包括硬件設(shè)備或系統(tǒng)結(jié)構(gòu)）或用戶需求發(fā)生改變時，不需作很多修改而方便地完成軟件的更新和升級。（2）封裝性。組態(tài)軟件所能完成的功能都用一種方便用戶使用的方法包裝起來，對于用戶，不需掌握太多的編程語言技術(shù)（甚至不需要編程技術(shù)），就能很好地完成一個復(fù)雜工程所要求的所有功能。（3）通用性。即使觀測系統(tǒng)采用不同廠家生產(chǎn)的觀測設(shè)備，組態(tài)軟件利用其豐富的底層設(shè)備驅(qū)動程序、開放式的數(shù)據(jù)庫和畫面制作工具，就能完成一個具有實(shí)時數(shù)據(jù)顯示及動畫效果、實(shí)時數(shù)據(jù)處理、歷史數(shù)據(jù)回放和數(shù)據(jù)曲線等功能的軟件。endprint

5 組態(tài)軟件在分布式海洋站觀測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用

由于組態(tài)軟件的通用性，使其廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)控制領(lǐng)域，其可用性已經(jīng)得到了充分驗(yàn)證。 和工業(yè)控制相比，海洋觀測具有其特殊性。

由表2可以看到無論在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、監(jiān)控方式、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模還是業(yè)務(wù)需求方面，海洋站觀測系統(tǒng)比大多數(shù)工業(yè)控制領(lǐng)域的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單且性能要求較低。因此，使用廣泛應(yīng)用在工控領(lǐng)域的組態(tài)軟件能夠進(jìn)行海洋站觀測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件的開發(fā)。

6 結(jié)語

通過為期三個月的測試，基于組態(tài)技術(shù)開發(fā)的海洋站觀測系統(tǒng)軟件運(yùn)行正常。且可以在很短時間對系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行擴(kuò)充或裁剪，實(shí)現(xiàn)了海洋站觀測系統(tǒng)真正的快速升級?；贑AN總線技術(shù)的分布式海洋站觀測系統(tǒng)的可用性已在該項(xiàng)目中得到驗(yàn)證，若將組態(tài)技術(shù)結(jié)合CAN總線技術(shù)廣泛應(yīng)用到全國海洋站觀測系統(tǒng)當(dāng)中，可以大幅縮短系統(tǒng)升級所需要的時間，可由海洋站工作人員在現(xiàn)場完成硬件升級并在臺站上位機(jī)上直接完成軟件升級，能夠提高工作效率并大大節(jié)省人力物力。

參考文獻(xiàn)

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5 組態(tài)軟件在分布式海洋站觀測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用

由于組態(tài)軟件的通用性，使其廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)控制領(lǐng)域，其可用性已經(jīng)得到了充分驗(yàn)證。 和工業(yè)控制相比，海洋觀測具有其特殊性。

由表2可以看到無論在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、監(jiān)控方式、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模還是業(yè)務(wù)需求方面，海洋站觀測系統(tǒng)比大多數(shù)工業(yè)控制領(lǐng)域的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單且性能要求較低。因此，使用廣泛應(yīng)用在工控領(lǐng)域的組態(tài)軟件能夠進(jìn)行海洋站觀測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件的開發(fā)。

6 結(jié)語

通過為期三個月的測試，基于組態(tài)技術(shù)開發(fā)的海洋站觀測系統(tǒng)軟件運(yùn)行正常。且可以在很短時間對系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行擴(kuò)充或裁剪，實(shí)現(xiàn)了海洋站觀測系統(tǒng)真正的快速升級?；贑AN總線技術(shù)的分布式海洋站觀測系統(tǒng)的可用性已在該項(xiàng)目中得到驗(yàn)證，若將組態(tài)技術(shù)結(jié)合CAN總線技術(shù)廣泛應(yīng)用到全國海洋站觀測系統(tǒng)當(dāng)中，可以大幅縮短系統(tǒng)升級所需要的時間，可由海洋站工作人員在現(xiàn)場完成硬件升級并在臺站上位機(jī)上直接完成軟件升級，能夠提高工作效率并大大節(jié)省人力物力。

參考文獻(xiàn)

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5 組態(tài)軟件在分布式海洋站觀測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用

由于組態(tài)軟件的通用性，使其廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)控制領(lǐng)域，其可用性已經(jīng)得到了充分驗(yàn)證。 和工業(yè)控制相比，海洋觀測具有其特殊性。

由表2可以看到無論在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、監(jiān)控方式、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模還是業(yè)務(wù)需求方面，海洋站觀測系統(tǒng)比大多數(shù)工業(yè)控制領(lǐng)域的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單且性能要求較低。因此，使用廣泛應(yīng)用在工控領(lǐng)域的組態(tài)軟件能夠進(jìn)行海洋站觀測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件的開發(fā)。

6 結(jié)語

通過為期三個月的測試，基于組態(tài)技術(shù)開發(fā)的海洋站觀測系統(tǒng)軟件運(yùn)行正常。且可以在很短時間對系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行擴(kuò)充或裁剪，實(shí)現(xiàn)了海洋站觀測系統(tǒng)真正的快速升級?；贑AN總線技術(shù)的分布式海洋站觀測系統(tǒng)的可用性已在該項(xiàng)目中得到驗(yàn)證，若將組態(tài)技術(shù)結(jié)合CAN總線技術(shù)廣泛應(yīng)用到全國海洋站觀測系統(tǒng)當(dāng)中，可以大幅縮短系統(tǒng)升級所需要的時間，可由海洋站工作人員在現(xiàn)場完成硬件升級并在臺站上位機(jī)上直接完成軟件升級，能夠提高工作效率并大大節(jié)省人力物力。

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