摘 要: 為解決現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜，成本高以及維護不便等缺點，本文研制開發(fā)了基于PROFIBUS現(xiàn)場總線的通用型監(jiān)控系統(tǒng)。本監(jiān)控儀表包括監(jiān)控儀表及一臺監(jiān)控主機, 設(shè)計了32路可接多種類型傳感器的模擬量輸入通道，并采用PROFIBUS現(xiàn)場總線,可以和其它廠家生產(chǎn)的符合PROFIBUS現(xiàn)場總線TN915 協(xié)議的儀表配合使用,符合當前國際上控制系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。 關(guān)鍵字: 監(jiān)控系統(tǒng); 輸入通道; 現(xiàn)場總線; 傳感器 1 引言 　　目前廣泛應(yīng)用的監(jiān)控系統(tǒng)是分布式控制系統(tǒng)（DCS）或采用智能化傳感器。但是DCS有結(jié)構(gòu)復雜,點數(shù)增加時成本相對較高,不便于維護等缺點。而在分布位置相對集中的多個被監(jiān)控點上均采用智能傳感器也會增加系統(tǒng)不必要的成本。為此,本文研制開發(fā)了基于PROFIBUS現(xiàn)場總線的通用型監(jiān)控系統(tǒng),它包括監(jiān)控儀表（下位機）及一臺監(jiān)控主機（上位機）。針對中、小范圍的監(jiān)控中,在小范圍內(nèi)所用傳感器種類較多,且又有多點開關(guān)量輸入、輸出等特點,在監(jiān)控儀表中設(shè)計了32路可接多種類型傳感器的模擬量輸入通道、8路數(shù)字輸入（DI）通道、8路數(shù)字輸出（DO）通道、4路閉環(huán)模擬輸出（AO）通道。所以,本文研制開發(fā)的監(jiān)控系統(tǒng)是一種小而全的通用型監(jiān)控系統(tǒng)。 2 總體設(shè)計原則與系統(tǒng)組成 [align=center] 圖1系統(tǒng)組成框圖[/align] 　　本文開發(fā)的監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)具有可靠性高、易于維護、結(jié)構(gòu)簡單、操作靈活、易于擴展等特點。因此,本系統(tǒng)的總體設(shè)計原則為:上位機采用工控機,應(yīng)用靈活的人機接口軟件實現(xiàn)操作控制;監(jiān)控儀表采用以16位單片機80C96KB為CPU的單片機系統(tǒng)來實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集與控制,達到結(jié)構(gòu)簡單、功能靈活、性能穩(wěn)定等要求;上、下位機之間的通信采用RS-485串行總線,其抗干擾能力強,傳輸距離遠,可用簡單并聯(lián)的方式連接多臺下位機,上位機和下位機之間的通信協(xié)議采用PROFIBUS國際標準,使系統(tǒng)易于擴展、互換性強。 　　從系統(tǒng)功能要求出發(fā),本文系統(tǒng)由監(jiān)控系統(tǒng)及監(jiān)控主機兩個部分的軟、硬件所組成。監(jiān)控儀表是有測量、控制功能的單片機系統(tǒng),作為放置在現(xiàn)場的下位機。監(jiān)控主機是由一臺工控機及串行通訊接口部件構(gòu)成的。系統(tǒng)組成如圖1所示。 3 下位機組成 　　下位機采用80C196KB單片機系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集、控制量輸出、向上位機傳送測量數(shù)據(jù)及接收上位機的操作命令。 　　3.1 AI單元 　　AI單元包括32路模擬輸入信號的放大、濾波和處理電路,其結(jié)構(gòu)如圖2所示。 [align=center] 圖2 AI單元結(jié)構(gòu)框圖[/align] 　　AI單元主要性能: 8路熱電阻Pt100測量范圍:0～3000C; 8路K型熱電偶測量范圍:100～8000C; 8路E型熱電偶測量范圍:100～8000C; 4路4～20mA電流信號; 4路1～5V電壓信號; 　　為保證系統(tǒng)的測量精度優(yōu)于0.2%, AI單元中的A/D轉(zhuǎn)換器采用12位的AD574,可在25μs內(nèi)完成一次A/D轉(zhuǎn)換,32路信號在2秒鐘內(nèi)循環(huán)采樣一次。 　　3.2 DI單元 [align=center] 圖3 DI單元結(jié)構(gòu)框圖[/align] 　　DI單元包括8路24V直流光隔離開關(guān)量輸入信號。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。DI單元的功能: 8路繼電器導通/斷開的開關(guān)量同時輸入。 　　3.3 DO單元 　　DO單元包括8路無源觸點,光電隔離輸出,其結(jié)構(gòu)如圖4所示。 [align=center] 圖4 DO單元結(jié)構(gòu)圖[/align] 　　DO單元主要性能: 最大通斷能力:1A/220V; 繼電器:EG2-5N1; ON響應(yīng)時間:MAX 10ms; OFF響應(yīng)時間:MAX10ms; 內(nèi)部電流消耗:MAX50mA, 5VDC （8點同時接通）。 　　3.4 AO單元 　　AO單元包括4路4～20mA模擬量輸出信號,其結(jié)構(gòu)如圖5所示。它們可以分別被設(shè)置為與32路AI中的任意一路形成閉環(huán)控制。 [align=center] 圖5 AO單元結(jié)構(gòu)框圖[/align] 　　AO單元主要性能: 負載范圍:0Ω～300Ω; 輸出范圍:4～20mA; 　　為保證輸出精度,AO單元采用雙路12位串行DAC-TLC5618,將其輸出的電壓信號經(jīng)放大后,再經(jīng)V/I轉(zhuǎn)換電路變?yōu)?～20mA電流輸出的方式。 　　3.5串行通信接口單元 　　本測量儀串行接口采用光電隔離型RS-485接口標準,通信電纜采用屏蔽雙絞線。RS-485總線具有傳輸距離遠,抗干擾能力強等優(yōu)點,適合于生產(chǎn)環(huán)境。 　　3.6程序存儲器和EEPROM 　　在下位機采用8K程序存儲器,用來存儲下位機的監(jiān)控程序。系統(tǒng)中還采用128K EEPROM-DS 1213D來存儲系統(tǒng)當前設(shè)置和數(shù)據(jù)采集信息,可以實現(xiàn)掉電保護的功能。EEPROM電池的壽命為10年。 4 上位機 　　系統(tǒng)上位機采用研華610工控機以實現(xiàn)整個系統(tǒng)的高可靠性。包括:主機、顯示器、鍵盤和鼠標等。上位機的基本配置如下: 　　CPU: P4-1.8G; 內(nèi)存:256M; 硬盤:20G; 光驅(qū):52X; 　　顯存:32M; 顯示器:PHILIP107E; 標準鍵盤和鼠標; 研華通信接口卡:PCL-745B; 　　通過專用的通訊接口卡PCL-745B將工控機擴展出2路RS-422/485串行口,本系統(tǒng)僅使用了其中的一路。當下位機數(shù)量較多時,上位機和下位機通信的信息量較大,最大可用波特率為19200bps。 5 系統(tǒng)工作原理 　　系統(tǒng)工作原理可簡要概括如下: 　　系統(tǒng)針對外界被測的32路信號,由繼電器陣列選擇其中的任意一路進行輸入。這一路信號輸入系統(tǒng)后,再從五種處理方式中選擇一種方式。這五種信號處理方式是:熱電阻測溫電路;E型熱電偶測溫電路;K型熱電偶測溫電路;標準1～5V電壓量輸入;標準4～20mA電流量輸入。若選擇的是兩種標準量輸入中的任一種,則信號經(jīng)過通路后直接接入后一級信號調(diào)理電路;若選擇的是熱電偶或熱電阻測溫通路,則信號從測溫電路輸出后先經(jīng)過一個電流輸出接口集成電路AM402,再接入信號調(diào)理電路。信號調(diào)理電路輸出的模擬量,通過A/D轉(zhuǎn)換器變換為數(shù)字信號,然后送入CPU進行數(shù)據(jù)處理。 　　CPU對A/D發(fā)出調(diào)用指令,將數(shù)據(jù)調(diào)到CPU中進行數(shù)據(jù)處理。處理后的數(shù)據(jù)通過串行口與上位機實時通訊,并由上位機進一步進行處理。上位機的回復信息由CPU指定存儲地址并存儲在存儲器中,同時由CPU對其進行輸出。 　　CPU輸出的數(shù)據(jù)是8位并行數(shù)據(jù),經(jīng)過并-串轉(zhuǎn)換、數(shù)-模轉(zhuǎn)換、電壓-電流轉(zhuǎn)換這幾個步驟,使得輸出的量可以驅(qū)動被控制系統(tǒng)。系統(tǒng)還輸出開關(guān)量作為控制信號輸出。 6 系統(tǒng)主要性能指標 　　系統(tǒng)主要性能指標如下: 　　（1） 4路4～20mA模擬量輸入,允許上位機設(shè)定通道號,且可掉電保持。 　　（2） 4路1～5V模擬量輸入,允許上位機設(shè)定通道號,且可掉電保持。 　　（3） 16路熱電偶（K型、E型）輸入,允許上位機設(shè)定通道號,且可掉電保持。（對應(yīng)熱電偶輸入型儀表） 　　（4） 16路熱電阻（（Pt100）輸入,允許上位機設(shè)定通道號,且可掉電保持。 （對應(yīng)熱電阻輸入型儀表） 　　（5） 8路開關(guān)量輸入（24V DC光隔）允許上位機設(shè)定通道號,且可掉電保持。 　　（6） 8路開關(guān)量輸出（無源觸點、光電隔離,1 A/220 V）允許上位機設(shè)定通道號,且可掉電保持。 　　（7） 4路模擬量輸出（（ 4～20mA）允許上位機設(shè)定其中一路為AI通道的閉環(huán)控制輸出,其余通道號亦可同上方法設(shè)定,且都可掉電保持。 　　（8） 串行口采用光電隔離型RS-485接口標準,通訊協(xié)議遵從PROFIBUS總線標準。 　　（9） CPU采用80C196。 　　（10） 巡回采樣時間間隔小于2秒。 　　（11） 測量誤差小于0.2%。 　　（12） 本機地址可通過上位機設(shè)定,且可掉電保持。 　　（13） 監(jiān)控數(shù)據(jù)及系統(tǒng)工作狀態(tài)實時顯示、存儲功能。 　　本文作者創(chuàng)新點: 本文中根據(jù)系統(tǒng)功能要求提出系統(tǒng)總設(shè)計原則,對系統(tǒng)組成進行了全面介紹,概述了系統(tǒng)的工作原理,闡述了系統(tǒng)性能指標。 參考文獻 　　[1] 李華.MCS-51系列單片機實用接口技術(shù)[M].北京:北 京航空航天大學出版社,2002.2 　　[2] 陳連坤.嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)[M].北京:清華大學出版社,2005 　　[3] 唐娟,王文娣,呂長飛. 基于新型AVR單片機的溫室測控系統(tǒng)[J]. 微計算機信息, 2007,2-2: 138-139 　　[4] PHILIPS SJA1000 stand-alone CAN controller product specification 2000 Jan 04 　　[5] 鄔寬明 CAN 總線原理和應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計[M] 北京航空航天大學出版社 1996 　　[6] 黃樂天, 謝意. 實用高精度智能恒溫加熱器系統(tǒng)設(shè)計[J]. 微計算機信息, 2005,10: 70-71