关键字: 监控系统; 输入通道; 现场总线; 传感器
1 引言
目前广泛应用的监控系统是分布式控制系统（DCS）或采用智能化传感器。但是DCS有结构复杂,点数增加时成本相对较高,不便于维护等缺点。而在分布位置相对集中的多个被监控点上均采用智能传感器也会增加系统不必要的成本。为此,本文研制开发了基于PROFIBUS现场总线的通用型监控系统,它包括监控仪表（下位机）及一台监控主机（上位机）。针对中、小范围的监控中,在小范围内所用传感器种类较多,且又有多点开关量输入、输出等特点,在监控仪表中设计了32路可接多种类型传感器的模拟量输入通道、8路数字输入（DI）通道、8路数字输出（DO）通道、4路闭环模拟输出（AO）通道。所以,本文研制开发的监控系统是一种小而全的通用型监控系统。
2 总体设计原则与系统组成
图1系统组成框图
本文开发的监控系统应具有可靠性高、易于维护、结构简单、操作灵活、易于扩展等特点。因此,本系统的总体设计原则为:上位机采用工控机,应用灵活的人机接口软件实现操作控制;监控仪表采用以16位单片机80C96KB为CPU的单片机系统来实现现场数据的采集与控制,达到结构简单、功能灵活、性能稳定等要求;上、下位机之间的通信采用RS-485串行总线,其抗干扰能力强,传输距离远,可用简单并联的方式连接多台下位机,上位机和下位机之间的通信协议采用PROFIBUS国际标准,使系统易于扩展、互换性强。
从系统功能要求出发,本文系统由监控系统及监控主机两个部分的软、硬件所组成。监控仪表是有测量、控制功能的单片机系统,作为放置在现场的下位机。监控主机是由一台工控机及串行通讯接口部件构成的。系统组成如图1所示。
3 下位机组成
下位机采用80C196KB单片机系统进行数据采集、控制量输出、向上位机传送测量数据及接收上位机的操作命令。
3.1 AI单元
AI单元包括32路模拟输入信号的放大、滤波和处理电路,其结构如图2所示。
图2 AI单元结构框图
AI单元主要性能: 8路热电阻Pt100测量范围:0～3000C; 8路K型热电偶测量范围:100～8000C; 8路E型热电偶测量范围:100～8000C; 4路4～20mA电流信号; 4路1～5V电压信号;
为保证系统的测量精度优于0.2%, AI单元中的A/D转换器采用12位的AD574,可在25μs内完成一次A/D转换,32路信号在2秒钟内循环采样一次。
3.2 DI单元
图3 DI单元结构框图
DI单元包括8路24V直流光隔离开关量输入信号。其结构如图3所示。DI单元的功能: 8路继电器导通/断开的开关量同时输入。
3.3 DO单元
DO单元包括8路无源触点,光电隔离输出,其结构如图4所示。
图4 DO单元结构图
DO单元主要性能: 最大通断能力:1A/220V; 继电器:EG2-5N1; ON响应时间:MAX 10ms; OFF响应时间:MAX10ms; 内部电流消耗:MAX50mA, 5VDC （8点同时接通）。
3.4 AO单元
AO单元包括4路4～20mA模拟量输出信号,其结构如图5所示。它们可以分别被设置为与32路AI中的任意一路形成闭环控制。
图5 AO单元结构框图
AO单元主要性能: 负载范围:0Ω～300Ω; 输出范围:4～20mA;
为保证输出精度,AO单元采用双路12位串行DAC-TLC5618,将其输出的电压信号经放大后,再经V/I转换电路变为4～20mA电流输出的方式。
3.5串行通信接口单元
本测量仪串行接口采用光电隔离型RS-485接口标准,通信电缆采用屏蔽双绞线。RS-485总线具有传输距离远,抗干扰能力强等优点,适合于生产环境。
3.6程序存储器和EEPROM
在下位机采用8K程序存储器,用来存储下位机的监控程序。系统中还采用128K EEPROM-DS 1213D来存储系统当前设置和数据采集信息,可以实现掉电保护的功能。EEPROM电池的寿命为10年。
4 上位机
系统上位机采用研华610工控机以实现整个系统的高可靠性。包括:主机、显示器、键盘和鼠标等。上位机的基本配置如下:
CPU: P4-1.8G; 内存:256M; 硬盘:20G; 光驱:52X;
显存:32M; 显示器:PHILIP107E; 标准键盘和鼠标; 研华通信接口卡:PCL-745B;
通过专用的通讯接口卡PCL-745B将工控机扩展出2路RS-422/485串行口,本系统仅使用了其中的一路。当下位机数量较多时,上位机和下位机通信的信息量较大,最大可用波特率为19200bps。
5 系统工作原理
系统工作原理可简要概括如下:
系统针对外界被测的32路信号,由继电器阵列选择其中的任意一路进行输入。这一路信号输入系统后,再从五种处理方式中选择一种方式。这五种信号处理方式是:热电阻测温电路;E型热电偶测温电路;K型热电偶测温电路;标准1～5V电压量输入;标准4～20mA电流量输入。若选择的是两种标准量输入中的任一种,则信号经过通路后直接接入后一级信号调理电路;若选择的是热电偶或热电阻测温通路,则信号从测温电路输出后先经过一个电流输出接口集成电路AM402,再接入信号调理电路。信号调理电路输出的模拟量,通过A/D转换器变换为数字信号,然后送入CPU进行数据处理。
CPU对A/D发出调用指令,将数据调到CPU中进行数据处理。处理后的数据通过串行口与上位机实时通讯,并由上位机进一步进行处理。上位机的回复信息由CPU指定存储地址并存储在存储器中,同时由CPU对其进行输出。
CPU输出的数据是8位并行数据,经过并-串转换、数-模转换、电压-电流转换这几个步骤,使得输出的量可以驱动被控制系统。系统还输出开关量作为控制信号输出。
6 系统主要性能指标
系统主要性能指标如下:
（1） 4路4～20mA模拟量输入,允许上位机设定通道号,且可掉电保持。
（2） 4路1～5V模拟量输入,允许上位机设定通道号,且可掉电保持。
（3） 16路热电偶（K型、E型）输入,允许上位机设定通道号,且可掉电保持。（对应热电偶输入型仪表）
（4） 16路热电阻（（Pt100）输入,允许上位机设定通道号,且可掉电保持。 （对应热电阻输入型仪表）
（5） 8路开关量输入（24V DC光隔）允许上位机设定通道号,且可掉电保持。
（6） 8路开关量输出（无源触点、光电隔离,1 A/220 V）允许上位机设定通道号,且可掉电保持。
（7） 4路模拟量输出（（ 4～20mA）允许上位机设定其中一路为AI通道的闭环控制输出,其余通道号亦可同上方法设定,且都可掉电保持。
（8） 串行口采用光电隔离型RS-485接口标准,通讯协议遵从PROFIBUS总线标准。
（9） CPU采用80C196。
（10） 巡回采样时间间隔小于2秒。
（11） 测量误差小于0.2%。
（12） 本机地址可通过上位机设定,且可掉电保持。
（13） 监控数据及系统工作状态实时显示、存储功能。
本文作者创新点: 本文中根据系统功能要求提出系统总设计原则,对系统组成进行了全面介绍,概述了系统的工作原理,阐述了系统性能指标。
参考文献
[1] 李华.MCS-51系列单片机实用接口技术[M].北京:北 京航空航天大学出版社,2002.2
[2] 陈连坤.嵌入式系统的设计与开发[M].北京:清华大学出版社,2005
[3] 唐娟,王文娣,吕长飞. 基于新型AVR单片机的温室测控系统[J]. 微计算机信息, 2007,2-2: 138-139
[4] PHILIPS SJA1000 stand-alone CAN controller product specification 2000 Jan 04
[5] 邬宽明 CAN 总线原理和应用系统设计[M] 北京航空航天大学出版社 1996
[6] 黄乐天, 谢意. 实用高精度智能恒温加热器系统设计[J]. 微计算机信息, 2005,10: 70-71
