（控制理论与控制工程专业论文）防腐电源监控可视化软件设计和实现.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 金属发生腐蚀是一种自然趋势，非常普遍。金属腐蚀不仅会造成经济损失， 而且会产生一些安全隐患。因此，我们有必要研究出相应的防护技术，来减缓金 属腐蚀的过程。 本课题是湖北省科技攻关项目埋地管线腐蚀与防护信息系统的子课题。根据 防护信息系统的要求，开发出满足用户需要的防腐电源监控软件是该项目的关键 之一。 论文主要根据埋地管线结构物所处外部环境，将传感技术、检测技术和计算 机( i p c ) 网络技术结合起来建立一个智能监控系统。监控系统由智能监控节点 和监控中心构成。监控节点采集现场信号并传送到监控中心。监控中心的工业控 制计算机通过监控软件接收智能监控节点通过c a n 总线送到串口的数据并对接 收的数据进行分析，帮助用户对防腐电源进行智能监控。 论文描述了防腐电源监控系统的总体设计和监控软件开发方面的内容。开发 内容包括：( 1 ) i p c 和智能监控节点通信程序设计；( 2 ) 数据的表格显示和曲线 显示；( 3 ) 设计监控数据库，实现便秘的数据管理和历史数据查询；( 4 ) 监控系 统参数的设置和保存；( 5 ) 报警处理桉块，可以保证系统安全运行；( 6 ) v i s u a l c 抖6 0 和m a t l a b 混合编程，实现采集数据实对以及离线对域分析、傅立叶分析 和小波分析。 监控软件充分结合和利用v i s u a lc + + 6 ，0 和m a t l a b 优点，脱离m a t l a b 环境。 实现对m a t l a b 功能的调用，减小开发难度，降低软件编码的复杂度，提高软件 执行效率，具有良好的扩展性。 关键词：智能监控，数据通信，混合编程 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t m e t a le r o d e di san a t u r a lt r e n da n dh a p p e nc o m m o n l y m e t a le r o d e db r i n g sn o t o n l ye c o n o m yl o s s i n gb u ta l s os a f e t y h i d d e nt r o u b l e i ti s i m p o r t a n tt od e v e l o p p r o t e c t i n gt e c h n o l o g y t od e l a ym e t a le r o d e d p r o g r e s s t h e p r e v e n t i o nm e t a le r o d e dp o w e rm o n i t o rs y s t e mp r o j e c ts t e m sf r o mt h ei t e m t h ee r o d e da n dd e f e n d e ds y s t e mo f p i p eu n d e r t h eg r o u n d i m p o r t a n t l ys u p p o r t e db y f u n do f h u b e i p h y s i c a ls c i e n c e ，t h ed e s i g no f am o n i t o r i n gs o f t w a r eo f a n t i c o r r o s i v e p o w e r i so n eo f t h e k e yp a r t so f t h es t e m t h ed i s s e r t a t i o ns y n t h e s i z e st h et r a n s d u c e rt e c h n i q u e ，t h ed e t e c t i o nt e c h n i q u e a n dt h ec o m p u t e rt e c h n i q u et ob u i l daa n t i e o r r o s i v ep o w e rm o n i t o rs y s t e m ，w h i c h m e a s u r i n gt h ep o w e r sp a r a m e t e rv a l u e sa n d c o n v e r ti ti n t ot h ee l e c t r i c a lv a l u ew h i c h i sc o n v e n i e n tt or e s e a r c hs u c ha st h ev o l t a g ea n dt h ec u r r e n t t h es y s t e mm a i n l y i n c l u d et w o p a r t ：t h ei n t e l l i g e n tm e a s u r i n g c o n t r o l l i n gn o d e a n dt h ei p c t h ei p cc a l l r e c e i v et h e p a r a m e t e rv a l u e sb yt r a n s m i t t i n ga n da n a l y z i n gt h e e l e c t r i c a lv a l u e s w h i c hs e n tb y i n t e l l i g e n tm e a s u r i n g c o n t r o l l i n gn o d et h r o u g hc a n b u s t h em o n i t o r s o f t w a r ea n a l y z e dt h ed a t aa n db e l pu s e rt om o n i t o ra n dc o n t r o lt h ea n t i c o r r o s i v e p o w e r t h ed i s s e r t a t i o ns y s t e m a t i c a l l ya n d m a i n l y d i s c u s s e dt w o p a r t sc o n t e n t ，i n c l u d i n g m o n i t o r i n gs y s t e md e s i g na n dd e v e l o p i n gs o f t w a r e i ti n c l u d e st h ef o l l o w i n gp a r t s ： d e s i g n o ft h ei p cc o m m u n i c a t i o nw i t ht h e i n t e l l i g e n tn o d e , d a t ad i s p l a y i n gw i t hg r i d a n dc 1 1 y v e ，m o n i t o r i n gd a t a b a s ew h i c hi sc o n v e n i e n t m a n a g i n ga n di n q u i r i n g m o n i t o r i n gd a t a ，s e t t i n ga n ds a v i n gm o n i t o r i n gs y s t e m sp a r a m e t e m ，a l a r mm o d u l e ， i n t e r m i x i n gp r o g r a m m i n g 、v i 廿1v i s u a lc + + 6a n dm a t l a b ，w h i c hc a nr e a l i z e st h et u n e a n a l y s i s ，f f t a n dw a v e l e t t h es o t t w a r et a k e sa d v a n t a g eo ft h ea t t r i b u t e so fv i s u a lc + + 6 0a n dm a t l a b w h i c hr e d u c et h ed e v e l o p m e n tp e r i o ds o r w a r ed e s i g n i n g , s h o r tt h el e n g t ho ft h e s o f t w a r ec o d e ，i m p r o v i n gt h ee f f i c i e n c yo f t h ee x e c u t i o n k e y w o r d s ：i n t e l l e c t i v em o n i t o r , d a t a c o m m u n i c a t i o n ，i n t e r m i x i n gp r o g r a m m i n g 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题概述 1 1 1 课题来源 第1 章绪论 课题名称：防腐电源监控可视化软件设计和实现。 课题来源：湖北省科技攻关项目，是湖北省科技攻关项目埋地管线腐蚀与防 护信息系统的子课题。在新型防腐电源及其现场智能监控节点的基础上，开发出 运行于工控机上的监控信息系统，能够对多个电源的统一管理，实现集中监测， 控制，可以提高管理效率。并为将来利用互联网技术，实现基于w e b 的远程监控 系统，为异地监控和诊断奠定技术基础。 1 1 2 课题研究的目的和意义 金属发生腐蚀是一种自然的趋势，且随处可见，非常普遍。因此，我们有必 要研究腐蚀发生的原因，并研究出相应的防护技术，来减缓金属腐蚀的过程。进 行这样的研究，有多方面的重要意义。首先是经济方面，腐蚀给金属材料造成的 直接和间接损失是巨大的，而金属构件的毁坏造成的间接损失远比金属材料的价 值大得多，如飞机、轮船、桥梁、锅炉等，其造价远超过原材料价格。据美国国 家标准局( n b s ) 调查，1 9 7 5 年美国因腐蚀造成的损失高达7 0 0 亿美元，或者说 占国民经济总产值( g n p ) 的4 2 。光明日报1 9 9 9 年1 月2 0 日报道，1 9 9 7 年因腐蚀给我国国民经济带来的损失高达2 8 0 0 亿人民币。澳大利驱、英国、日 本和其他国家腐蚀损失的研究结果也己经发表，这些国家的腐蚀损失一般占国民 经济总产值( g n p ) 的3 一4 。其中这类损失约有1 5 应用目前已有的防腐 技术就可避免。其次是安全性方面，因为腐蚀可能造成设备灾难性的破坏事故。 这类设备如：压力容器、锅炉、储存有毒物质的金属容器、汽轮机叶片和螺旋桨、 桥梁、飞机零件和汽车驾驶机构。在核电站设备及核废料处理装置的设计中首先 考虑的是安全。金属腐蚀对埋地管线的腐蚀作用更加严重，它会使钢质管道穿孔、 油气泄漏进而引起爆炸、火灾、煤气中毒等，造成很大的损失，或者使电缆损坏 造成通讯中断等严重事故。据统计，到1 9 9 6 年底，我国共建成原油天然气管道 1 9 0 0 0 多公里：1 9 8 5 年前在城市中建成的供水、供气、供热管道达8 0 0 0 0 多公里。 武汉理工大学硕士学位论文 管道的安全运行关系到国计民生。根据各大城市地下管网腐蚀调查，到2 0 0 0 年， 我国大部分城市地下管网已接近寿命期，因其防护层老化，腐蚀泄漏日趋严重， 如何防护由陈旧的地下管网引发的突发性灾难事故已成为社会关注的焦点。其三 是环境和资源方面。腐蚀不仅直接造成金属材料的损失，而运输管道的损坏会导 致管道中运输物质跑、冒、漏，造成运输资源的损失，更会重要的是，这些资源 很多都会引起环境污染。如金属供水管道的腐蚀产物，某些防腐蚀防污损生物 附着的添加剂等进入水和土壤中也会影响生物链，从而直接或间接进入人体。运 输的石油泄漏会污染管道周围的土壤，等等这些都会影响甚至破坏人类的生态环 境。 金属腐蚀不仅给国民经济造成了巨大的经济损失，而且严重影响人类的生存 环境。若采用适当的防腐措施是可以将腐蚀控制住，避免腐蚀事故的发生。阴极 保护是最有效的防护措旌。 1 1 3 阴极保护原理 阴极保护技术是随着电化学技术发展而来的。大部分腐蚀是电化学腐蚀，电 化学腐蚀是由于金属与电解质溶液接触时，金属表面各个部分存在一定的电位差 ( 即存在阴极区和阳极区) 所引起的“。例如，海船船体水下表面由于镀层缺陷 或其他原因引起不同区域的电位差可达5 0 l o o m v ，这样的电位差足以引起溃疡 腐蚀。有的海船航行两年后船体钢板上腐蚀深度达到2 5 唧，并出现直径为1 0 2 0 m m 的蚀坑。为了消除金属表面不同部位在电解质溶液中的电位差，可通过牺 牲阳极或外加电源对金属构筑物施加一阴极电流，使其发生阴极极化。极化结果 使金属的电位向负方向移动。赢到原有的电位差消失，腐蚀自然停止。以海船为 例，从腐蚀电位开始向负方向极化2 0 0 2 5 0 m v ，就能达到保护度9 0 以上。 1 1 4 防腐电源及其监控系统 从阴极保护原理中得知，由外部直流电源向被保护的金属构筑物施加阴极电 流，可使其发生阴极极化，达到降低甚至完全抑制金属腐蚀的目的。由此决定了 外加电流阴极保护系统”1 的3 个组成部分：防腐电源，辅助阳极和被保护的阴极。 埋地钢质管道外加电流阴极保护系统结构示意图如图卜1 所示。 恒电位仪是目前国内广范使用的防腐电源设备，它是一种能够保持电极电位 恒定的电子仪器。它主要适用于金属构筑物电解质的电位经常波动的场合，如 2 武汉理工大学硕士学位论文 介质流速频繁变化( 航行中的船) ，有杂散电流干扰等。据统计，恒电位仪占领了 9 0 的外加电流阴极保护市场。 图1 1 外加电流阴极保护系统 易腐蚀的金属构件大多分布在野外或者是地下，并且分布范围广，如石油管 道，输电线路，城市供水等埋地管线。随着社会经济的迅速发展，埋地管线已经 成为现代工业和国民经济的命脉，加上其恶劣的现场环境和特殊的运输物质( 如 石油、天然气和生活用水) ，对防腐技术提出了更高的要求。防腐电源是阴极保 护技术中最为关键的设备，传统的防腐电源已不能适应现代工业防腐发展的需 要，因此，利用半导体变流技术，通信技术，计算机技术开发出了新型智能防腐 电源系统满足现代工业发展的需求。针对智能防腐电源位置分散的特点，为了更 加有效的监测和管理新型智能防腐电源系统，实现对多个电源的统一管理，集中 监测和控制，开发设计智能防腐电源监控系统将很有盛要。 1 2 基于现场总线的智能防腐电源监控系统 监控系统是集检测传输技术、计算机技术、控制技术、网络技术和显示技术 于一体的高新技术，具有功能强、操作简便和可靠性高等特点，在化工、电力、 冶金等领域的应用已经十分普及“1 。近2 0 多年来，由于微电子技术和计算机技 术的飞速发展以及工业自动化要求的逐步提高，监控系统经历了几个阶段的发展 过程，结构日臻完善，技术更加成熟，已经成为生产自动化不可缺少的自动化装 置。特别是9 0 年代，计算机、通信技术的迅猛发展，使监控系统硬件方面广泛 采用速度更快，容量更大，可靠性更高的的高档工业计算机，有的甚至采用了 r i s c 工作站，软件方面引入了通用的商业化软件包。通信方面采用通用的现场 总线技术，系统方面采用国际标准的通用网络，逐步向信息集成的方向发展。 监控系统虽然经历了几个阶段的发展过程，但其系统软件结构保留着集中管 理( 包括操作站、工程师站和上位机) 、监测控制和网络通信三个部分，并以实 现分散控制和集中管理功能为目标。监视控制站包括四个方面功能： 木现场监测模拟量、数字量和脉冲量的输出并进行转换处理； $ 各种控制回路的运算； 武汉理工大学硕士学位论文 $ 控制运算结果的直接输出。 控制运算结果在线和离线分析。 工程师站负责系统的管理、控制组态、系统生成与下装。操作站是人机接口， 由微处理器、显示器、键盘和打印机组成，用于生产调度管理、优化计算、生产 经营管理与决策等层次的管理和计算。网络通信部分负责各个功能站之间的数据 通信和联络。监控系统网络通常采用现场总线技术，并逐步实现开放互联，以避 免信息孤岛的出现。 1 3 论文的主要内容 智能防腐电源监控系统把传感技术、检测技术和计算机技术结合起来，建立 一个智能监控系统。本系统能实现自动监测防腐电源的工作状态，测量其各项参 数值，并采用计算机系统实时完成数据采集、通信和数据分析处理，该监控系统 主要包括硬件系统和软件系统。硬件系统包括各种传感器、信号变送系统、数据 采集系统，它通过将传感器测量到的各种参数转换成电压、电流等容易测量的电 量，再通过测量这些电量而得到防腐电源的电压、电流、温度等参数值【5 1 。软件 系统设计分为两大部分：上位机对下位机通信软件 设计和上位机对采集到数据的分析软件。整个系统的 设计框图如图i 2 所示。 整个系统按设计框图划分的各个组成部分，进行 模块化设计。采用模块化的设计思想，可以在保证系 统的性能稳定，功能完善的前提下，简化系统的设计 难度。 本论文主要描述智能防腐电源监控系统的实时数 据通信的设计，对采集到的数据进行分析的方法和软 件实现，以及多种视图显示采集到的数据这三方面 的内容。 监控系统软件 l 信号采集系统 l l 信号变送系统 l i传感器系统 图1 0 2 监控系统设计框图 数据通信的软件设计包括计算机串口同防腐电源智能监控结点问的通信，读 取端口的数据送到上位机上显示来实现实时监控，同时将数据存入上位机的数据 库系统中，使用开发的上位机数据分析软件对数据分析以实现对智能防腐电源的 监测。 本论文着重论述的上位机数据分析软件和用于采集监控节点数据通信软件 设计都基于监控节点的硬件系统，所以本论文包括防腐电源智能监控系统的整体 设计、监控节点硬件系统设计概述和系统软件设计。 4 武汉理工大学硕上学位论文 + 监控系统的整体设计：传感技术、检测技术和计算机技术结合起来对整 个监控系统的结构进行了整体设计。 s 智能监控节点设计：智能监控节点采集防腐电源模块的各项参数并传送 到监控中心。 系统软件设计： ( 1 ) 监控中心i p c ( 3 2 业计算机) 同智能监控节点间的通信程序设计，利用 c a n 总线通信适配卡的驱动程序库的a p i ( 应用程序接口) ，实现c a n 总线数 据的读取和发送。 ( 2 ) 监控软件对电源模块数据的表格显示、数据实时曲线显示、数据库设 计，数据分析及系统参数设置等。 ( 3 ) 以c + + 语言作为开发语言，利用v i s u a lc h 6 0 集成开发环境开发出 监控系统的实时数据和分析软件，结合m a t l a b 强大的数值分析、矩阵运算、 信号处理和图形显示功能及其强大的数据处理能力和丰富的工具箱使数据分析 工具更加强大全面。脱离m a t l a b 环境，实现v i s u a lc + + 6 0 和m a t l a b 联合 编程，实现集数据实时以及离线分析相结合，时域分析、傅立叶分析和小波分析 相结合的强大分析功能。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章智能防腐电源监控系统总体设计 2 1 智能防腐电源监控系统综述 智能防腐电源监控系统把检测技术、传感技术、现场总线技术和计算机技术 结合起来，建立一个智能化的电源实时监控系统。本系统的目的是通过智能监控 节点能够实现自动或手动监测防腐电源模块的实时参数，包括防腐电源的电压， 电流和温度，并能实时完成数据采集、通信和数据分析，然后根据现场数据分析 后的结果，由监控中心的软件或由操作人员选择适当的控制方案，通过监控节点 发出控制信号，再由监控节点根据监控中心的指令，采用开关量控控制和反馈电 压控制现场电源的工作。在现场防腐电源和整个系统的发生故障或处于紧急状态 时，监控节点要能及时做出处理动作并发出警报，向上位机发出报警信号，通知 操作员。操作员利用开发出的监控软件，能够及时针对现场的情况做出处理。 整个监控系统的监控对象是各个智能防腐电源模块，电源模块要求沿着埋 地管线，按一定的距离进行均匀分布，分布范围十分广泛。为了对这些电源实行 集中管理，我们采用计算机分布式控制系统的思想，设计了一个分成二个监控级 层次的控制系统。在绝大部分时间内，监控系统的各个从机并行工作，根据需要 与主机通信交换数据信息。这种层次结构使系统具有较高的可靠性，而且结构灵 活、响应速度快。 监控系统各层的组成和功能： 第一层是由单片机为主构成的智能监控节点，它属于设备级监控层，主要负 责对各个防腐电源模块参数的现场数据采集工作，并通过c a n 总线的方式传输 到主计算机，同时接受主计算机的控制信号，实现对防腐电源模块的控制。 第二层是主计算机，它通过c a n 总线通信适配卡，定时循环从各个智能监 控节点接收防腐电源的参数，然后利用运行在其上的数据分析软件分析采集到的 数据，根据分析的结果产生控制指令，通过智能监控节点控制各个智能防腐电源 模块的工作。监控中心还通过图表和曲线的方式将采集到的数据和分析的结果反 映到屏幕上，帮助操作员了解防腐电源模块的工作情况，选择恰当控制方案。 本监控系统的结构如图2 1 所示： 6 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 1 系统结构框图 2 2 防腐电源智能监控节点的设计 整个防腐电源监控系统采用层次式的网络结构，而智能监控节点处于设备监 控层，是整个系统的基础。智能监控节点选用单片机为核心，利用其i o 口，利 用外部功能芯片扩展单片机的功能，实现系统所要求的数据采集，信号调理，数 据通讯的功能。监控节点的硬件部分由两块电路板组成，一块为模拟板，主要完 成来自防腐电源的待测信号的滤波、放大、采样以及放大倍数的自动选择；一块 为数字板，主要完成采样信号的模数转换、计算( 消除噪声并还原信号) ，参数 设置和通讯。监控节点的总体框图如图2 2 所示： 控制命令 图2 2 监控节点总体框图 由于系统采集的信号为防腐电源模块输出的电压、电流、温度经转换后的电 信号，其间夹杂着干扰信号，所以前置处理电路主要包括差模放大部分和滤波部 分，作用是抑制被测信号中的共模信号和高频干扰。经过前置处理，被测信号中 基本上只剩下所需的真实信号部分，同时将电流信号转换成相应的电压信号。放 武汉理工大学硕士学位论文 大器选用低噪声、低漂移的精密仪表放大器，将被测信号进一步放大，使之进入 a d 转换正常工作范围。系统利用可编程放大器同单片机配合，能由单片机根据 电压分档电路的信号，控制可编程放大器的放大倍数，实现自动切换量程的功能。 放大器的输出信号经采样保持，a d 转换变换为数字信号，输送到单片机进行处 理。在调理电路和放大电路之间设置了一个多路开关，控制四路采样信号逐个选 通，这样只用一个放大电路和a d 电路完成四路信号的采集，在速度要求不是 很高的情况下，大大的降低了成本。单片机由程序控制，完成对数字信号的各种 处理运算，将处理结果存储在外部存储器等待上位机读取。单片机通过c a n 总 线与从计算机交换数据。系统还扩展了两个输出通道，用来输出控制信号到防腐 电源，控制防腐电源的工作。为了方便系统扩展，设置了控制开关，通过开关设 置命令，控制系统的工作方式，并增加了扩展槽，当有升级必要时，可以利用扩 展槽应用新的技术。 2 3c a n 总线的技术特点 2 3 1c a n 性能特点 c a n ( c o n t r o l l e r a r e an e t w o r k ) 即控制器局域网络，属于现场总线范畴，它 是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，最初是由德国b o s c h 公司为汽车监测、控制系统而设计的嘲。现代汽车越来越多地采用电子装置控制， 这些控制需检测和交换大量数据，采用c a n 总线技术可以有效的避免硬接信号 线的方式带来的烦琐、昂贵等难以解决的问题。由于c a n 总线本身的特点，其 应用范围目前己不再局限于汽车行业，而向过程工业、机械工业、纺织机械、 农用机械、机器人、数控机床、医疗器械、传感器及智能仪表等领域发展。c a n 己经形成国际标准，并己被公认为几种最有前途的现场总线之一。 c a n 属于总线式串行通信网络，由于其采用了许多新技术及独特的设计， 与一般的通信总线相比，c a n 总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵 活性【7 】。c a n 具有下列主要特性： 1 多主方式工作，通信方式灵活，且无需站地址等节点信息，方便组成 多机系统 2 各主站依据优先权进行总线访问，可满足不同的实时要求 3 无破坏性的基于优先权的仲裁，大大节省总线仲裁时间 4 借助接收滤波实现多地址帧传送 5 ，直接通信距离长，最远可达l o k m 武汉理工大学硕士学位论文 6 采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低 7 远程数据请求 8 配置灵活性，节点数主要取决于总线驱动电路 9 全系统数据相容性 1 0 错误检测和出错信令 发送期间若丢失仲裁或由于出错而遭破坏的帧可自动重发送 暂时错误和永久性故障节点的判断以及故障节点的自动脱离 c a n 中的总线数值为两种互补逻辑数值之一：”显性”或”隐性”。 “显性”( ”d a m i n a n t ”) 数值表示逻辑0 ，而“隐性”( ”r e c e s s i v e ”) 表示逻辑”1 ”。 如果“显性”和“隐性”位同时发送时，最后总线数值将为“显性”。在“隐性” 状态下，v c a n h 和v c a n l 被固定于平均电压电平，v d i f f 近似为0 。在总线 空闲或“隐性”位期间，发送“隐性”状态。“显性”状态以大于最小阀值的差 分电压表示。在“显性”状态改写“隐性”状态并发送，总线电位的数值表示如 图2 - 3 所示。 总线电平v 2 3 2c a n 节点的分层结构 c a n 总线遵从o s i 模型。按照o s i 基准模型，其结构划分为两层：数据链 路层和物理层。数据链路层划分为逻辑链路控制( l l c ) 和媒体访问控n ( m a c ) 。 物理层又划分为物理信令伊l s ) 、物理媒体附属装置( v m a ) 和媒体相关接口 ( m d i ) 。其结构功能如图2 4 所示。 逻辑链路控制层的l l c 子层提供的功能包括：帧接收滤波、超载通告和恢 复管理。媒体访问控制层( m a c ) 分为发送部分和接收部分，发送部分功能包 括发送数据封装和发送媒体访问管理。发送数据封装包括接收l l c 帧和接口控 制信息、c r c 循环计算和通过l l c 帧附加其它的控制位构造m a c 帧嗍。发送 媒体访问管理是指m a c 串行化、应答、校验、确认超载条件、错误检测、构造 9 武汉理工大学硕士学位论文 和发送超载及出错帧和输出串行位流至物理层等服务。接收部分的功能包括接收 图2 - 4c a n 分层结构 媒体访问管理和接收数据卸装。它们与发送部分功能是相对应的。m a c 功能模 型如图2 - 5 所示。 l l c 子层 上丁 发送数据封装接受数据封装 0十 发送媒体访问管理接受媒体访问管理 奉 j 对物理接口访问 l 发送数据解码 接受敬据解码 图2 - 5m a c 功能模型 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 物理层包括物理信令的实现与位表示、定时和同步相关的功能。物理媒体附 属装置实现总线发送接收的功能电路并可提供总线故障检测方法。媒体相关接 口实现物理媒体和物理媒体附属装置之间机械和电气接口。 2 3 2c a n 总线的帧结构 c a n 总线的报文传送由四种不同类型的帧传送和控制。数据帧携带数据由 发送器到接收器；远程帧由发送单元发送，以请求发送具有相同标识符的数据帧； 错误帧由检测出总线错误的任何单元发送；超载帧用于提供当前的和后续的数据 帧的附加延迟。 数据帧和远程帧通过帧间空间同其它帧区别开来。 数据帧由七个不同的位场构成，分别为帧起始、仲裁场、控制场、数据场 c r c ( 循环冗余校验) 场、a c k ( 响应) 场和帧结束。帧起始标志数据帧和远程帧的 起始。仲裁场来自l l c 层的标识符和r t r 远程发送请求) 位构成。控制场为两位 保留位加上d l c 场。m a c 数据场与l l c 数据场相同。c r c 场包括c r c 序列 和c r c 界定符。a c k 场包括a c k 时隙和a c k 界定符。 远程帧由帧起始、仲裁场、控制场、c r c 场、a c k 场和帧结束构成。其中， 仲裁场由l l c 层的标识符和r t r 位构成。r t r 位与数据帧的r t r 位不同。 出错帧由两个不同场构成，第一个场由来自不同节点的错误标志叠加给出， 第二个场为错误界定符。 超载帧包括两种：l l c 要求的超载帧和重激活超载帧。前者是l l c 层表明内 部超载状态的，后者由m a c 子层的一些出错条件而被启动发送。超载帧包括超 载标志和超载界定符。 帧间空间是为了让数据帧和远程帧与上述任何帧( 数据帧、远程帧、出错帧、 超载帧) 隔开。超载帧和出错帧前面不存在帧间空间。并且多个超载帧之间也不 用帧间空间分隔。帧间空间包括间歇场和总线空间场，并对某些节点还有暂停发 送场。 帧编码和发送接收 数据帧的帧起始、仲裁场、控制场、数据场和c r c 序列帧段均以位填充方 法进行编码。当发送器在发送位流中检测到5 个数值相同的连续位( 包括填充位) 时，它在实际发送位流中，自动插入一个补码位。数据帧或远程帧的其余场化r c 界定符、a c k 场和帧结束) 为固定形式，不进行位填充。 错误帧和超载帧也为固定格式，同样不使用位填充方法进行编码。 帧中的位流按照非归零方法( n r z - n o n r c t 呦_ t 0 z e r o ) 方法编码。这意味着在 武汉理工大学硕士学位论文 位总计时间内产生的位电平为常数。一帧应由其s o f ( 帧起始) 场丌始逐个位场进 行发送。在一场内应先发送最高位。 对于发送器和接收器帧的有效点是不同的。对于发送器，若在帧结束完成前 不存在错误，则该帧为有效。若一帧被破坏，则进行恢复处理。对于接收器，若 在帧结束最后一位前不存在错误、则该帧为有效。 媒体访问和仲裁 当检测到间歇场未被“显性”位中断后，认为总线被所有节点释放。总线一 旦释放，“错误一活动”节点可阻访问总线。一旦完成暂停的发送，并且期间没 有其它节点开始发送，发送当前帧或已发送完先前的“错误一认可”节点可以访 问总线。当允许节点访问总线时，m a c 数据帧和m a c 远程帧可以起始，m a c 错误帧和m a c 超载帧如上述规定被发送。发送期间，发送数据帧或远程帧的每 个节点均为总线主站。 当许多节点一起开始发送时，此时只有发送具有最高优先权的帧所在的节点 变为总线主站。这种解决总线访问冲突的机理是基于竞争的仲裁。仲裁期间，每 个发送器将发送位电平同总线上检测到的电平进行比较。若相等，则节点可以继 续发送。当送出一个“隐性”电平，而监测到的位“显性”电平时，表明节点丢 失仲裁，并且不应再发送更多的位。当送出“显性”电平，而监测到“隐性”电 平时，表明节点监测出位错误。 基于竞争的仲裁依靠标识符和紧随其后的r t r 位完成。具有不同标识符的 两帧中，优先权被标注于帧中，较高优先权的标识符具有较低的二迸制数值。若 具有相同标示符的数据帧和远程帧同时被初始化，数据帧比远程帧具有更高优先 权，它通过按照r t r 位数值标注达到。 当许多节点一起开始发送时，此时只有发送具有最高优先权的帧所在的节点 变为总线主站。这种解决总线访问冲突的机理是基于竞争的仲裁。仲裁期间，每 个发送器将发送位电平同总线上检测到的电平进行比较。若相等，则节点可以继 续发送。当送出一个“隐性”电平，而监测到的位“显性”电平时，表明节点丢 失仲裁，并且不应再发送更多的位。当送出“显性”电平，而监测到“隐性”电 平时，表明节点监测出位错误。 基于竞争的仲裁依靠标识符和紧随其后的r t r 位完成。具有不同标识符的 两帧中，优先权被标注于帧中，较高优先权的标识符具有较低的二进制数值。若 具有相同标示符的数据帧和远程帧同时被初始化，数据帧比远程帧具有更高优先 权，它通过按照r t r 位数值标注达到。 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 监控系统对软件的设计要求 智能监控节点分布在管道沿线，通过传感器将电源模块的各项参数采集到单 片机，经过变换成为标准信号后通过c a n 总线传送到监控中心。监控中心的i p c 通过c a n 总线通信适配卡接收传送来的总线数据，送到监控软件进行处理。智 能防腐电源监控软件运行在防腐电源监控中心的主计算机上，它是整个监控系统 的核心，处于监控系统的上层。监控软件是管理人员同现场设备交互的中介。监 控软件通过数据表格和曲线的形式，将采集到的现场数据直观的展现给管理人 员，帮助管理人员分析判断现场的情况。管理人员通过监控软件提供的各项控制 功能，参数设置对话框给下端设备进行组态，控制整个系统的正确安全运行。 监控软件要实现对各防腐电源设备的监测、控制功能【9 】。它要能实时监视防 腐电源的工作状态和各项运行参数、接收故障报警信号、并能通过监控节点下达 控制信号，保证智能防腐电源的正常工作。它还要具有数据的分析管理功能，报 警功能、操作权限管理功能等。具体要实现如下功能： ( 1 ) 现场数据采集功能： 能实时动态采集现场的下列信号：防腐电源的电压，电流和防腐电源模块内 部的温度。 ( 2 ) 数据的显示与分析： 能对监控参数进行数学分析； 参数实时和历史数据的曲线显示。 ( 3 ) 控制功能 能够通过监控节点实现对智能防腐电源的控制。 ( 4 ) 报警功能 出现问题或故障时能发出警报，并记录问题或故障信息。 ( 5 ) 存储功能 各种监控参数的动态存储； 各种监控参数的异常动态存储； ( 6 ) 查询功能 各种监控参数的历史数据； 各种监控参数的历史曲线； 异常状态查询。 ( 7 ) 安全功能 为了确保整个系统安全的工作，划分了不同的权限级别，并设定了密码保护， 以免越权操作。 武汉理工大学硕士学位论文 2 5 计算机监控软件的设计 因为计算机监控软件功能较多，所以它的设计与实现是论文论述的重点。我 们以v i s u a lc + + 6 0 和m a t l a b 作为开发平台，利用c 十+ 和m f c 类库，开发了这 个防腐电源智能监控软件。 为了实现上文所提出的防腐电源监控软件所要实现的各项功能，我们将整个 监控软件进行了面向对象的模块化设计。各个模块以实现监控的各项功能为主， 通过采集到的各项参数数据相互联系。这样可以降低软件的复杂程度，方便软件 的开发工作l lo j ，本软件主要由软件启动和退出、数据实时表格显示、数据实时曲 线显示、数据报警处理、历史数据查询、离线数据分析、数据库管理、系统配置 文件等模块组成。防腐电源智能监控系统的软件功能模块示意图如图2 - 6 所示。 软 数数 数历离 数 系 件 据据 统 启 实实 据史 线 据 动 时时报数 数 配 和 表曲 警据据 库 置 格线 退 显显 处查分 管 文 出 一 一 理询 析 理 件不 不 2善2 ，蚀 c a n 总线通信适配卡 总线 ： 善： 监控节点 监控节点监控节点 2 5 1 软件启动 图2 - 6 软件功能模块示意图 软件在启动运行时需要先检测监控节点的状态，若监控节点准备好则通讯成 功，并开始读取监控节点送到c a n 总线的数据。软件启动后先出现欢迎界面。 软件的欢迎界面。软件退出时，结束与监控节点通信，关闭端口并初始化，将通 信端口缓冲区清零。 软件启动后，会显示用户登录界面，提示用户输入用户名和密码，用户登录 界面如图2 - 7 所示，系统核对正确后就进入监控软件的主界面，监控软件的主界 武汉理工大学硕士学位论文 面如图2 - 8 所示。 2 5 2 数据实时显示 图2 7 用户登录界面 图2 - 8 监控软件的主界面 监控软件的主界面会显示系统采集到的实时数据。数据的显示采用列表和实 时曲线两种形式。列表框共分六列，显示不同的参数，每行分别对应一个电源监 武汉理工大学硕士学位论文 控节点的参数。每个表格的上方是采集的通道号，如图2 - 9 所示。 2 5 3 数据实时曲线显示 图2 - 9 监控数据的表格显示 监控软件采集到的数据还可通过实时曲线显示在主界面上。用户可以选择需 要观察的电源模块，软件就会将该模块的数据以曲线的方式显示在屏幕上。生成 的曲线即为采集数据的实时时域分析盐线。该曲线的横轴是时间轴，纵轴的幅值 根据用户选择观察的参数不同分别对应电压值，电流值，温度。实时曲线生成显 示如图2 1 0 所示。 图2 1 0 电压实时曲线显示 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 2 5 4 参数设置对话框 用户可以通过一系列参数设置对话框方便的配置监控系统的各项参数。这样 一系列对话框包括更改密码对话框，通信设置对话框，系统参数设置对话框等。 更改密码对话框提供了登陆用户更改密码的服务，拥有管理权限的管理员可以通 过这个对话框帮助丢失密码的操作员重新设置密码。用户可通过通信设置对话框 设置与数据通信相关的一系列参数，如通信的串口号，波特率，奇偶校验码，停 止位等等。系统参数设置对话框可以设置数据文件存储路径，数据保存时间间隔 等参数。串口设置对话框如图2 - l l 所示，密码修改对话框如图2 1 2 所示。 图2 一l l 串口设置对话框 用户的密码等安全信息通过一个加密类加密后，存放在系统注册剽1 1 1 中，以 保护系统的安全。用户设定的其它的信息以用户配置文件i n i 的文件格式保存在 软件的安装目录里。软件启动嘲的建程中，通过读取配置文件里的信息初始化相 应的系统参数，以保证系统按用户的设置工作。如果用户的设置有错误，系统会 采用保守的默认值初始化系统参数。 图2 一1 2 修改密码对话框 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 _ _ _ 一一 配置文件的内容为： 数据库存放路径 d a t a s a v e p a t h 】 b a u d r a t e = 3 0 0 d a t a b a s e n a m e = m o n i t o r ”：下位机通道信类型 r u n t y p e s a m l e t y p e = 2 ：c o m 口配置 f c o m p o r t n a m e = c o m l b a u d s = 9 6 0 0 s t a r t b i t = o d a t a b i t = g s t o p b i t = l ：文件管理时长 f i l e l o n g 】 f i l e l o n g = 7 2 5 5 实时数据分析 监控软件的实时数据分析是通过在v i s u a lc + + 6 0 的集成开发环境下使用 m a t l a b 的函数来实现的。利用m a l t a b 的数据库将m a t l a b 的程序编译为v i s u a l c + + 6 0 编译器所能识别的源代码嵌入v i s u a l c + + 6 0 的环境。运用m c c 将m a t l a b 的代码编译为v i s u a lc + + 6 。0 编译器能识别的代码，将m a t l a b 工具箱中的函数转 换成v i s u a lc + + 6 0 编译所能识别的源代码，即将m 文件转换成e p p 文件和它的 头文件( h 文件) 。转换之后，可将c p p 和，h 文件加到v c 的工程项目中和工程 项目一起编译即可。也可以用m c c 编译器编译为s t a n d - a l o n e 程序1 1 3 1 ，使其独立 运行。脱离m a t l a b 环境而使用m a t l a b 在信号处理的强大功能，完成数据的时域 分析、傅立叶分析及小波分析。 2 。5 6 离线数据分析 通过打开文件目录找到要分析的目标数据文件，脱离m a t l a b 环境而使用 m a a b 在信号处理的强大功能完成数据的时域分析、傅立叶分析及小波分析，生 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 成该文件的历史数据曲线。 2 5 7 数据库管理 监控软件需要采集和监视的实时数据比较多，为了便于对数据的存储，查询 和管理，我们利用数据库程序管理采集到的数据。数据库选用a c c e s s2 0 0 0 ， 数据库保存的路径可以通过设置对话框自行设定。由于采集的数据随监控软件的 运行而日益增大，为了让数据库不会因为数据量太大而影响查询的效率，可以设 置新建数据库的时间间隔，这样每隔一段规定的时间就建一个新数据库。数据库 的名称是年月日的形式。 2 5 8 历史数据查询 监控软件提供了历史数据查询的功能。用户通过菜单命令打开查询对话框， 然后在查询对话框内输入要查询数据的起始日期，监控软件就会在左边的列表框 内显示相应的历史数据，并且在右边的曲线显示区内会显示数据的历史曲线。 2 5 9 报警功能 监控软件包含报警处理模块。通过检测采集到的数据，并对其分析判断后确 定监控的各项参数是否正常，如果某项参数处于报警限时，就会在界面上显示报 警信息，通知操作人员，并会将该条报警信息存储在数据库的报警信息表内，便 于以后查询。系统正常和异常时，报警状态如图2 1 2 所示。 2 6 本章小结 图2 1 2 系统正常和异常时的报警状态 本章对防腐电源监控系统的整体结构做了全面的介绍。监控系统采用总线式 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 结构，通过智能监控节点采集现场数据，经过c a n 总线送到监控中心。随后介 绍了和监控系统相关的c a n 总线技术基础。运行在监控中心上的监控软件对现 场数据进行分析存储，并实现人机交互功能。监控软件采用以功能为核心，采用 模块化的方式设计，可以降低复杂软件的设计难度。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章防腐电源监控系统软件设计 3 1 软件开发方案的选择 根据上文所述智能防腐电源监控系统对实时数据通信与分析软件的功能要 求，提出了软件设计实现的以下三种可供选择的方案： ( 1 ) 使用v i s u a lc + + 6 0 或c + + b u i l