（控制科学与工程专业论文）基于can总线的臭氧发生器远程监控系统的研究与设计.pdf

基于c a n 总线的臭钮发乍器远程临控系统的研究j 设计 摘要 由于臭氧在杀菌消毒方面的广泛应用，使得臭氧发生器行业得到了巨大的发 展，但单台的臭氧发生器的产量仍然很低，所以自来水厂、污水厂一般为多台同 时使用，但是至今为止，还没有成熟的多台臭氧发生器的远程监控网络系统，本 论文就是在这样的背景下，研究使用c a n 总线实现多台臭氧发生器的远程监控。 现在用的大型臭氧发生器本身为一个复杂的系统，且在运行过程中，具有多 个模拟量和开关量参数，不具备挂入总线的能力。为了实现该监控系统，必须完 成以下三个任务：臭氧发生器组入c a n 网络的物理条件、实现c a n 通信的协议 条件和上位机监控的软件条件。本论文也主要围绕这三方面展开。 首先，根据臭氧发生器的特点，利用a r m 7 处理器l p c 2 1 2 9 设计了含有c a n 控制器和收发器的智能节点，该智能节点的主要功能为：数据采集、l c d 显示、 报警、与c a n 网络通讯、控制发生器的运行状态等。利用该智能节点，把数据 发送至c a n 网络的同时，管理人员也可在现场查看发生器的实时运行参数信息。 其次，根据c a n 2 0 b 规范，设计合适的c a n 通信协议。根据传输内容不同， 对标识符进行分配；在智能节点中对臭氧发生器的不同参数进行组合发送；主机 用数据帧的不同的数据表达不同的命令要求；同时对l p c 2 1 2 9 的接收滤波器进行 设置，使其只接收广播帧和固定的某些报文。 最后，用m c g s 组态软件设计了主机的监控软件，这里主要介绍了监控软件 中的数据处理部分，包括了对接收的数据进行类型转换以及目标数据库的转存。 从小容量的数据库转入大容量的数据库s q ls e r v e r2 0 0 0 ，并对目标数据库进行优 化和维护，更能保障整个监控软件的后台数据库的正常运行。 以上三个方面相互结合，才构成完备的臭氧发生器的远程监控系统。 关键词：智能节点：臭氧发生器，ic a n 总线；数据处理；s q ls e r v e r2 0 0 0 1 1 硕 二学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ew i d e l ya p p li c a t i o no ft h eo z o n ei nt h es t e r i l i z a t i o n ，t h eo z o n i z e r i n d u s t r yh a sal a r g ed e v e l o p m e n t b u tt h eo u t p u to fs i n g l eo z o n i z e ri sl o w , s ot h e w a t e r w o r k sa n dt h es e w a g ef a r m sa l w a y su s es e v e r a lo z o n i z e r sa tt h es a m et i m e t h e r ei sn oc a s eo ft h es u c c e s s f u l lc o n t r o ls y s t e mo ft h eo z o n i z e r su n t i ln o w i nt h i s b a c k g r o u n d ，t h ea r t i c l er e s e a r c h st h ec o n t r o ls y s t e mb yu s i n gt h ec a nb u s t h eo z o n i z e ri sac o m p l e xs y s t e mb yi t s e l fw h i c hh a sm a n ya n a l o ga n dd i g i t a l p a r a m e t e r sw h e nr u n n i n g a n di td o e sn o th a v et h ec a p a c i t yt oh a n gu pt h ec a nb u s s ow eh a v et om e e tt h r e ec o n d i t i o n si fw ew a n tt or e a l i z et h es y s t e m t h e ya r et h e p h y s i c sc o n d i t i o nt o l e tt h eo z o n i z e rc o n n e c tw i t ht h ec a nb u s 、t h ep r o t o c o l c o n d i t i o nt or e a l i z et h ec a nb u sc o m m u n i c a t i o na n dt h es o f t w a r ec o n d i t i o n t h i st e x t e x p a n d ss u r r o u n d i n gt h et h r e ec o n d i t i o n s f i r s t l y , id e s i g nt h es m a r tn o d eu s i n gt h el p c 212 9o fa r m 7f o rt h eo z o n i z e r c o n n e c t i n gw i t ht h ec a nb u s t h i ss m a r tn o d ei n c l u d e st h ec a nc o n t r o l l e ra n dt h e t r a n s c e i v e r t h em a i na b i l i t yo ft h en o d ei sd a t ac o l l e c t i o n 、l c dd i s p l a y 、s o u n d a l a r m i n g 、c o n n e c t i n gw i t ht h ec a nb u s 、c o n t r o l l i n gt h es t a t eo ft h eo z o n i z e r u s i n g t h en o d e ，t h eu s e rc a nw a t c ht h er u n n i n gi n f o r m a t i o ni nt h ef i e l da sw h i l ea st h ed a t a w a ss e n tt ot h em a i nn o d e s e c o n d l y , d e s i g nt h ep r o t o c o lo ft h ec a nc o m m u n i c a t i o na c c o r d i n gt ot h e s t a n d a r d so fc a n 2 0 b d e f i n et h ei da c c o r d i n gt ot h es e n d e r ；s e n dt h ec o m b i n a t i o n o ft h ed i f f e r e n tp a r a m e t e ri nt h es m a r tn o d ；u s et h ed i f f e r e n td a t at od e l i v e rt h e d i f f e r e n to r d e ri nt h eh o s tc o m p u t e r a tt h es a m et i m e ，s e tt h ea c c e p t a n c ef i l t e ro ft h e l p c 212 9 t h e ni tc a no n l yr e c e i v et h eb r o a d c a s tf r a m e sa n dt h es p e c i a lf r a m e s i nt h ee n d ，d e s i g nt h ec o n t r o ls o f t w a r eo ft h eh o s tc o m p u t e ru s i n gt h em cg s t h e r eim o s t l yi n t r o d u c et h ep a r to ft h ed a t ap r o c e s s i n g t h ep a r ti n c l u d e st h ed a t a t r a n s f o r ma n dt h ec h a n g i n go ft h ea i md a t a b a s e c h a n g et h ed a t a b a s ef r o mt h el i t t l e c a p a c i t yt ot h eb i go n es q ls e r v e r2 0 0 0 、o p t i m i z ea n dm a i n t a i nt h ea i md a t a b a s e t h e d a t a b a s ec a nr u nw e lla n d l o n g e rf r o mt h isw a y t os u mu p ，w ec a nf o r mac o m p l e t er e m o t em o n i t o ra n dc o n t r o ls y s t e mo ft h e o z o n i z e rw i t ht h em e n t io n e da b o v e k e yw o r d s ：s m a r tn o d e ；o z o n i z e r ；c a nb u s ；d a t ah a n d l i n g ；s q ls e r v e r2 0 0 0 i i ! 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名：苍乔确e l 期：刃，7 年士月斗e t ， 。 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ) 作者签名：苍眷魂 日期： 湖歹年f 月砷日 导师签名：壶易泼日期：山 7 年f 月上鸶日 硕1 ：学位论文 第1 章绪论 臭氧是世界公认的广谱、高效杀菌剂，具有极强的氧化性能，被广泛应用在 自来水厂、污水处理厂、工业氧化等领域。臭氧极易分解为氧气，无法存储和运 输，只能在使用现场实时产生。臭氧的工业化生产方法主要有紫外照射法、电解 法、放射化学法和介质阻挡放电法。介质阻挡放电法( d i e l e c t r i cb a r r i e r d i s c h a r g e 简记d b d ) 是目前世界上工业化生产臭氧的主要方法，相应设备称 为臭氧发生器，按产量大小可分为：大型臭氧发生器、中型臭氧发生器和小型臭 氧发生器。 按水质处理要求，采用江河水作水源的自来水处理中，臭氧的投加量一般不 低于3 9 h t ，生活污水处理中臭氧的投加量一般不低于5 9 h t 。国内现有中型自来 水厂和污水处理厂的水处理能力不低于1 0 0 0 0 t h ，需要臭氧的总投加量分别超过 3 0 k g h 和5 0 k g h 。然而，国内现有大型臭氧发生器的单机产量最高仅为2 0 k g h ， 因此，中型自来水厂或污水处理厂都需要多台臭氧发生器同时运行。 为了实现对设备的有效管理，确保水质，研究与实现臭氧发生设备的远程网 络监控具有非常重要的意义和实用价值。 1 1 臭氧发生器 1 1 1 臭氧发生器的组成 现代大型臭氧发生器事实上是一个复杂的系统，图1 1 所示为臭氧发生系统 的组成，按功能可划分为：供电电源、发生器、气源子系统、冷却子系统、气水 混合、自动检测、自动控制和安防等八个部分。 电源系统和发生器是系统的核心与关键。发生器由多个放电单元构成，在交 变高电场强度的作用下使放电单元的高低压电极间形成放电，电离电极间的氧分 子产生臭氧。对于电源来说，发生器是一个非线性的容性负载，供电电源采用现 代电力电子技术，对电网电压经过整流、逆变等变换后，形成5 0 0 一1 0 0 0 0 h z 、 2 0 0 0 - 1 0 0 0 0 v 的单相交流电压施加在高低压电极上，形成放电的交变强电场。 气源系统是大功率介质阻挡放电产生臭氧、系统稳定运行的必备条件与基础， 要求气源干净、有一定的露点、稳定的压力和流量、尽可能高的含氧浓度。气源 子系统的基本构成有：空压机、冷干机、水气分离器、粉尘分离器、p s a 干燥吸 附塔、储气罐。 介质阻挡放电过程中，放电能量的7 5 左右会变成热能和光能，使放电单元 温度升高，臭氧是极易分解的不稳定性物质，随着温度升高分解速度越快。为了 幕于c a n 总线的臭钒发生器远程! 临挡系统的研究j 设计 获得高浓度、高产量的臭氧，提高放电效率，降低电耗，必须对发生器进行冷却。 冷却装置应能及时带走放电产生的热能，维持发生器内温度低于3 0 0 c ，实现低温 等离子体放电。大型臭氧发生设备的冷却主要是水冷，由水冷却系统实现。 气水混合技术与装置实现臭氧气体与被处理水的良好混合，提高臭氧的水溶 率和水气接触面积，达到臭氧的高效利用。 自动检测系统的功能分为三大类：在线检测臭氧浓度、产量、处理水的相应 指标，进一步实现系统的闭环调节，满足水处理臭氧含量精确控制( a c c u r a t e c o n t r o lo fe x a c to z o n el e v e l s ) 的需要；检测环境中臭氧浓度，控制由尾气净化 与通风装置构成的安防系统，确保人身和设备安全；检测电源的运行参数、气源 的运行参数和冷却系统的运行参数。 自动控制常采用微机或p l c 控制系统，完成整个系统的动作控制、参数设置、 数据采集、故障诊断、报警保护等处理与显示，保证系统的安全稳定运行。 通信接口 图1 1 臭氧发生器构成示意图 1 1 2 臭氧发生器的监控参数 大型臭氧发生器的监控参数种类多，主要监控参数有：电参数、气参数、冷 却水参数、臭氧参数、水质参数、运行状态，可分为开关量和模拟量两种凹。 开关量主要有设备启动停止、故障等信号，一台设备的开关量信号多达1 0 个。 模拟量大致可分为电量类、气量类、压力类及温度类，多达2 5 个。 电量类包括变压器原副边电压电流、整流桥输出电压电流、功率、功耗和谐 振频率等。 气量类包括进气流量、氧气浓度、露点和臭氧浓度等。 压力类包括储气罐压力、冷干机压力和进气压力等。 硕 ：学位论文 温度类包括进气温度、出气温度、冷却水温度和变压器温度等。 现有大型臭氧发生设备的控制系统一般只是完成系统的正常运行控制，参数 的采集、处理功能仅仅满足系统稳定运行的要求，不具备通讯功能，无法满足远 程网络监控的要求。因此，必须研究与开发智能节点，完成监控参数的采集、处 理和通讯传输。 1 2c a n 总线介绍 1 2 1 现场总线概述 现场总线是应用在生产最底层的一种总线型拓扑网络，是用做现场控制系统 的、直接与所有受控( 设备) 节点串行相连的通信网络。工业自动化控制的现场 范围可以从单台设备到一个车间、一个工厂。受控设备和网络所处的环境可能很 特殊，对信号的干扰往往是多方面的，而要求控制必须是实时性很强。这就决定 了现场总线有别于一般网络 。 现场总线把通信一直延伸到生产现场或生产设备，用于过程自动化和制造自 动化的现场设备以及现场仪表互联的现场通信网络。现场设备或现场仪表是指变 送器、执行器、服务器和网桥、辅助设备、监控设备等，这些设备通过一对传输 线互联。传输线可使用双绞线、同轴电缆、光纤和电源线等。 现场总线为开放式互联网络，既可与同层网络互联，也可与不同层网络互联。 开放式互联网络还体现在网络数据库共享，通过网络对现场设备和功能块统一组 态，使不同厂商的网络及设备融为一体，构成统一的f c s 。 1 2 2 常用总线比较 2 0 世纪8 0 年代，现场总线技术才开始形成和发展，这是与微型计算机，特 别是嵌入式系统的高速发展分不开的。在十几年时间中，已经有好几种现场总线 技术走向成熟并且得到逐步的推广应用，其中常见的有基金会现场总线f f 、 l o n w o r k s 、p r o f i b u s 、h a r t 及c a n 总线h 1 。 基金会现场总线( f f ，f o u n d a t i o nf i e l d b u s ) 是在过程自动化领域得到了广泛支 持和具有良好发展前景的技术。它以i s o o s i 开放系统互联模型为基础，取其物 理层、应用层为f f 通信模型的相应层次，并在应用层上增加了用户层。用户层 主要针对自动化测控应用的需要，定义了信息存取的统一规则，采用设备描述语 言规定了通用的功能块集。基金会现场总线的主要技术内容包括f f 通信协议， 用于完成开放互联模型中的第2 - - 7 层通信协议的通信栈，用于描述设备特征、参 数、属性及操作接口的d d l 设备描述语言，设备描述字典，控制工程量转化等 应用的功能块，实现系统组态、调度、管理等功能的系统软件技术以及构筑集成 自动化系统、网络系统的系统集成技术随1 。 3 基于c a n 总线的臭瓴发生器远程：| 【控系统的研究o j 设计 f f 总线适用于石油、化工、钢铁、电站连续生产过程和部分批量生产，其相 应的f c s 产品适合连续的生产过程自动化。 l o n w o r k s 的通信协议l o n t a l k 支持i s o o s i 的全部7 层模型，这是l o n 总 线最杰出的特点。l o n t a l k 协议通过神经元芯片( n e u r o nc h i p ) 上的硬件和固件实 现，提供介质存取、事物确认和对等通信服务；还有一些先进服务如接收认证、 优先级传输、单一广播组播消息发送等。另外，它采用面向对象的设计方法， 通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，其通信速率从3 0 0 b p s 至1 5 m b p s 不等，直接通信距离可达2 7 0 0 m ( 7 8 k b p s ，双绞线) 哺1 。 高可靠性、安全性、易于实现和互操作性使得l o n w o r k s 产品应用非常广泛， 如灌溉管理、电路板诊断、分散和过程控制、电梯控制、能源管理、环境监视、 污水处理、火灾报警、采暖通风和家庭网络自动化等。 p r o f i b u s 目前有3 种系列。p r o f i b u s d p 应用于现场级，是一种高速低成本通 信，适用于设备级控制系统与分散式i o 的实时通信；p r o f i b u s f m s 用于车间级 监控网络，是一个令牌结构、实时多主网络；p r o f i b u s p a 专为过程自动化设计， 它采用了i e c l l 5 8 2 传输技术，可实现总线供电和本质安全防爆。p r o f i b u s 总线 访问协议是一种混合的协议，包括主站之间的令牌传递方式( t o k e nr i n g ) 和主站与 从站之间的主从方式。主站在一个限定的时间框内( 令牌占有时间) 有总线访问 权。 一 p r o f i b u s 应用于制造业、流程工业、交通、冶金、楼宇自动化等领域。 h a r t 是h i g h w a ya d d r e s s a b l er e m o t et r a n s d u c e r 的缩写，被称为可寻址远程 传感器高速通道的开放通信协议，其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信 号通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中的过渡性产品，然而在当前的过渡 时期具有较强的市场竞争能力，得到了较快发展。它规定了一系列命令，按命令 方式工作。h a r t 采用统一的设备描述语言d d l 。现场设备开发商采用这种标准 语言来描述设备特性，由h a r t 基金会负责登记管理这些设备描述并把它们编为 设备描述字典，主设备运用d d l 技术来理解这些设备的特性参数，不必为这些 设备开发专用接口。但这种模拟数字混合信号制导致难以开发出一种能满足各公 司要求的通信接口芯片。h a r t 能利用总线供电，可满足本质安全防爆要求，并 可组成由手持编程器与管理系统主机作为主设备的双主设备系统。 c a n 是控制器局域网络( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 的简称，起初是专门为汽车 工业设计的，目的是为了节省接线的工作量，后来由于自身的特点被广泛地应用 于工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面。c a n 总线可实现点对点、一 点对多点及广播方式传输数据，无需调度。c a n 的信号传输采用短帧结构，每帧 有效字节为8 个，传输距离短，受干扰的概率低。当节点严重错误时，具有自动 关闭功能，切断该节点与总线的联系，使总线上的其它节点及通信不受影响。可 硕 ：学位论文 见，c a n 是所有总线中最可靠的随1 。 从以上的比较可以看出，每一种现场总线都有其主要的应用领域，如： p r o f i b u s 、f f 总线是从支持p l c 控制发展起来的，它们更适合化工、钢铁、电站 等连续生产过程和部分批量生产的过程控制领域，l o n w o r k s 总线则更适合在智 能建筑控制方面1 。 臭氧发生器远程网络监控系统中的发生器数量并不固定，要求选用的总线必 须具有组网灵活，节点添减容易的特点：又因为该系统一般用在自来水厂、污水 厂的处理中，周围存在大量的干扰源，所以要求总线必须具有强的可靠性。因此， 选用c a n 总线实现臭氧发生器远程网络监控系统是合适的。 1 2 3c a n 总线简介 c a n 现场总线最初是由德国b o s c h 公司( 博世公司) 在8 0 年代初为解决现 代汽车中众多的控制器与设备之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议。 由于c a n 现场总线有卓越的特性和极高的可靠性，特别适合工业过程监控设备 的互连，因此越来越受到工业界的重视，并被公认为几种最有前途的现场总线之 一，成为一种国际标准o s o l1 8 9 8 ) 。 c a n 总线具有以下几个主要特点： ( 1 ) 采用多主工作方式，节点之间不分主从，依据优先级进行总线访问，通 信方式灵活。 ( 2 ) 采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时，按优 先级发送。 ( 3 ) 借助接收滤波的多地址帧传送。 ( 4 ) 远程数据请求。c a n 的直线通信距离最远可达1 0 k m ( 速率5 k b p s 以下) ， 通信速率最高可达1 m b p s ( 此时通信距离最长为4 0 m ) 。 ( 5 ) 全系统数据兼容，系统灵活，不关闭总线即可任意挂接或拆除节点。 ( 6 ) 通信介质可采用双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。现场布线和安装 简单，易于维护，经济性好。 ( 7 ) 严格的错误检测和界定。c a n 节点在错误严重的情况下具有自动关闭 输出的功能，保证总线上其它节点的操作不受影响。 ( 8 ) c a n 总线上的节点数主要取决于总线驱动电路，在c a n 2 0 b 标准中， 其报文标识符几乎不受限制。 ( 9 ) c a n 的每帧信息都有c r c ( c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k ) 校验及其检错措 施，保证了数据出错率极低。 ( 1 0 ) 采用短帧结构，传输时问短，受干扰概率低，具有极好的检错效果。 c a n 协议也是建立在国际标准组织的开放系统互连模型基础上的，其模型结 堆于c a n 总线的舆氍艇远程n 控系统咒。m ” 构只有3 层：物理层、数掘链路层和应用层。应用层数据直接取自数据链路层或 直接写入数姑链路层，结构层次少有利于系统中宴时控制信号的传送。 1 2 4 现场设备挂入c a n 总线的必要条件 根据上述对c a n 总线的介绍可知，现场设备要组入c a n 网络中，必须具备 以下两个条件： ( 1 ) 有执行c a n 协议的控制器。 ( 2 ) 具备与物理总线的接口即古有c a n 收发器。 根据上面两个条件，本文设计了台c a n 控制嚣及收发器的智能节点，陵智 能节点在实现组入c a n 网络功能的同时，可通过l c d 显示发生器的运行状态， 实现报警、控制等功能。 1 3 臭氧发生器远程监控系统总体介绍 臭氧发生器远程监控系统的 q 络结构如图l2 所示，i l 一台主机作为主节点， 多个智能节点作为从节点，图叶1 只以五台臭氧发! 器为例。 该系统可以实现在控制室内查看各发生器的运行状态及运行参数、拄制臭氧 发生器的启动和停l e 。系统中臭氧发生器的台数并不固定最多为1 5 台，c a n 协议具有的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进 行编码，这一点使我们町咀根据需求，很方便的添减节点，实现系统的优化和扩 展。 用组态软件m c g s 设计主机的盟控软件，实现实时显示每台臭锶发生嚣的运 行参数和运行状态、查询历史记录、控制发生器的启停等功能。 ，。 j ! = u 5 u t “ 图l2 基千c a n 总线的监控系统网络结构图 总之术系统可实现以下功能： 菌匕一 硕l ：学位论文 运行。 ( 1 ) 实现控制室内对分散的多台臭氧发生器的监控。 ( 2 ) 实现在现场实时显示臭氧发生器的运行参数及报警等功能。 ( 3 ) 实现对后续数据的转存处理，避免因数据量过大而影响监控软件的正常 ( 4 ) 达到提高效率、节约人力资源的目的。 1 4 研究内容和论文创新点 1 4 1 研究内容 本文的研究内容主要包括以下几点： 1 臭氧发生器智能节点的软硬件设计 智能节点是该设计中重要的一步，由于臭氧发生器本身没有提供c a n 接口， 在不改变原有结构的情况下，根据发生器自身的特点，设计了既可以连接c a n 总线，又可以在现场实时显示发生器的运行状态及运行参数的智能节点。 在硬件设计上，该智能节点可采集3 2 路的模拟量输入和8 路的开关量输入， 采用l c d 模块和触摸屏分别实现显示和输入功能，并设置报警功能，可通过u s b 或是r s 2 3 2 接口和计算机相连。 在软件设计上，采用了采集、处理、 入及有触摸产生时，采用中断处理方式。 和接收程序。 2 智能节点程序实现及仿真 显示、传输的四步流程。当有开关量输 在c a n 模块中，包括了初始化、发送 通过a r m 开发工具r e a l v i e wm d k 实现了整个程序的编写，并进行了部分 功能调试。在无硬件的环境下，为了更直观的显示整个智能节点的工作流程，采 用p r o t e u s 软件进行l c d 等部分的仿真。 3 通信协议的设定 在介绍c a n 技术规范的基础上，分别介绍了该系统中标识符的定义和验收 滤波器的设置及各种帧的数据内容。标识符的定义分为模拟帧、开关帧和命令帧 三种类型，分别给不同的命令以不同的数据域，使从节点能够迅速的正确辨别， 并采取相应的动作。 4 主机监控软件的数据处理 m c g s 是一种可以快速构造和生成上位机监控系统的组态软件，系统主机的 监控软件便采用该组态软件设计。主要介绍了软件的数据处理部分，包括接收智 能节点的数据，对数据进行类型转换并最终把采集的数据用s q ls e r v e r2 0 0 0 数 据库进行存储和管理。 皋于c a n 总线的臭勺发生器远程精控系统的研究o j 设汁 1 4 2 论文创新点 本文的创新点主要有以下几点： ( 1 ) 首次通过c a n 总线对多台臭氧发生器进行组网监控。主机监控软件采 用m c g s 设计，监控软件和c a n 接口卡之间通过o p c 服务器实现连接。 ( 2 ) 针对c a n 总线，设计了臭氧发生器独特的智能节点，实现发生器挂入 c a n 总线的同时，更进一步拓展臭氧发生器的人机交互功能。 ( 3 ) 建立r e a l v i e wm d k 和p r o t e u s 联合仿真的a r m 试验环境，使程序的 运行效果更直观迅速的显示出来。 ( 4 ) 把m c g s 的数据存储由原来的小容量a c c e s s 转为大容量的s q l s e r v e r2 0 0 0 ，并通过索引等的设置来提高数据的读取速度，通过建立自动维护计 划最大限度保证数据库的正常运行。 硕十学位论文 第2 章智能节点的硬件及软件流程图设计 为了把臭氧发生器组入基于c a n 总线的远程监测系统，根据臭氧发生器的 特点设计了专门的智能节点。智能节点完成的功能主要包括： ( 1 ) 实现与c a n 总线的连接，上传臭氧发生器的运行参数及运行状态，接 收并执行主机命令。 ( 2 ) 对臭氧发生器进行运行参数和工作状态的采集、处理和显示。 ( 3 ) 当臭氧发生器出现运行异常时，进行故障报警。 ( 4 ) 间接控制臭氧发生器系统的运行状态。 2 1 总体设计 图2 1 为智能节点的组成框图。智能节点以嵌入式处理器l p c 2 1 2 9 为控制器， 扩展了3 2 路模拟量采集模块、8 路开关量输入模块、l c d 显示及触摸屏模块、 c a n 总线通讯模块、上位机接口、4 路开关量输出及报警模块等。智能节点通过 c a n 总线通讯模块接入远程监测系统。硬件电路图可参考附录c 。 有触主 动作 l c d 及触 摸屏 臭氧发生器运 行状态输入 8 路开关量输入卜_ 刊相与 断 o 互 臣圊 中断l g m i e 叵 1 厂瓦丽百 副簸 通道i下 塑广 鼯稠 h i 量输出i 覆i c a n 总蕴卜代砜瑗器i l 与u s b 转换接口卜一上位机 2 2 硬件设计 2 2 1 处理器l p c 2 1 2 9 图2 1 智能节点组成框图 1 l p c 2 1 2 9 介绍 l p c 2 1 2 9 是一个支持实时仿真和跟踪的1 6 3 2 位a r m 7 t d m i sc p u 微控制 器，带有2 5 6 k 字节嵌入的高速f l a s h 存储器和l6 k 字节静态r a m 。片内1 2 8 位 宽度的存储器接口和独特的加速结构使3 2 位代码能够在最大时钟速率( 6 0 m h z ) 綦于c a n 总线的臭瓴发生器远程舱控系统的研究j 设计 下运行。对代码规模有严格控制的应用，使用1 6 位t h u m b 模式可将代码规模降 低3 0 ，而性能损失很小。 l p c 2 12 9 采用6 4 脚封装，内带多个3 2 位定时器、4 路1 0 位a d c 、2 路c a n 控制器、9 个外部中断，采用双电源工作：c p u 操作电压范围为1 6 5 1 9 5 v ；i o 口操作电压范围为3 0 3 6 v 。特别适用于工业控制、医疗系统、访问控制和p o s 机。 2 l p c 2 1 2 9 的引脚使用 智能节点中，选用1 2 m h z 的外部晶振。 l p c 2 1 2 9 含有丰富的i o 口，其可用的g p i o 口最多可达4 6 个。所含串口除 c a n 接口外，还有2 个s p i 接口、2 个u a r t 接口等n 们。 本设计中所用的引脚功能包括四类：g p i o 、c a n 接口、s p i 口和外部中断口。 g p i o 口用作连接l c d 的控制和数据引脚、模拟量采集模块的控制和通道选择引 脚、开关量输入输出引脚和报警输出引脚( 使用p w m 功能) ；通过s p i 串口控 制模数转换器a d s 8 3 4 1 的启动、转换并读取采样数据；通过l p c 2 1 2 9 内部所含 c a n 控制器1 实现与c a n 收发器的连接；两个外部中断口分别用于触摸中断和 外部故障输入中断。 2 2 2 模拟量采集模块 模拟量采集模块电路如图2 2 所示，具有3 2 路输入通道，既可满足系统需求， 又为系统扩展提供了适量的预留。为了提高采集精度，使用了外部a d 转换芯片 a d $ 8 3 4 1 。 1 采集模块的构成 采集模块由4 块8 选1 通道选择开关a d 7 5 0 1 、1 片采样保持器a d 5 8 5 、1 6 位a d 转换器a d s 8 3 4 1 和通道选择开关的片选电路构成u 。片选电路由二四译 码器7 4 l s l3 9 和反相驱动器7 4 a l s 0 5 组成。处理器通过a 0 、a l 、a 2 三个引脚 控制通道选择开关a d 7 5 0 1 的通道选择，通过引脚a d 5 8 5c o n t r o l 控制采样保持 器a d 5 8 5 的采样保持。a d s 8 3 4 1 与处理器之间的握手通讯通过s p i 串行线完成。 2 a d $ 8 3 4 l 介绍 模数转换器a d s 8 3 4 1 内部结构如图2 3 所示，它是一种逐次逼近式的1 6 位 a d 转换器件，具有4 个模拟量输入通道，可以通过从d i n 引脚输入的8 位控制 字选择a d s 8 3 4 1 的工作模式和模拟量的输入方式，有4 路单通道输入或2 路差分 输入两种模拟量输入方式，转换速率高达1 0 0 k h z ，具有8 6 d b 的信噪比，带有串 行外围接口s p i 。 a d s 8 3 4 1 有两种工作模式：内部时钟模式和外部时钟模式。根据控制字的设 置，外部时钟模式有2 4 时钟周期和3 2 时钟周期完成一次转换的两种工作方式， 图2 4 所示为a d s 8 3 4 1 完成一次a d 转换的3 2 时钟周期时序。片选信号c s 有 效后，3 2 个时钟周期分为4 段，第l 段的八个时钟周期用于从d i n 输入8 位控 制字，控制字包括起始位s 、通道选择编码位a 2 a i a o 、输入模式选择位 和电源模式选择位p d l 、p d 0 ；控制字输入后，a d s 8 3 4 1 完成转换并使 s g l d e f b u s y 引 脚置为高电平需要1 个周期：然后，按照先高位后低位的顺序，用1 6 个时钟周期 将1 6 位的转换结果输出到d o u t ，共用了2 5 个时钟周期，最后的7 个时钟周期 无用。 c h o 鼬 c h 3 c o m v a e r 芎 图2 2 模拟量采集模块电路图 图2 3a d s 8 3 4 1 内部结构图 慕于c a n 总线的臭氧发生器远程舱挖系统的研究i 设计 同几门n 几r 几同同几几n 几几门同闭几n 几几几几同同r 几n 几几n 同 匝五回圆 厂 匠囹圈围卫面口丑口刀口丑口 图2 4a d s 8 3 4 1 外部时钟模式下的转换时序图 关于a d s 8 3 4 1 的更详细的转换工作流程参考2 3 1 节中介绍。 3 对输入信号的要求 智能节点是一台通用数据信息采集处理设备，为3 2 路单端输入，要求输入范 围为0 5 v 的电压信号，且输入的电压信号和实际的测量信号为线性关系。由于 在l c d 设计中，只用1 0 位来显示采集的变量，所以可测量的模拟量范围为： 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 。在模拟量的采集中，一个很重要的指标是采集频率的确定， 在2 3 1 节中估算出了模拟量的采集周期，实际使用中可根据信号进行调整，实 际的输入信号周期至少大于该采样周期2 倍才可。 4 采样工作原理 表2 1 通道的地址编码表 由图2 2 可以看出，l p c 2 1 2 9 通过a dc o n l 和a dc o n 2 控制四片a d 7 5 0 1 的片选信号，通过a 0 、a 1 、a 2 控制a d 7 5 0 1 的通道选择n 羽，这五个引脚决定了 a d s 8 3 4 1 的采样通道。具体每个通道的地址编码如表2 1 所示。 为了滤除随机干扰，对每个通道连续采样l o 次，求算术平均值作为本次该通 道采样值，然后进入下一个通道的采样过程。可见，a d s 8 3 4 1 完成3 2 个通道采 样过程总共需采样3 2 0 次，a d s 8 3 4 l 的转换过程可见2 3 1 节内容。以通道7 和 0 1 0 l 0 l 0 l 0 o 1 l o o l l o 0 o o l l 1 l 4 5 6 7 8 9 o l 2 2 2 2 2 2 3 3 x x x x x x x x 6 7 8 9 0 1 2 3 1 1 1 l 2 2 2 2 x x x x x x x x 0 1 2 3 4 5 8 9 l 1 l l 1 l x x x x x x x x o 2 3 4 5 6 7 x x x x x x x x 通 道 硕士学位论文 通道8 的采样过程为例，采样过程逻辑电平如图2 5 所示。为了保证每次采样的 正确性，每次采样之间分配5 斗s 的a d 5 8 5 的采样时间。 t o _ c o n l a d 舵 厂一 2 厂 a 1 厂j i d 【_ j 1一 a o 厂 a d 5 8 5 _ c a n t r d $ 8 3 4 1，o l ! l 础； _ 1 ur - p 通道7 采样 图2 5 采样过程管脚逻辑图 2 2 3 故障开关量输入模块 臭氧发生器一般存在许多故障开关信号和运行状态开关信号。这些开关量是 被检测的重要内容，需要传送到主机进行统计、分析，用于臭氧发生设备的远程 调度。这些信息由开关量输入电路获得。由于故障信息和运行状态信息的性质不 同，相应的输入电路有所不同，故障信息开关量输入模块的电路如图2 6 所示， 当臭氧发生器产生故障时向处理器申请中断，处理器在中断服务程序中读取故障 信号，并进行故障分类。运行状态信息经过光电隔离后由处理器采用查询方式获 取。 1 电路构成及工作原理 故障开关量输入模块由两片4 输入光电隔离器t l p 5 2 l 、1 片8 输入缓冲器 7 4 h c 2 4 5 和与门控制电路组成，实现8 个开关量的获取n 引。输入信号为高电平， 经过光电隔离变为低电平，1 路经与门控制电路产生中断请求信号i n p u t i n t 和 缓冲器允许信号i n e ，1 路在i n e 有效时被保存到数据缓冲器7 4 h c 2 4 5 。由处理 器在中断服务程序中读取缓冲器数据获得开关状态。 在l p c 2 1 2 9 的内部r a m 中开辟9 个字节单元用于存储开关量的相关信息， 前八个字节单元用于存储输入开关量的名称，第九个字节用于存储8 个开关量状 态。 2 输入电阻选择 输入高电平范围为3 - 4 8 v ，频率小于l o k h z ，输入电阻足x 可以根据实际输入 的电平高低进行更换。t l p 5 2 1 要求流过发光二极管的电流为3 2 0 m a ，r x 的取值 可以根据公式( 2 1 ) 计算，其中u n 为输入的开关信号幅值，砜为发光二极管的 管压降，为工作电流，一般取1 0 m a 。实际使用中，可按表2 2 的推荐值选择尺x 。 耻等产 ( 2 1 ) 表2 2 推荐输入信号相对应的r 。值 输入信号高电平最值 3 一6 v 6 1 2 v 1 2 2 4 v 2 4 4 8 v 2 2 4l c d 显示及触摸屏 l c d l c d 晶显示器 图2 6 开关量输入电路 显示及触摸电路如图2 7 所示。 显示模块选用深圳三元晶公司 。它采用动态驱动原理，由行驱 的 动 s y m 3 2 0 2 4 0 b z k ，是一种图形点阵液 控制器和列驱动器两部分组成3 2 0 ( 列) 2 4 0 ( 行) 的全点阵液晶显示，内含硬件字库，编程模式简洁方便，单5 v 电源供 电，具有以下特点n 引： ( 1 ) 内建7 6 0 2 个常用简体字库，国家标准g b 码字库。 ( 2 ) ( 3 ) 内建对比度调节电路，可软件设置对比度 内建多组半宽字符( a s c i i 码) ，方便编程。 加 m 彻 撇 ：寸 z 乱 硕士学位论文 ( 4 ) 内建粗体字型和行距设定。 ( 5 ) 提供显示屏幕水平卷动和垂直拖动 功能。 ( 6 ) 提供单个字符反白显示和n 行的 反白显示。 ( 7 ) 提供简单4 级灰度显示功能。 ( 8 ) 提供中英文对齐不对齐功能。 ( 9 ) 提供触摸屏控制功能。 1 l c d 模块与l p c 2 1 2 9 的连接 为了满足显示内容及数据量大，且数据 更换频繁的要求，使用处理器的8 位g p i o 引脚p 0 0 p 0 7 与l c d 模块的数据线 d b 0 d b 7 相连，l c d 模块的片选、读写、复 图2 7l c d 及触摸屏电路图 位等信号连接如图2 7 所示n 引。为了能迅速响应触摸动作，处理器采用中断方式， 即将l c d 的i n t 脚和处理器的外中断0 相连，使之具有最高优先级。 为了节省处理器的i o 口资源，使用软件延时匹配处理器和l c d 的数据传输 速度，而不采用i o 口查询l c d 的b u s y 信号。 2 l c d 及触摸屏功能 l c d 的主要功能有：臭氧发生器的运行