摘 要: 為解決現有監控系統結構復雜，成本高以及維護不便等缺點，本文研制開發了基于PROFIBUS現場總線的通用型監控系統。本監控儀表包括監控儀表及一臺監控主機, 設計了32路可接多種類型傳感器的模擬量輸入通道，并采用PROFIBUS現場總線,可以和其它廠家生產的符合PROFIBUS現場總線TN915 協議的儀表配合使用,符合當前國際上控制系統發展的趨勢。 關鍵字: 監控系統; 輸入通道; 現場總線; 傳感器 1 引言 　　目前廣泛應用的監控系統是分布式控制系統（DCS）或采用智能化傳感器。但是DCS有結構復雜,點數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控點上均采用智能傳感器也會增加系統不必要的成本。為此,本文研制開發了基于PROFIBUS現場總線的通用型監控系統,它包括監控儀表（下位機）及一臺監控主機（上位機）。針對中、小范圍的監控中,在小范圍內所用傳感器種類較多,且又有多點開關量輸入、輸出等特點,在監控儀表中設計了32路可接多種類型傳感器的模擬量輸入通道、8路數字輸入（DI）通道、8路數字輸出（DO）通道、4路閉環模擬輸出（AO）通道。所以,本文研制開發的監控系統是一種小而全的通用型監控系統。 2 總體設計原則與系統組成 [align=center] 圖1系統組成框圖[/align] 　　本文開發的監控系統應具有可靠性高、易于維護、結構簡單、操作靈活、易于擴展等特點。因此,本系統的總體設計原則為:上位機采用工控機,應用靈活的人機接口軟件實現操作控制;監控儀表采用以16位單片機80C96KB為CPU的單片機系統來實現現場數據的采集與控制,達到結構簡單、功能靈活、性能穩定等要求;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,可用簡單并聯的方式連接多臺下位機,上位機和下位機之間的通信協議采用PROFIBUS國際標準,使系統易于擴展、互換性強。 　　從系統功能要求出發,本文系統由監控系統及監控主機兩個部分的軟、硬件所組成。監控儀表是有測量、控制功能的單片機系統,作為放置在現場的下位機。監控主機是由一臺工控機及串行通訊接口部件構成的。系統組成如圖1所示。 3 下位機組成 　　下位機采用80C196KB單片機系統進行數據采集、控制量輸出、向上位機傳送測量數據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,其結構如圖2所示。 [align=center] 圖2 AI單元結構框圖[/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; 　　為保證系統的測量精度優于0.2%, AI單元中的A/D轉換器采用12位的AD574,可在25μs內完成一次A/D轉換,32路信號在2秒鐘內循環采樣一次。 　　3.2 DI單元 [align=center] 圖3 DI單元結構框圖[/align] 　　DI單元包括8路24V直流光隔離開關量輸入信號。其結構如圖3所示。DI單元的功能: 8路繼電器導通/斷開的開關量同時輸入。 　　3.3 DO單元 　　DO單元包括8路無源觸點,光電隔離輸出,其結構如圖4所示。 [align=center] 圖4 DO單元結構圖[/align] 　　DO單元主要性能: 最大通斷能力:1A/220V; 繼電器:EG2-5N1; ON響應時間:MAX 10ms; OFF響應時間:MAX10ms; 內部電流消耗: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,其結構如圖5所示。它們可以分別被設置為與32路AI中的任意一路形成閉環控制。 [align=center] 圖5 AO單元結構框圖[/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放大后,再經V/I轉換電路變為4～20mA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,抗干擾能力強等優點,適合于生產環境。 　　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控程序。系統中還采用128K EEPROM-DS 1213D來存儲系統當前設置和數據采集信息,可以實現掉電保護的功能。EEPROM電池的壽命為10年。 4 上位機 　　系統上位機采用研華610工控機以實現整個系統的高可靠性。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; 內存:256M; 硬盤:20G; 光驅: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,本系統僅使用了其中的一路。當下位機數量較多時,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 系統工作原理 　　系統工作原理可簡要概括如下: 　　系統針對外界被測的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,則信號經過通路后直接接入后一級信號調理電路;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過一個電流輸出接口集成電路AM402,再接入信號調理電路。信號調理電路輸出的模擬量,通過A/D轉換器變換為數字信號,然后送入CPU進行數據處理。 　　CPU對A/D發出調用指令,將數據調到CPU中進行數據處理。處理后的數據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輸出的數據是8位并行數據,經過并-串轉換、數-模轉換、電壓-電流轉換這幾個步驟,使得輸出的量可以驅動被控制系統。系統還輸出開關量作為控制信號輸出。 6 系統主要性能指標 　　系統主要性能指標如下: 　　（1） 4路4～20mA模擬量輸入,允許上位機設定通道號,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,允許上位機設定通道號,且可掉電保持。（對應熱電偶輸入型儀表） 　　（4） 16路熱電阻（（Pt100）輸入,允許上位機設定通道號,且可掉電保持。 （對應熱電阻輸入型儀表） 　　（5） 8路開關量輸入（24V DC光隔）允許上位機設定通道號,且可掉電保持。 　　（6） 8路開關量輸出（無源觸點、光電隔離,1 A/220 V）允許上位機設定通道號,且可掉電保持。 　　（7） 4路模擬量輸出（（ 4～20mA）允許上位機設定其中一路為AI通道的閉環控制輸出,其余通道號亦可同上方法設定,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定,且可掉電保持。 　　（13） 監控數據及系統工作狀態實時顯示、存儲功能。 　　本文作者創新點: 本文中根據系統功能要求提出系統總設計原則,對系統組成進行了全面介紹,概述了系統的工作原理,闡述了系統性能指標。 參考文獻 　　[1] 李華.MCS-51系列單片機實用接口技術[M].北京:北 京航空航天大學出版社,2002.2 　　[2] 陳連坤.嵌入式系統的設計與開發[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[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 總線原理和應用系統設計[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設計[J]. 微計算機信息, 2005,10: 70-71