基于现场总线的液位检测系统的设计

1、公司名称公司名称基于现场总线的水质检基于现场总线的水质检测系统的研究测系统的研究前言 近年来，对水环境的监测越来越受到人们的关注，对水质的检测的重要性也越来越高。 现场总线控制系统FCS是继模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统DDC(Direct Digjtal C0ntro1)、集散控制系统DCS(Di StributedControlSystem)之后的新一代控制系统。现场总线控制系统FCS是继模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统DDC(Direct Digj talC0ntro1)、集散控制系统DCS(Di Stri but edControl System)之后的新一代控制系统。本文以

2、工业用水为检测对象，提出一种基于PROFIBUS-DP现场总线协议的监测装置的开发方案。背景发展水环境监控装置，它利用智能检测与控制仪表通过高度自动化的水质监测系统，采集定点水质水样，测定水质参数并将监测数据发送给监控中心，其主体为由测控仪表及其通信模块构成的测控系统，它包含了化学分析技术、检测技术、电子技术和计算机网络等多学科的综合性技术。随着信息技术的飞速发展，特别是传感技术、微电子技术、控制技术、计算机技术和通信技术的不断进步，各种传感器和控制的功能不断增强，应用范围不断拓宽，测量控制领域不断吸收这些最新的技术，逐渐向高性能、小体积、智能化和低成本的方向发展发展第一代检测与控制仪表是由传

3、统传感器组成的测控系统，采用点到点传输的接口规范，比如二线制420 mA电流和15 v电压标准。这种系统曾经一度在测控领域广为应用，但由于其布线复杂、成本昂贵、抗干扰能力差，已逐渐淡出市场。第二代检测与控制仪表是基于智能传感器的测控系统。智能传感器与控制设备之间仍然采用传统的模拟电流或电压信号通信。随着数字通信标准RS232、RS422、RS485等的推出与广泛应用以及微控制器的流行，许多新的传感器测控系统也应运而生。发展第三代检测与控制仪表，也即是现在正蓬勃发展的新一代检测与控制仪表，是基于现场总线(FieldBus)的智能传感器检测系统。现场总线是连接智能化现场设备和主控系统之间全数字、开

4、放式、双向通信网络，是当前受到广泛认可的主流物理通信媒体。现场总线技术利用数字通信代替了传统的4-20 mA模拟信号，大大减少了传感器与主控系统的连线以及通信带宽，有效降低了系统成本与复杂度，实现了分布式智能测控。现状目前，国际上一些大的仪表制造厂商都推出了现场总线控制系统及相应的现场总线产品。智能仪表和设备共同组成的新型结构测控系统的出现，使国外智能化仪表的发展和应用达到了新的历史阶段。在众多现场总线协议中，市场占有率最高的是PROFIBUS，其中PROFIBUS-DP是市场占有率绝对领先的总线技术，它的市场占有率主要来源于PLC系统的市场份额，而PROFIBUS-DP在现场总线智能仪表级的

5、应用尚需提高。PROFIBUS在欧洲己获得广泛应用，据调查在主要的欧洲国家大约占41的市场份额。由于PLC销售商对PROHBUS的广泛支持，PROFIBUS的应用将会更广泛，对PROFIBUS智能仪表与设备的需求会越来越多。设计方案PROFIBUSDP智能从站有两种实现方法，第一种方法是利用开发包中所带的从站接口模块来实现。从站接口可将第三方设备通过设备接口作为智能从站连接到PROFIBUSDP上，最大数据传输速率为12Mbits，可以自动检测总线数据传输速率。这种方法可以减少自主开发的时间，能满足大多数应用场合的要求，对于要求高传输速率而又无需占用大量处理器资源的应用场合一般采取这种方式，但

6、此方式成本较高且不能满足复杂的智能从站的要求。第二种方法是直接用微处理器及一些外设来实现通信接口和智能从站的开发。这种方法成本较低，非常灵活，能满足各种需要，但开发较为复杂。基于PROFIBUS协议的DP从站的开发 PROFIBUS是开放的、与制造商无关的、无知识产权保护的标准。任何人都可以获得这个标准并设计各自的软硬件方案。原则上，PROFIBUS协议在任何微处器上都可以实现。在微处理器内部或者外部安装串行通信接EI(UART)就可以完成，利用PROFIBUS模型中的服务访问点，通过单片机编程来实现PROFlBUS-DP的状态机制。但是用单片机实现的PROFIBUSDP从站的传输速率受单片机

7、晶振的限制。无法达到PROFIBUSDP所要求得最大传输速率。而且编制程序的工作量也很大。利用单片机实现PROFIBUS-DP从站ASIC芯片集成了PROFIBUS协议，使用ASIC芯片可以大量的节约开发成本和时间。尤其当数据传输速率较大或需要使用IECll582技术时，应该使用ASIC芯片115l。例如LSPMZ芯片的功能是固定的，仅输入和输出口由用户指定，完整的PROFIBUS状态机制集成在LSPMZ的硬件中，连接三个移位寄存器或一个EEPROM以存储16位识别号和一个8位的PROFIBUS地址，再加上RS485和石英晶体振荡器即构成简单从站。LSPMZ用于简单设备，如开关设备和热电偶测量

8、。而SPC3芯片属于从站的智能通信芯片，用于智能从站。SPC3能承担大部分微处理器的负载，集成了PROFIBUS协议，传输速率可以达到12Mb。使用专用集成电路ASIC智能检测仪表的硬件设计该智能检测仪表主要有以下几种功能模块：实时参数采集模块、液晶显示模块、功能键盘选择模块、以及通信功能模块。智能检测仪表的系统结构原理图如图1所示。 图1 智能检测仪表结构图其中，参数采集主要是使用几种不同的传感器通过模拟调理电路和微处理器的加转换模块精确快速的采集水环境中温度、盐度、溶氧度、PH值、混浊度等几种参数的实际值，并送入微处理器作其它处理。液晶显示模块是根据微处理器的初始化要求和键盘功能的选择把所

9、需要的各种参数、日期时间等在微处理器外接液晶模块上显示出来。键盘则用于实现对参数查看，时间查询等功能的选择。通信模块是根据通信接口的不同而实现PROFIBuS和MODBUS两种总线通信功能，并可与上位机构建总线网络系统，实现远程监控。智能检测仪表的硬件设计在仪表的开发中选用TCygnal公司的C8051F020单片机作为系统的智能处理器，C8051F020单片机是完全集成的混合信号系统级MCU芯片，具有64个数字IO引脚。C8051F020单片机除了具有标准的8052的数字外设部件之外，片内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其他数字外设及功能部件。其中包括模拟多路选择器、可编程增益放

10、大器、ADC、DAC、电压比较器、电压基准、温度传感器、SMBus12C、UART、SPI、可编程计数器定时器阵列(PCA)、定时器、数字Io端口、电源监视器、看门狗定时器(wDT)和时钟振荡器等。C8051F020是真正能独立工作的片上系统(SOC)。它能有效的管理模拟和数字外设，可以关闭单个或全部外设以节省功耗。微处理器C8051F020 水质检测装置 图2 水质检测装置原理图本仪器中光谱仪的工作过程是：先将检测池内参比溶液通过注射泵抽入流通比色皿中，打开光源，假设入射光强I0，透射光强Ir1，则参比溶液吸光度为： A1=lg(I0/ Ir1)再将参比溶液换成待测水样溶液，光源不变的情况下

11、，入射光强仍为I0，透射光强为Ir2，则待测水样吸光度为： A=lg(I0/ Ir2)设水样中待测溶质的吸光度为A2，由朗伯-比尔定律的加和性，可以得到： A=A1+A2所以可以得到：A2= A- A1= lg(Ir1/ Ir2) 水质浓度检测原理上位机监控的通信功能模块需要下位机的配合来实现，即借助于一种通信协议实现上位PC机与下位机之间的通信功能。如前文所述，在本装置中，下位机与上位机之间的通信功能主要应用MODBUS总线通信协议来实现。上位机通信功能模块通信模块结构图水质检测测试 通过表格中测量的原始数据，通过matlab进行编程仿真，得到以下结果在图3中：绿色-光谱的预测估计值。蓝色-光谱的测量值。由图2可看出其中有两个明显的错误数据，除此之外，真实值与预测估计值变化基本一致，可看成近似相等，而测量值因受到量测噪声影响而有所波动变化，不过取值在真实值的小范围内上下波动，对以后的预测估计影响较小。 图3 220nm测量值及预测估计值随时间变化的图 2 220nm测量值及预测估计值随时间变化的测试背景光谱差值测量值与估计值在图4中：绿色-背景光谱的预测估计值。蓝色-背景光谱的测量值。由图3可看出，真实值与预测估计值变化基本一致，可看成近似相等，而测量值因受到量测噪声影响而有所波动变化，不过取值在真实值的小范围内上下波动，对以后的