專利名稱：基于CAN總線網關的pH值測控裝置及測控方法
技術領域：
本發明涉及自動控制領域，特指一種利用嵌入式系統、電子、控制、計算機、數字通 信、網絡為一體的技術形成集pH值測量控制及通信功能于一體的網絡型智能參數測控裝置。 本裝置主要應用在生物發酵工程、水環境監測及水產養殖等領域。
技術背景常用的pH值測控裝置包括將pH值測控傳感器、信號調理電路和模擬數字A/D轉換模 塊順序連接到微處理器，電磁閥作為執行元件通過數字模擬D/A轉換模塊與微處理器相連 接，微處理器將傳感器檢測到的pH值信號經調理電路運放、反饋平衡后，傳給酸或堿溶液 罐輸出的電磁閥動作。這種pH值測控裝置是作為獨立的檢測儀器來工作的，不具備控制調 節pH值的能力，沒有總線接口，不具備組建現場總線網絡的條件，不能通過以太網實現對 生產現場的監控和管理，只在工業現場底層現場操作，無法遠程控制。目前，現場總線技術在工業控制、智能樓宇、大型裝備儀器等領域得到了十分廣泛的 應用，極大的推動了生產的發展，已經成為當前應用和研究的一個熱點。控制器局域網CAN (Controller Area Network)為串行通信協議，能有效地支持具有很高安全等級的分布式 實時控制，具有突出的可靠性、實時性和靈活性，已經形成了國際標準。但是，CAN總線也 具有局限性，CAN總線作為工廠底層網絡，它與以太網無論是上層協議還是電氣接口都互不 兼容，因而使得企業信息網絡和工業現場底層網絡被隔離開來，企業信息網絡無法直接采 集、監控工業生產現場的數據信息，因而如何將企業信息網絡和工業控制網絡互聯倍受企 業的關注。 發明內容本發明的目的為克服現有技術的不足，提供了一種將遠程信息網絡和工業現場控制裝 置互聯的基于CAN總線網關的pH值測控裝置。本發明的另一 目的是提供所述基于CAN總線網關的pH值測控方法，可對被控對象進行 智能遠程控制。本發明裝置采用的技術方案是包括將pH值測控傳感器、信號調理電路和模擬數字A/D 轉換模塊順序連接到微處理器，電磁閥通過數字模擬D/A轉換模塊與微處理器相連接，其 特征是..微處理器的輸出連接CAN控制器的輸入，CAN控制器的輸出端連接到CAN總線通信 接口，將CAN總線通信接口掛到CAN總線上，嵌入式CAN總線網關與CAN總線相連，嵌入 式CAN總線網關與遠程監控計算機之間采用以太網方式連接通信。本發明方法采用的技術方案是依次包括如下步驟(1)將pH值傳感器檢測的實際值，經過調理電路放大和濾波處理輸入到A/D轉換模塊輸入通道處理，將轉換后的pH值進行標 定和補償，得到pH的測量值；(2)遠程監控計算機通過IE瀏覽器訪問嵌入式CAN總線網 關的嵌入式Web服務器，嵌入式CAN總線網關通過CAN總線訪問pH測控裝置，請求pH測 控裝置檢測的實時數據，請求到的數據再通過CAN總線返送到CAN總線網關，通過嵌入式 CAN總線網關Web服務器的網頁經以太網傳送至遠程監控計算機IE瀏覽器顯示，同時遠程 監控計算機通過IE瀏覽器顯示頁面，依序經以太網通信接口、嵌入式CAN總線網關和CAN 總線給pH測控裝置下達控制指令，控制電磁閥動作，調節檢測對象的酸堿度；(3)每臺pH 測控裝置根據遠程監控計算機發送的參數給定值，或根據測控裝置的顯示的人機界面，通 過測控裝置的鍵盤就地設置參數的給定值，與傳感器測量的參數實際值分別比較，得到誤 差信號，經控制算法運算后，輸出多參數控制信號；(4)每臺pH測控裝置輸出參數控制信 號，傳給電磁閥，使被測控對象中的pH值實時地跟蹤給定值。
本發明將生產現場底層網絡與企業信息網絡互聯起來，能夠有效地提高生產效率、智 能化監控水平及企業的網絡化管理水平，其優點有
1、 參數測控一體化，本發明可將pH值和溫度等參數集成在一起進行統一測量與控制， 將會顯著提高裝置的性能價格比，有利于裝置的推廣應用，由于采用的是SOC單片機，集 成了A/D轉換模塊、D/A轉換模塊和CAN總線控制器，這樣既降低了硬件成本又提高了系統 的可靠性和穩定性。
2、 采用智能控制，本發明測控方法采用模糊控制、神經網絡控制方法對被控對象的參 數進行智能控制。由于不增加硬件成本，因而能有效地提高裝置的性能價格比。
3、 具有網絡通信功能，該嵌入式CAN總線網關同時支持以太網通信接口和RS-232通 信接口。為了實現對多臺智能pH測控裝置遠程控制和管理，每臺測控裝置帶有CAN總線接 口，這些儀器可以作為相應CAN總線的從單元，通過其通信接口掛到CAN總線上，嵌入式 C認總線網關和CAN總線相連，遠程監控計算機通過以太網訪問嵌入式CAN總線網關Web服 務器，通過IE瀏覽器顯示的嵌入式CAN總線網關Web服務器內嵌網頁進行參數設置和監控 現場參數變化情況，這樣就形成一個網絡型智能遠程監控系統。此外，現場監控計算機通 過RS-232與CAN總線網關相連，通過監控計算機的監控界面實現對CAN總線上智能pH測 控裝置的現場監控和管理。
4、 充分利用現有的以太網資源，通過計算機的瀏覽器實施監控和管理，既節省開發成 本、節省了人員培訓費用，又提高了現場檢測和控制設備的管理水平。
5、 pH測控裝置本身可以作為獨立的裝置工作，也能夠根據用戶的需要由遠程監控計算 機或現場監控實現對多個被控對象進行網絡型測控。
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細說明。 圖1是本發明測控裝置的結構連接簡圖。 圖2是圖1中pH值測控傳感器1的調理電路連接圖。 圖3是溫度傳感器調理電路圖。圖4是圖1中嵌入式CAN總線網關12的監控原理示意圖。
具體實施方式
如圖1所示，本裝置主要由監控計算機13、嵌入式CAN總線網關12、以太網通信接口 14、 CAN總線通信接口IO、 RS-232通信接口 15多臺智能pH測控裝置等組成。每臺智能PH測控裝置由順序連接的pH值測控傳感器1、信號調理電路2、集成了 12 位模擬數字A/D轉換模塊3和CAN總線微處理器6。傳感器由酸堿度(pH值)傳感器、溫 度傳感器等組成。微處理器6是S0C單片機C8051F040，由電磁閥9組成的執行元件，電磁 閥9通過12位數字模擬D/A轉換模塊8與微處理器6相連接，微處理器6還連接顯示器4 和鍵盤7，微處理器6的輸出連接CAN控制器5的輸入，CAN控制器5的輸出端連接到CAN 總線通信接口 10，將CAN總線通信接口 10掛到CAN總線11上，嵌入式CAN總線網關12與 CAN總線11相連，嵌入式CAN總線網關12與遠程監控計算機13之間采用以太網通信接口 14連接通信。嵌入式CAN總線網關12同時連接支持以太網通信接口 14和RS-232通信接口 15，每臺測控裝置帶有一個CAN總線通信接口 10。這樣就形成一個網絡型智能遠程監控系 統；同時，嵌入式CAN總線網關12與現場監控計算機13之間采用RS-232方式通信，這樣 就形成一個網絡型智能現場監控系統。圖中酸堿度(pH值)傳感器l以及溫度傳感器分別和各自的調理電路2相連，每個調 理電路2的輸出分別和C8051F040單片機的12位A/D相連，再經C8051F040單片機數字輸 出口與兩個分別控制溶劑電磁閥9組成的執行元件連接。此外還有LCD液晶顯示器4，顯示 現場檢測實時參數和測控裝置的運行情況，根據LCD人機界面菜單可以通過鍵盤查詢、設 定參數值和對傳感器l進行標定。圖中電磁閥9采用脈寬調制PWM控制酸堿度(pH值)的 電磁閥。如圖2所示，被控對象中插入的酸堿度(pH值)傳感器1為pH復合電極。玻璃電極作 為指示電極，銀-氯化銀電極作為參比電極，將兩種電極封裝在起構成復合玻璃電極， 一支 電極為測量電極，其電極電位隨溶液中被測量離子濃度的變化而變化， 一支電極為參比電 極，其電極電位不受溶液中待測離子濃度的影響。該pH傳感器1信號經CA3140進行髙阻 抗差動放大，再經TL082后級放大以及電平轉移后，輸出pH是0—5V直流電壓信號，特別要提出的是在pH信號調理電路中串入了 50Hz工頻陷波電路，很好地增強信號調理電路2 的抗干擾能力。如圖3所示，被控對象中插入的溫度傳感器(熱敏電阻)有兩根連線，它的一端和圖3 中的端口Rxll相連，它的另一端和圖3中的端口 Rxl2相連，該傳感器信號先和R1、 R2、 R3組成橋式檢測電路，經兩個TL084進行差動放大，再經TL084后級放大后，輸出T1是0 一5V直流電壓信號。圖4是基于嵌入式CAN總線網關12的pH值監控示意圖。第一種方式，圖中智能pH測 控裝置與CAN總線網關12通過CAN總線11相連，遠程監控計算機13通過以太網與CAN總 線網關12相連，這樣便形成了遠程監控計算機13對智能pH測控裝置的遠程監控和管理。 嵌入式CAN總線網關12采用集成了 CAN總線控制器的ARM7處理器LPC2292、以太網接口芯 片RTL8019AS等構成了嵌入式網關的硬件平臺。在這個平臺上移植了源代碼免費、公開的 嵌入式實時操作系統MC/OS-n，簡化并移植了 TCP/IP協議棧，開發了CAN總線11和以太 網驅動程序，并在此基礎上開發了嵌入式CGI (Common Gateway Interface)程序，實現嵌 入式Web服務器。這樣遠程計算機13通過IE瀏覽器便能實現對CAN總線網關12的訪問。 CAN總線網關12有著良好的人機界面，通過用戶確認，設置好CAN總線ll上各智能pH測 控裝置參數后，便進入pH測控儀的參數顯示界面，實時顯示CAN總線ll上各智能pH測控 裝置檢測的現場參數，實現對現場智能pH測控裝置的遠程監控和管理。另一種方式，利用 ARM7處理器LPC2292內部集成的UART實現RS-232串行通信，串行通信程序作為嵌入式實 時操作系統MC/0S-II中多任務中的一個任務來實現，利用嵌入式實時操作系統MC/0S-I1 提供的功能函數協調各任務運行，使得現場監控計算機通過嵌入式網關12實現對CAN總線 網絡上各智能pH測控裝置的監控和管理。本發明通過在嵌入式網關內嵌入TCP/IP協議棧實現以太網與CAN總線11之間的信息 交互，信息交互采用嵌入式Web服務器的方式，以此為接口實現兩種異構網絡之間的互聯， 即實現CAN總線11和以太網之間的互聯，通過以太網實現了對工業現場底層網絡的遠程監 控。此外，該網關還支持RS-232串行通信接口 15，通過串口通信線連接到現場監控計算機， 通過監控計算機13的監控畫面便可監控CAN總線11網絡各個節點的工作情況。這是一種 距離相對比較近的監控現場CAN總線11上各智能pH測控裝置的運行情況的方式，和前面 的CAN總線11與以太網遠程監控方式結合起來，本發明同時具備有近距離和遠程監控CAI、 總線11網絡上智能pH測控裝置的運行情況的功能。本裝置的工作過程為1. pH傳感器和溫度傳感器檢測實際值，經過調理電路2放大和濾波處理輸入到單片機的A/D轉換模塊3的輸入端，通過A/D轉換3的輸入通道處理，將A/D轉換3后的pH值進 行標定和溫度補償，得到pH的測量值。2. 遠程監控計算機13通過IE瀏覽器訪問嵌入式CAN總線網關12的嵌入式Web服務器， 嵌入式CAN總線網關12通過CAN總線11訪問智能pH測控裝置，請求智能pH測控裝置檢 測的實時數據，請求到的數據再通過CAN總線11返送到CAN總線網關12，通過嵌入式CAN 總線網關12的Web服務器的網頁經以太網傳送至遠程監控計算機13的IE瀏覽器顯示。同 時，遠程監控計算機13通過IE瀏覽器顯示的頁面，依次經以太網、經嵌入式CAN總線網 關12、經CAN總線11給智能pH測控裝置下達控制指令，控制電磁閥9動作，調節檢測對 象的酸堿度，達到對現場測控儀器的監控的目的。3. 通過現場監控計算機與嵌入式CAN總線網關12通信，在現場監控計算機上監控智能 pH測控裝置的運行情況，還可以通過現場監控計算機的監控界面通過RS-232，通過CAN總 線網關12，通過CAN總線11給智能pH測控裝置下達控制指令，控制電磁閥9動作，調節 檢測對象的酸堿度，從達到對現場測控儀器的監控的目的。4. 每臺智能pH測控裝置根據遠程監控計算機13發送的參數給定值，或根據測控裝置 的LCD顯示器4的人機界面，通過測控裝置的鍵盤就地設置參數的給定值，與傳感器l測 量的參數實際值分別比較，得到誤差信號，經過相應的智能控制算法運算后，輸出多參數 控制信號。5. 每臺智能pH測控裝置輸出參數控制信號。給被測控對象的相應執行元件，如酸堿度 (pH值)的控制信號是脈寬調制P^l信號，傳給酸或堿溶液罐輸出的電磁闊9，使被測控對象中的酸堿度(PH值)實時地跟蹤給定值。
權利要求
1.一種基于CAN總線網關的pH值測控裝置，包括將pH值測控傳感器(1)、信號調理電路(2)和模擬數字A/D轉換模塊(3)順序連接到微處理器(6)，電磁閥(9)通過數字模擬D/A轉換模塊(8)與微處理器(6)相連接，其特征是微處理器(6)的輸出連接CAN控制器(5)的輸入，CAN控制器(5)的輸出端連接到CAN總線通信接口(10)，將CAN總線通信接口(10)掛到CAN總線(11)上，嵌入式CAN總線網關(12)與CAN總線(11)相連，嵌入式CAN總線網關(12)與遠程監控計算機(13)之間采用以太網通信接口(14)連接通信。
2. 根據權利要求l所述的基于CAN總線網關的pH值測控裝置，其特征是所述嵌入式C緒 總線網關(12)同時連接支持以太網通信接口 (14)和RS-232通信接口 (15)，每臺測控 裝置帶有一個CAN總線通信接口 (10)。
3. 根據權利要求l所述的基于CAN總線網關的pH值測控裝置，其特征是微處理器(6) 還連接顯示器(4)和鍵盤(7)。
4. 一種基于CAN總線網關的pH值測控方法，其特征是依次包括如下步驟① 將pH值傳感器(1)檢測的實際值，經過調理電路(2)放大和濾波處理輸入到A/D 轉換模塊(3)輸入通道處理，將轉換后的pH值進行標定和補償，得到pH的測量值；② 遠程監控計算機(13)通過IE瀏覽器訪問嵌入式CAN總線網關(12)的嵌入式Web 服務器，嵌入式CAN總線網關(12)通過CAN總線(11)訪問pH測控裝置，請求pH測控 裝置檢測的實時數據，請求到的數據再通過CAN總線(11)返送到CAN總線網關(12)，通 過嵌入式CAN總線網關(12) Web服務器的網頁經以太網傳送至遠程監控計算機(13) IE 瀏覽器顯示，同時遠程監控計算機(13)通過IE瀏覽器顯示頁面，依序經以太網通信接口(14)、嵌入式CAN總線網關(12)和CAN總線(11)給pH測控裝置下達控制指令，控制 電磁閥(9)動作，調節檢測對象的酸堿度；③ 每臺pH測控裝置根據遠程監控計算機(13)發送的參數給定值，或根據測控裝置的 顯示的人機界面，通過測控裝置的鍵盤(7)就地設置參數的給定值，與傳感器(1)測量 的參數實際值分別比較，得到誤差信號，經控制算法運算后，輸出多參數控制信號；④ 每臺pH測控裝置輸出參數控制信號，傳給電磁閥(9)，使被測控對象中的pH值實 時地跟蹤給定值。
全文摘要
本發明公開了一種基于CAN總線網關的pH值測控裝置及測控方法，遠程監控計算機通過IE瀏覽器訪問嵌入式CAN總線網關的嵌入式Web服務器，嵌入式CAN總線網關通過CAN總線訪問pH測控裝置，請求pH測控裝置檢測的實時數據，請求到的數據再通過CAN總線返送到CAN總線網關，通過嵌入式CAN總線網關Web服務器的網頁經以太網傳送至遠程監控計算機IE瀏覽器顯示，同時遠程監控計算機通過IE瀏覽器顯示頁面，依序經以太網通信接口、嵌入式CAN總線網關和CAN總線給pH測控裝置下達控制指令，控制電磁閥動作，調節檢測對象的酸堿度；本發明將生產現場底層網絡與企業信息網絡互聯起來，能夠有效地提高生產效率、智能化監控水平及企業的網絡化管理水平。
文檔編號C13B20/00GK101271337SQ20081002326
公開日2008年9月24日 申請日期2008年4月3日 優先權日2008年4月3日
發明者劉一穎, 劉星橋, 曾疏楠, 云 秦, 程明慧 申請人:江蘇大學