CN101271337A - 基于CAN总线网关的pH值测控装置及测控方法 - Google Patents

基于CAN总线网关的pH值测控装置及测控方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于CAN总线网关的pH值测控装置及测控方法，远程监控计算机通过IE浏览器访问嵌入式CAN总线网关的嵌入式Web服务器，嵌入式CAN总线网关通过CAN总线访问pH测控装置，请求pH测控装置检测的实时数据，请求到的数据再通过CAN总线返送到CAN总线网关，通过嵌入式CAN总线网关Web服务器的网页经以太网传送至远程监控计算机IE浏览器显示，同时远程监控计算机通过IE浏览器显示页面，依序经以太网通信接口、嵌入式CAN总线网关和CAN总线给pH测控装置下达控制指令，控制电磁阀动作，调节检测对象的酸碱度；本发明将生产现场底层网络与企业信息网络互联起来，能够有效地提高生产效率、智能化监控水平及企业的网络化管理水平。

Description

基于CAN总线网关的pH值测控装置及测控方法
技术领域
本发明涉及自动控制领域，特指一种利用嵌入式系统、电子、控制、计算机、数字通信、网络为一体的技术形成集pH值测量控制及通信功能于一体的网络型智能参数测控装置。本装置主要应用在生物发酵工程、水环境监测及水产养殖等领域。
背景技术
常用的pH值测控装置包括将pH值测控传感器、信号调理电路和模拟数字A/D转换模块顺序连接到微处理器，电磁阀作为执行元件通过数字模拟D/A转换模块与微处理器相连接，微处理器将传感器检测到的pH值信号经调理电路运放、反馈平衡后，传给酸或碱溶液罐输出的电磁阀动作。这种pH值测控装置是作为独立的检测仪器来工作的，不具备控制调节pH值的能力，没有总线接口，不具备组建现场总线网络的条件，不能通过以太网实现对生产现场的监控和管理，只在工业现场底层现场操作，无法远程控制。
目前，现场总线技术在工业控制、智能楼宇、大型装备仪器等领域得到了十分广泛的应用，极大的推动了生产的发展，已经成为当前应用和研究的一个热点。控制器局域网CAN(Controller Area Network)为串行通信协议，能有效地支持具有很高安全等级的分布式实时控制，具有突出的可靠性、实时性和灵活性，已经形成了国际标准。但是，CAN总线也具有局限性，CAN总线作为工厂底层网络，它与以太网无论是上层协议还是电气接口都互不兼容，因而使得企业信息网络和工业现场底层网络被隔离开来，企业信息网络无法直接采集、监控工业生产现场的数据信息，因而如何将企业信息网络和工业控制网络互联倍受企业的关注。
发明内容
本发明的目的为克服现有技术的不足，提供了一种将远程信息网络和工业现场控制装置互联的基于CAN总线网关的pH值测控装置。
本发明的另一目的是提供所述基于CAN总线网关的pH值测控方法，可对被控对象进行智能远程控制。
本发明装置采用的技术方案是：包括将pH值测控传感器、信号调理电路和模拟数字A/D转换模块顺序连接到微处理器，电磁阀通过数字模拟D/A转换模块与微处理器相连接，其特征是：微处理器的输出连接CAN控制器的输入，CAN控制器的输出端连接到CAN总线通信接口，将CAN总线通信接口挂到CAN总线上，嵌入式CAN总线网关与CAN总线相连，嵌入式CAN总线网关与远程监控计算机之间采用以太网方式连接通信。
本发明方法采用的技术方案是依次包括如下步骤：(1)将pH值传感器检测的实际值，经过调理电路放大和滤波处理输入到A/D转换模块输入通道处理，将转换后的pH值进行标定和补偿，得到pH的测量值；(2)远程监控计算机通过IE浏览器访问嵌入式CAN总线网关的嵌入式Web服务器，嵌入式CAN总线网关通过CAN总线访问pH测控装置，请求pH测控装置检测的实时数据，请求到的数据再通过CAN总线返送到CAN总线网关，通过嵌入式CAN总线网关Web服务器的网页经以太网传送至远程监控计算机IE浏览器显示，同时远程监控计算机通过IE浏览器显示页面，依序经以太网通信接口、嵌入式CAN总线网关和CAN总线给pH测控装置下达控制指令，控制电磁阀动作，调节检测对象的酸碱度；(3)每台pH测控装置根据远程监控计算机发送的参数给定值，或根据测控装置的显示的人机界面，通过测控装置的键盘就地设置参数的给定值，与传感器测量的参数实际值分别比较，得到误差信号，经控制算法运算后，输出多参数控制信号；(4)每台pH测控装置输出参数控制信号，传给电磁阀，使被测控对象中的pH值实时地跟踪给定值。
本发明将生产现场底层网络与企业信息网络互联起来，能够有效地提高生产效率、智能化监控水平及企业的网络化管理水平，其优点有：
1、参数测控一体化，本发明可将pH值和温度等参数集成在一起进行统一测量与控制，将会显著提高装置的性能价格比，有利于装置的推广应用，由于采用的是SOC单片机，集成了A/D转换模块、D/A转换模块和CAN总线控制器，这样既降低了硬件成本又提高了系统的可靠性和稳定性。
2、采用智能控制，本发明测控方法采用模糊控制、神经网络控制方法对被控对象的参数进行智能控制。由于不增加硬件成本，因而能有效地提高装置的性能价格比。
3、具有网络通信功能，该嵌入式CAN总线网关同时支持以太网通信接口和RS-232通信接口。为了实现对多台智能pH测控装置远程控制和管理，每台测控装置带有CAN总线接口，这些仪器可以作为相应CAN总线的从单元，通过其通信接口挂到CAN总线上，嵌入式CAN总线网关和CAN总线相连，远程监控计算机通过以太网访问嵌入式CAN总线网关Web服务器，通过IE浏览器显示的嵌入式CAN总线网关Web服务器内嵌网页进行参数设置和监控现场参数变化情况，这样就形成一个网络型智能远程监控系统。此外，现场监控计算机通过RS-232与CAN总线网关相连，通过监控计算机的监控界面实现对CAN总线上智能pH测控装置的现场监控和管理。
4.充分利用现有的以太网资源，通过计算机的浏览器实施监控和管理，既节省开发成本、节省了人员培训费用，又提高了现场检测和控制设备的管理水平。
5.pH测控装置本身可以作为独立的装置工作，也能够根据用户的需要由远程监控计算机或现场监控实现对多个被控对象进行网络型测控。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1是本发明测控装置的结构连接简图。
图2是图1中pH值测控传感器1的调理电路连接图。
图3是温度传感器调理电路图。
图4是图1中嵌入式CAN总线网关12的监控原理示意图。
具体实施方式
如图1所示，本装置主要由监控计算机13、嵌入式CAN总线网关12、以太网通信接口14、CAN总线通信接口10、RS-232通信接口15多台智能pH测控装置等组成。
每台智能pH测控装置由顺序连接的pH值测控传感器1、信号调理电路2、集成了12位模拟数字A/D转换模块3和CAN总线微处理器6。传感器由酸碱度(pH值)传感器、温度传感器等组成。微处理器6是SOC单片机C8051F040，由电磁阀9组成的执行元件，电磁阀9通过12位数字模拟D/A转换模块8与微处理器6相连接，微处理器6还连接显示器4和键盘7，微处理器6的输出连接CAN控制器5的输入，CAN控制器5的输出端连接到CAN总线通信接口10，将CAN总线通信接口10挂到CAN总线11上，嵌入式CAN总线网关12与CAN总线11相连，嵌入式CAN总线网关12与远程监控计算机13之间采用以太网通信接口14连接通信。嵌入式CAN总线网关12同时连接支持以太网通信接口14和RS-232通信接口15，每台测控装置带有一个CAN总线通信接口10。这样就形成一个网络型智能远程监控系统；同时，嵌入式CAN总线网关12与现场监控计算机13之间采用RS-232方式通信，这样就形成一个网络型智能现场监控系统。
图中酸碱度(pH值)传感器1以及温度传感器分别和各自的调理电路2相连，每个调理电路2的输出分别和C8051F040单片机的12位A/D相连，再经C8051F040单片机数字输出口与两个分别控制溶剂电磁阀9组成的执行元件连接。此外还有LCD液晶显示器4，显示现场检测实时参数和测控装置的运行情况，根据LCD人机界面菜单可以通过键盘查询、设定参数值和对传感器1进行标定。图中电磁阀9采用脉宽调制PWM控制酸碱度(pH值)的电磁阀。
如图2所示，被控对象中插入的酸碱度(pH值)传感器1为pH复合电极。玻璃电极作为指示电极，银-氯化银电极作为参比电极，将两种电极封装在起构成复合玻璃电极，一支电极为测量电极，其电极电位随溶液中被测量离子浓度的变化而变化，一支电极为参比电极，其电极电位不受溶液中待测离子浓度的影响。该pH传感器1信号经CA3140进行高阻抗差动放大，再经TL082后级放大以及电平转移后，输出pH是0-5V直流电压信号，特别要提出的是在pH信号调理电路中串入了50Hz工频陷波电路，很好地增强信号调理电路2的抗干扰能力。
如图3所示，被控对象中插入的温度传感器(热敏电阻)有两根连线，它的一端和图3中的端口Rxl1相连，它的另一端和图3中的端口Rxl2相连，该传感器信号先和R1、R2、R3组成桥式检测电路，经两个TL084进行差动放大，再经TL084后级放大后，输出T1是0-5V直流电压信号。
图4是基于嵌入式CAN总线网关12的pH值监控示意图。第一种方式，图中智能pH测控装置与CAN总线网关12通过CAN总线11相连，远程监控计算机13通过以太网与CAN总线网关12相连，这样便形成了远程监控计算机13对智能pH测控装置的远程监控和管理。嵌入式CAN总线网关12采用集成了CAN总线控制器的ARM7处理器LPC2292、以太网接口芯片RTL8019AS等构成了嵌入式网关的硬件平台。在这个平台上移植了源代码免费、公开的嵌入式实时操作系统μC/OS-II，简化并移植了TCP/IP协议栈，开发了CAN总线11和以太网驱动程序，并在此基础上开发了嵌入式CGI(Common Gateway Interface)程序，实现嵌入式Web服务器。这样远程计算机13通过IE浏览器便能实现对CAN总线网关12的访问。CAN总线网关12有着良好的人机界面，通过用户确认，设置好CAN总线11上各智能pH测控装置参数后，便进入pH测控仪的参数显示界面，实时显示CAN总线11上各智能pH测控装置检测的现场参数，实现对现场智能pH测控装置的远程监控和管理。另一种方式，利用ARM7处理器LPC2292内部集成的UART实现RS-232串行通信，串行通信程序作为嵌入式实时操作系统μC/OS-II中多任务中的一个任务来实现，利用嵌入式实时操作系统μC/OS-II提供的功能函数协调各任务运行，使得现场监控计算机通过嵌入式网关12实现对CAN总线网络上各智能pH测控装置的监控和管理。
本发明通过在嵌入式网关内嵌入TCP/IP协议栈实现以太网与CAN总线11之间的信息交互，信息交互采用嵌入式Web服务器的方式，以此为接口实现两种异构网络之间的互联，即实现CAN总线11和以太网之间的互联，通过以太网实现了对工业现场底层网络的远程监控。此外，该网关还支持RS-232串行通信接口15，通过串口通信线连接到现场监控计算机，通过监控计算机13的监控画面便可监控CAN总线11网络各个节点的工作情况。这是一种距离相对比较近的监控现场CAN总线11上各智能pH测控装置的运行情况的方式，和前面的CAN总线11与以太网远程监控方式结合起来，本发明同时具备有近距离和远程监控CAN总线11网络上智能pH测控装置的运行情况的功能。
本装置的工作过程为：
1.pH传感器和温度传感器检测实际值，经过调理电路2放大和滤波处理输入到单片机的A/D转换模块3的输入端，通过A/D转换3的输入通道处理，将A/D转换3后的pH值进行标定和温度补偿，得到pH的测量值。
2.远程监控计算机13通过IE浏览器访问嵌入式CAN总线网关12的嵌入式Web服务器，嵌入式CAN总线网关12通过CAN总线11访问智能pH测控装置，请求智能pH测控装置检测的实时数据，请求到的数据再通过CAN总线11返送到CAN总线网关12，通过嵌入式CAN总线网关12的Web服务器的网页经以太网传送至远程监控计算机13的IE浏览器显示。同时，远程监控计算机13通过IE浏览器显示的页面，依次经以太网、经嵌入式CAN总线网关12、经CAN总线11给智能pH测控装置下达控制指令，控制电磁阀9动作，调节检测对象的酸碱度，达到对现场测控仪器的监控的目的。
3.通过现场监控计算机与嵌入式CAN总线网关12通信，在现场监控计算机上监控智能pH测控装置的运行情况，还可以通过现场监控计算机的监控界面通过RS-232，通过CAN总线网关12，通过CAN总线11给智能pH测控装置下达控制指令，控制电磁阀9动作，调节检测对象的酸碱度，从达到对现场测控仪器的监控的目的。
4.每台智能pH测控装置根据远程监控计算机13发送的参数给定值，或根据测控装置的LCD显示器4的人机界面，通过测控装置的键盘就地设置参数的给定值，与传感器1测量的参数实际值分别比较，得到误差信号，经过相应的智能控制算法运算后，输出多参数控制信号。
5.每台智能pH测控装置输出参数控制信号。给被测控对象的相应执行元件，如酸碱度(pH值)的控制信号是脉宽调制PWM信号，传给酸或碱溶液罐输出的电磁阀9，使被测控对象中的酸碱度(pH值)实时地跟踪给定值。

Claims (4)

1.一种基于CAN总线网关的pH值测控装置，包括将pH值测控传感器(1)、信号调理电路(2)和模拟数字A/D转换模块(3)顺序连接到微处理器(6)，电磁阀(9)通过数字模拟D/A转换模块(8)与微处理器(6)相连接，其特征是：微处理器(6)的输出连接CAN控制器(5)的输入，CAN控制器(5)的输出端连接到CAN总线通信接口(10)，将CAN总线通信接口(10)挂到CAN总线(11)上，嵌入式CAN总线网关(12)与CAN总线(11)相连，嵌入式CAN总线网关(12)与远程监控计算机(13)之间采用以太网通信接口(14)连接通信。
2.根据权利要求1所述的基于CAN总线网关的pH值测控装置，其特征是：所述嵌入式CAN总线网关(12)同时连接支持以太网通信接口(14)和RS-232通信接口(15)，每台测控装置带有一个CAN总线通信接口(10)。
3.根据权利要求1所述的基于CAN总线网关的pH值测控装置，其特征是：微处理器(6)还连接显示器(4)和键盘(7)。
4.一种基于CAN总线网关的pH值测控方法，其特征是依次包括如下步骤：
①将pH值传感器(1)检测的实际值，经过调理电路(2)放大和滤波处理输入到A/D转换模块(3)输入通道处理，将转换后的pH值进行标定和补偿，得到pH的测量值；
②远程监控计算机(13)通过IE浏览器访问嵌入式CAN总线网关(12)的嵌入式Web服务器，嵌入式CAN总线网关(12)通过CAN总线(11)访问pH测控装置，请求pH测控装置检测的实时数据，请求到的数据再通过CAN总线(11)返送到CAN总线网关(12)，通过嵌入式CAN总线网关(12)Web服务器的网页经以太网传送至远程监控计算机(13)IE浏览器显示，同时远程监控计算机(13)通过IE浏览器显示页面，依序经以太网通信接口(14)、嵌入式CAN总线网关(12)和CAN总线(11)给pH测控装置下达控制指令，控制电磁阀(9)动作，调节检测对象的酸碱度；
③每台pH测控装置根据远程监控计算机(13)发送的参数给定值，或根据测控装置的显示的人机界面，通过测控装置的键盘(7)就地设置参数的给定值，与传感器(1)测量的参数实际值分别比较，得到误差信号，经控制算法运算后，输出多参数控制信号；
④每台pH测控装置输出参数控制信号，传给电磁阀(9)，使被测控对象中的pH值实时地跟踪给定值。
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