CN103543243A - 一种基于can总线的水质监测仪器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于CAN总线的水质监测仪器，由主控模块和若干子模块组成；主控模块与子模块通过CAN总线通信连接；主控模块与子模块之间的通信通过任务指令、状态指令、特征参数设置和查询指令三类指令完成。该水质监测仪器一改现有水质监测仪器系统构架式设计架构，采用CAN总线实现主控模块与各个独立功能子模块之间的指令通信，各个模块采用统一的总线协议进行通信设计。这样，为水质监测仪器的设计提供了一种统一的、开放式的平台，从而提高仪器设计的灵活性，方便对仪器进行维修升级，从而得以适应市场对水质监测仪器的需求越来越趋向于定制化和柔性化的趋势。

Description

一种基于CAN总线的水质监测仪器

技术领域

本发明涉及水质监测技术领域，特别是一种基于CAN总线的水质监测仪器。

背景技术

我国自改革开放以来，经济高速、稳步、持续增长，取得了举世瞩目的成就。与之相伴，环境保护的压力也逐年加大，污染总体仍处于一个较高的水平。以水环境为例，目前，中国的水资源面临着严重污染的威胁，工业废水和城乡生活污水向江河湖海以及土壤中大量排放，使得地面水和地下水水质日趋恶化，更加剧了水资源的紧张状况，严重的制约了经济的发展，危害了人类的健康。因此，目前对环境在线监测仪器和设备也提出了一系列新的要求，这些要求主要表现为:

1.对仪器精度和功能的要求越来越高，在保证在线仪器稳定运行的前提下，要求不断降低成本和小型化，以满足有关部门大量布设的需要。

2.用户对环境在线监测仪器在数据处理、显示及通讯传输上也有了新要求：不仅要求具有强大的数据存储和处理能力，更要满足“远程反控”、“远程维护”和“一点多传”等各种网络通信和数据传输的要求，同时，还必须具有更为美观、友好的用户操作界面。

3.市场对水质监测仪器的需求越来越趋向于定制化和柔性化：中国水质的多样性（泥沙、盐碱、藻类）决定了水质监测仪器原理的多样性，针对不同的水质特点和监测指标，需要采用针对性的预处理和分析检测方法。例如，在对水质COD的检测中，对于藻类生物或泥沙含量大的水样，采用滴定法可靠性好；对于较清洁的水样，采用光度法检测精度较高；对于COD值低于10的清洁地表水，应采用COD_Mn（高锰酸盐指数）检测方法；当用户要求实时监测，且对准确性要求不高时，则可以采用基于UV法的在线分析仪器。

传统的环境在线监测仪器通常采用非模块化的系统构架设计，即一台设备通常只有一个控制单元，该单元负责直接控制所有子模块的流程操作，以及随后的数据处理、显示和传输。

这种集成式的仪器架构使得控制单元既要进行仪器的信号采集和流程控制，又要负责数据处理、显示和传输等诸多功能，因此，仪器的软件、硬件开发成本高，且不易实现复杂的操作和功能。

另一方面，由于客户不断变化的需求使得市场对环境在线监测仪器的需求越来越趋向于定制化、柔性化，企业必须开发一套齐全的产品系列来满足客户不断变化的差异性需求。同时，由于环境在线监测仪器本身批量一般较小，无法通过规模量产来分摊过高的研发费用，因此传统的仪器架构已经不能满足这种定制化、柔性化的要求。

如美国哈希的CODmax铬法在线监测仪，该仪器网络采用标准的MODBUS协议的RTU工作模式，而且需要加一个网卡与现场总线进行衔接、通讯和控制，增加了通讯传输结构的复杂程度和成本；该分析仪与现场总线的连接是通过RS485接口完成，采用RS485四线制运行模式，实现了双向通讯和远程控制，提高了数据传输的速度，但是增加了通讯电缆的成本，并且不能兼容多种通讯协议，不能满足“一点多传”的各种网络通信和数据传输的要求。

目前，市场迫切需要一种既具有高性能，高扩展性，又能够通过批量化、标准化和通用化来降低产品成本、提高产品质量、并对客户需求迅速做出响应的新的环境在线检测仪器构架体系。

发明内容

本发明的主要目的在于解决现有技术中存在的问题，提供一种基于CAN总线的水质监测仪器。

本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的：

一种基于CAN总线的水质监测仪器，其特征在于：由主控模块和若干子模块组成；所述主控模块与子模块通过CAN总线通信连接；

所述主控模块，用于控制各个子模块进行工作；

所述子模块，用于实现对水样的监测功能；

所述主控模块与子模块之间的通信通过任务指令、状态指令、特征参数设置和查询指令三类指令完成；

所述任务指令，用于由主控模块向子模块下达任务控制指令，以控制子模块完成相应工作；

所述状态指令，用于获取子模块当前状态信息；

所述特征参数设置和查询指令，用于设置或查询子模块的特征参数。

所述若干子模块包括：采样留样模块、进样计量模块、消解控制模块和/或标定测量模块；

所述采样留样模块，用于采集水源，并保存水样；

所述进样计量模块，用于定量量取水样；

所述消解控制模块，用于对水样进行消解处理；

所述标定测量模块，用于对水样进行指标性测试。

所述任务指令包括有返回数据任务指令；所述有返回数据任务指令通信过程包括：

主控模块向子模块发送任务控制指令；

子模块向主控模块返回任务应答指令；所述任务应答指令中包括：任务控制指令确收信息和任务控制指令校验信息；

子模块响应任务控制指令进行相应任务作业，并向主控模块返回监测数据；

主控模块接收所述返回的监测数据，并向子模块返回数据接收应答指令。

所述任务指令包括无返回数据任务指令；所述无返回数据任务指令通信过程包括：

主控模块向子模块发送任务控制指令；

子模块向主控模块返回任务应答指令；所述任务应答指令中包括：任务控制指令确收信息和任务控制指令校验信息；

子模块响应任务控制指令进行相应任务作业。

所述状态指令包括主控模块查询子模块状态指令；所述主控模块查询子模块状态指令通信过程包括：

主控模块向子模块发送状态查询指令；所述状态查询应答指令中包括有所要查询的状态信息；

子模块向主控模块返回状态查询应答指令；所述状态查询应答指令中包括：状态查询应答指令确收信息和状态查询应答指令校验信息；

子模块响应状态查询应答指令向主控模块返回相关状态参数信息；

主控模块接收所述返回的状态参数信息，并向子模块返回状态信息接收应答指令。

所述状态指令包括子模块主动上传状态指令；所述子模块主动上传状态指令通信过程包括：

当子模块检测到异常状态时，子模块向主控模块上传异常状态信息指令；所述异常状态信息指令中至少包括：该子模块的模块ID信息和异常状态信息；

主控模块接收所述异常状态信息指令，并向子模块返回状态信息接收应答指令。

所述特征参数设置和查询指令包括特征参数设置指令；所述特征参数设置指令通信过程包括：

主控模块向子模块发送特征参数设置指令；所述特征参数设置指令中包括有所要设置的特征参数信息；

子模块响应特征参数设置指令进行特征参数设置；

子模块向主控模块返回参数设置应答指令；所述参数设置应答指令中包括：特征参数设置结果信息。

所述特征参数设置和查询指令包括特征参数查询指令；所述特征参数查询指令通信过程包括：

主控模块向子模块发送特征参数查询指令；所述特征参数查询指令中包括有所要查询的特征参数信息；

子模块响应特征参数查询指令向主控模块返回相关特征参数信息；

主控模块接收所述返回的特征参数信息，并向子模块返回特征参数信息接收应答指令。

所述水质监测仪器设置有初始化过程，包括：

主控模块向所有子模块发出特征参数查询指令，以查询各个子模块的设备号；

每个子模块响应该特征参数查询指令，向主控模块返回其各自的设备号；

主控模块接收所述子模块返回的设备号，并判断是否有新的子模块插入；如果有新的子模块被插入，则主控模块分配给该子模块一个模块ID；

主控模块向该子模块发送特征参数设置指令；所述特征参数设置指令中包括有该子模块的模块ID信息；

子模块响应特征参数设置指令，将该模块ID信息设置于本地源地址；

子模块向主控模块返回参数设置应答指令。

通过本发明实施例，该水质监测仪器采用CAN总线实现主控模块与各个独立功能子模块之间的指令通信，各个模块采用统一的总线协议进行通信设计，提供了一种统一的、开放式的平台，从而提高仪器设计的灵活性，方便对仪器进行维修升级。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1为基于CAN总线的水质监测仪器的基本结构图；

图2为有返回数据任务指令流程图；

图3为无返回数据任务指令流程图；

图4为主控模块查询子模块状态指令流程图；

图5为子模块主动上传状态指令流程图；

图6为特征参数设置指令流程图；

图7为特征参数查询指令流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

针对上述现有水质检测仪器所存在的问题，本发明设计基于CAN总线构建一种基于统一的总线协议进行通信的水质监测仪器平台，各种功能模块通过统一的总线连接进行数据交互，使得仪器的组成更为灵活、方便。

图1为基于CAN总线的水质监测仪器的基本结构图。如图所示，所述基于CAN总线的水质监测仪器由主控模块和若干子模块组成。该主控模块与子模块通过CAN总线通信连接。

所述主控模块，用于控制各个子模块进行工作。

所述子模块，用于实现对水样的监测功能。各个子模块分别用于实现特定功能的水质监测工作。通常，该子模块可以包括：采样留样模块、进样计量模块、消解控制模块和标定测量等模块。所述采样留样模块，用于采集水源，并保存水样。所述进样计量模块，用于定量量取水样。所述消解控制模块，用于对水样进行消解处理。所述标定测量等模块，用于对水样进行指标性测试，获得测试指标结果。通过上述各个子模块分别完成水质监测中的各个环节，最终实现对水质的监测。

所述主控模块与子模块之间的通信通过任务指令、状态指令、特征参数设置和查询指令三类指令完成。

所述任务指令，用于由主控模块向子模块下达任务控制指令，以控制子模块完成相应工作。

所述状态指令，用于获取子模块当前状态信息。

所述特征参数设置和查询指令，用于设置或查询子模块的特征参数。

由于，CAN总线中各个节点具有平等的地位，均可接收总线上传输的指令。为减少软件复杂度，避免指令误传，该水质监测仪器所传输指令中包含有模块ID信息。各个模块（包括主控模块和子模块）进接收与本模块ID信息相符的指令信息。

通过上述设计，本发明提供了一种基于CAN总线的水质监测仪器，该水质监测仪器一改现有水质监测仪器系统构架式设计架构，采用CAN总线实现主控模块与各个独立功能子模块之间的指令通信，各个模块采用统一的总线协议进行通信设计。这样，为水质监测仪器的设计提供了一种统一的、开放式的平台，从而提高仪器设计的灵活性，方便对仪器进行维修升级，从而得以适应市场对水质监测仪器的需求越来越趋向于定制化和柔性化的趋势。

另外，由于该水质监测仪器采用CAN总线进行通信连接，借助CAN总线本身的较强的抗干扰能力等特点，可以实现硬件滤波功能，从而减少了软件滤波的设计成本。

其中，所述任务指令又可以分为有返回数据任务指令和无返回数据任务指令。

图2为有返回数据任务指令流程图。如图所示，该有返回数据任务指令通信过程包括：

主控模块向子模块发送任务控制指令；

子模块向主控模块返回任务应答指令；所述任务应答指令中可以包括：任务控制指令确收信息和任务控制指令校验信息。所述任务控制指令确收信息，用于确认所述任务控制指令已被接收。所述任务控制指令校验信息，用于校验该任务控制指令是否正常，如该指令是否正确，是否能被执行等。

子模块响应任务控制指令进行相应任务作业，并向主控模块返回监测数据；

主控模块接收所述返回的监测数据，并向子模块返回数据接收应答指令，以确认监测数据已被正确接收。

上述有返回数据任务指令主要针对水质监测仪器中，水样指标性数据测试等作业任务所设计，以控制子模块完成对水样指标性数据进行测量。

图3为无返回数据任务指令流程图。如图所示，该无返回数据任务指令通信过程包括：

主控模块向子模块发送任务控制指令；

子模块向主控模块返回任务应答指令；所述任务应答指令中可以包括：任务控制指令确收信息和任务控制指令校验信息。

子模块响应任务控制指令进行相应任务作业。

该无返回数据任务指令相较于前述有返回数据任务指令主要少了数据返回步骤。该无返回数据任务指令主要针对子模块一些无需获取数据的作业任务所设计，如开阀、关阀、开泵、关泵等。

其中，所述状态指令又可以分为主控模块查询子模块状态指令和子模块主动上传状态指令。

图4为主控模块查询子模块状态指令流程图。如图所示，该主控模块查询子模块状态指令通信过程包括：

主控模块向子模块发送状态查询指令；所述状态查询应答指令中包括有所要查询的状态信息。

子模块向主控模块返回状态查询应答指令；所述状态查询应答指令中可以包括：状态查询应答指令确收信息和状态查询应答指令校验信息。所述状态查询应答指令确收信息，用于确认所述状态查询应答指令已被接收。所述状态查询应答指令校验信息，用于校验该状态查询应答指令是否正常，如该指令是否正确，是否能被执行等。

子模块响应状态查询应答指令向主控模块返回相关状态参数信息；

主控模块接收所述返回的状态参数信息，并向子模块返回状态信息接收应答指令，以确认状态参数信息已被正确接收。

上述主控模块查询子模块状态指令主要针对水质监测仪器中，主控模块需要获取子模块的当前状态的任务，通过该获取的状态参数信息以决定下一步如何操作。

图5为子模块主动上传状态指令流程图。如图所示，该子模块主动上传状态指令通信过程包括：

当子模块检测到异常状态时，子模块向主控模块上传异常状态信息指令；所述异常状态信息指令中至少包括：该子模块的模块ID信息和异常状态信息；

主控模块接收所述异常状态信息指令，并向子模块返回状态信息接收应答指令，以确认状态参数信息已被正确接收。

上述子模块主动上传状态指令主要针对水质监测仪器中，当子模块运行过程中出现异常状况时（如取试剂时试剂瓶空，计算时参数错误等），及时上传这些异常状态，或者报警，通知主控模块，为主控模块的下一步操作提供依据。

其中，所述特征参数设置和查询指令又可以分为特征参数设置指令和特征参数查询指令。

图6为特征参数设置指令流程图。如图所示，该特征参数设置指令通信过程包括：

主控模块向子模块发送特征参数设置指令；所述特征参数设置指令中包括有所要设置的特征参数信息；

子模块响应特征参数设置指令进行特征参数设置；

子模块向主控模块返回参数设置应答指令；所述参数设置应答指令中可以包括：特征参数设置结果信息（如参数正确设置成功，参数错误丢弃等）。

上述特征参数设置指令主要针对水质监测仪器中，主控模块需要对子模块的特征参数进行主动控制、设置的情况。

图7为特征参数查询指令流程图。如图所示，该特征参数查询指令通信过程包括：

主控模块向子模块发送特征参数查询指令；所述特征参数查询指令中包括有所要查询的特征参数信息；

子模块响应特征参数查询指令向主控模块返回相关特征参数信息；

主控模块接收所述返回的特征参数信息，并向子模块返回特征参数信息接收应答指令，以确认特征参数信息已被正确接收。

上述特征参数查询指令主要针对水质监测仪器中，主控模块需要对子模块本身的特征参数（如子模块的设备号）进行查询的情况。

基于上述CAN总线协议下的水质监测仪器模块结构，以及相应的指令集设计，该水质监测仪器可以实现很多现有水质监测仪器所无法实现的功能。下面仅以一个实施例进行举例，以说明本发明所设计水质监测仪器在实用中与现有技术的区别。

每个子模块在出厂时都有一个唯一的设备号，在水质监测仪器上电启动后的初始化过程中，包括如下流程：

主控模块向所有子模块发出特征参数查询指令，以查询各个子模块的设备号；所述设备号为子模块的一种特征参数；

每个子模块响应该特征参数查询指令，向主控模块返回其各自的设备号；

主控模块接收所述子模块返回的设备号，并与已有的设备号列表进行比较，判断是否有新的子模块插入；如果有新的子模块被插入，则主控模块根据该子模块的种类及插入模块的先后顺序动态的分配给该子模块一个模块ID；

主控模块向该子模块发送特征参数设置指令；所述特征参数设置指令中包括有该子模块的模块ID信息；

子模块响应特征参数设置指令，将该模块ID信息设置于本地源地址；

子模块向主控模块返回参数设置应答指令，以确认参数设置成功。

通过上述方案，本发明所设计的水质监测仪器实现了子模块的即插即用功能，这在现有水质监测仪器中是无法实现的。通过该即插即用功能，用户可以根据现场的水质特点、检测精度和成本要求，通过对这些模块的选用和科学组合，定制出符合用户需求、性价比最高的水质在线检测仪器。用户也可以通过更换软件和组件来更改仪器的检测指标和量程。可见，该水质监测仪器提供给用户极大地配置灵活性，具有很大的实用意义。

综上所述，本发明提供了一种基于CAN总线的水质监测仪器。该水质监测仪器一改现有水质监测仪器系统构架式设计架构，采用CAN总线实现主控模块与各个独立功能子模块之间的指令通信，各个模块采用统一的总线协议进行通信设计。这样，为水质监测仪器的设计提供了一种统一的、开放式的平台，从而提高仪器设计的灵活性，方便对仪器进行维修升级，从而得以适应市场对水质监测仪器的需求越来越趋向于定制化和柔性化的趋势。本领域技术人员在此设计思想之下所做任何不具有创造性的改造，均应视为在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于CAN总线的水质监测仪器，其特征在于：由主控模块和若干子模块组成；所述主控模块与子模块通过CAN总线通信连接；

所述主控模块，用于控制各个子模块进行工作；

所述子模块，用于实现对水样的监测功能；

所述主控模块与子模块之间的通信通过任务指令、状态指令、特征参数设置和查询指令三类指令完成；

所述任务指令，用于由主控模块向子模块下达任务控制指令，以控制子模块完成相应工作；

所述状态指令，用于获取子模块当前状态信息；

所述特征参数设置和查询指令，用于设置或查询子模块的特征参数。

2.如权利要求1所述的基于CAN总线的水质监测仪器，其特征在于：所述若干子模块包括：采样留样模块、进样计量模块、消解控制模块和/或标定测量模块；

所述采样留样模块，用于采集水源，并保存水样；

所述进样计量模块，用于定量量取水样；

所述消解控制模块，用于对水样进行消解处理；

所述标定测量模块，用于对水样进行指标性测试。

3.如权利要求1所述的基于CAN总线的水质监测仪器，其特征在于：所述任务指令包括有返回数据任务指令；所述有返回数据任务指令通信过程包括：

主控模块向子模块发送任务控制指令；

子模块向主控模块返回任务应答指令；所述任务应答指令中包括：任务控制指令确收信息和任务控制指令校验信息；

子模块响应任务控制指令进行相应任务作业，并向主控模块返回监测数据；

主控模块接收所述返回的监测数据，并向子模块返回数据接收应答指令。

4.如权利要求1所述的基于CAN总线的水质监测仪器，其特征在于：所述任务指令包括无返回数据任务指令；所述无返回数据任务指令通信过程包括：

主控模块向子模块发送任务控制指令；

子模块向主控模块返回任务应答指令；所述任务应答指令中包括：任务控制指令确收信息和任务控制指令校验信息；

子模块响应任务控制指令进行相应任务作业。

5.如权利要求1所述的基于CAN总线的水质监测仪器，其特征在于：所述状态指令包括主控模块查询子模块状态指令；所述主控模块查询子模块状态指令通信过程包括：

主控模块向子模块发送状态查询指令；所述状态查询应答指令中包括有所要查询的状态信息；

子模块向主控模块返回状态查询应答指令；所述状态查询应答指令中包括：状态查询应答指令确收信息和状态查询应答指令校验信息；

子模块响应状态查询应答指令向主控模块返回相关状态参数信息；

主控模块接收所述返回的状态参数信息，并向子模块返回状态信息接收应答指令。

6.如权利要求1所述的基于CAN总线的水质监测仪器，其特征在于：所述状态指令包括子模块主动上传状态指令；所述子模块主动上传状态指令通信过程包括：

当子模块检测到异常状态时，子模块向主控模块上传异常状态信息指令；所述异常状态信息指令中至少包括：该子模块的模块ID信息和异常状态信息；

主控模块接收所述异常状态信息指令，并向子模块返回状态信息接收应答指令。

7.如权利要求1所述的基于CAN总线的水质监测仪器，其特征在于：所述特征参数设置和查询指令包括特征参数设置指令；所述特征参数设置指令通信过程包括：

主控模块向子模块发送特征参数设置指令；所述特征参数设置指令中包括有所要设置的特征参数信息；

子模块响应特征参数设置指令进行特征参数设置；

子模块向主控模块返回参数设置应答指令；所述参数设置应答指令中包括：特征参数设置结果信息。

8.如权利要求1所述的基于CAN总线的水质监测仪器，其特征在于：所述特征参数设置和查询指令包括特征参数查询指令；所述特征参数查询指令通信过程包括：

主控模块向子模块发送特征参数查询指令；所述特征参数查询指令中包括有所要查询的特征参数信息；

子模块响应特征参数查询指令向主控模块返回相关特征参数信息；

主控模块接收所述返回的特征参数信息，并向子模块返回特征参数信息接收应答指令。

9.如权利要求1、7或8所述的基于CAN总线的水质监测仪器，其特征在于：所述水质监测仪器设置有初始化过程，包括：

主控模块向所有子模块发出特征参数查询指令，以查询各个子模块的设备号；

每个子模块响应该特征参数查询指令，向主控模块返回其各自的设备号；

主控模块接收所述子模块返回的设备号，并判断是否有新的子模块插入；如果有新的子模块被插入，则主控模块分配给该子模块一个模块ID；

主控模块向该子模块发送特征参数设置指令；所述特征参数设置指令中包括有该子模块的模块ID信息；

子模块响应特征参数设置指令，将该模块ID信息设置于本地源地址；

子模块向主控模块返回参数设置应答指令。

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