基于CAN 的能源微藻培養(yǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)*

郭 威，蔡 強，* ，張延軍，徐勤利，王金輝

（1.杭州電子科技大學電子信息學院，杭州310018;2.浙江清華長三角研究院，浙江 嘉興314006）

隨著化石燃料的日趨枯竭，生物能源被認為是未來重要能源之一。微藻合成的油脂是一種極有前景的生物柴油大宗原料，微藻生物柴油產(chǎn)業(yè)化技術(shù)開發(fā)已成為近年來國內(nèi)外生物能源領(lǐng)域和CO2減排領(lǐng)域的研究熱點［1］，其中，高效培養(yǎng)能源微藻是生物柴油產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)之一。能源微藻高效培養(yǎng)裝置主要由生物反應(yīng)器和監(jiān)控系統(tǒng)兩部分組成。對于能源微藻培養(yǎng)過程來說，需要監(jiān)測的參數(shù)主要有溫度、酸堿度(pH)、溶解氧(DO)和光照強度，通過監(jiān)測能源微藻生長過程當中參數(shù)的變化，保存實驗過程數(shù)據(jù)進行分析，不斷改進實驗條件，為中試放大研究提供依據(jù)。

CAN(Controller Area Network)總線是一種支持分布式和實時控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)［2］。CAN 總線與以往控制總線相比有如下特點:它是一種多主總線，即每個節(jié)點均可成為主節(jié)點，且從節(jié)點之間也可互相通信;通信速率可達1 Mbit/s;CAN 總線通信接口中集成了CAN 協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對通信數(shù)據(jù)的成幀處理;CAN 協(xié)議的最大特點是廢除了傳統(tǒng)的節(jié)點地址編碼，而代之以對通信數(shù)據(jù)塊進行編碼。采用這種方法的優(yōu)點可使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點個數(shù)在理論上不受限制，數(shù)據(jù)塊的標識符可由11 位或29 位二進制數(shù)組成，因此可以定義211個或229 個不同的數(shù)據(jù)塊，這種根據(jù)數(shù)據(jù)塊編碼的方式，還可使不同的節(jié)點同時接收到相同的數(shù)據(jù)，這一點對大規(guī)模分布式控制系統(tǒng)尤為重要。

1 系統(tǒng)介紹

能源微藻培養(yǎng)監(jiān)控系統(tǒng)主要由采集從節(jié)點、控制從節(jié)點、CAN232MB 智能協(xié)議轉(zhuǎn)換器、監(jiān)控主機和遠程計算機七部分組成，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。本系統(tǒng)具有監(jiān)控主機功能易于實現(xiàn)、功能可擴展和運行穩(wěn)定等特點，系統(tǒng)方案設(shè)計流程:監(jiān)控主機以工控機為核心，監(jiān)控界面采用北京亞控科技發(fā)展有限公司的組態(tài)王Kingview6.53 來設(shè)計，在組態(tài)王Kingview6.53 中定義莫迪康串口設(shè)備作為主節(jié)點設(shè)備，采用ModbusRTU 通訊協(xié)議與各現(xiàn)場從節(jié)點之間通信。設(shè)計中使用CAN232MB 智能協(xié)議轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)串口側(cè)和CAN 側(cè)之間ModbusRTU 協(xié)議的雙向轉(zhuǎn)換［3］。監(jiān)控主機主要負責現(xiàn)場傳感器數(shù)據(jù)的實時顯示，將數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫和實驗流程組態(tài)，作為Web 服務(wù)器實現(xiàn)現(xiàn)場情況的Web 發(fā)布功能。采集從節(jié)點和控制從節(jié)點以意法半導體公司的STM32F107 為核心MCU來進行硬件電路設(shè)計［4］。采集從節(jié)點主要完成監(jiān)測傳感器的信號調(diào)理、轉(zhuǎn)換和儲存等任務(wù)，通過CAN 通信接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互?？刂茝墓?jié)點的主要任務(wù)是時刻監(jiān)聽主機發(fā)送過來的控制命令，根據(jù)控制命令的具體要求來完成現(xiàn)場蠕動泵和球閥的啟停操作和控制蠕動泵的轉(zhuǎn)速，達到實驗流程組態(tài)的目的。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件部分主要由現(xiàn)場傳感器信號提取電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、功率驅(qū)動電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路和CAN 通信電路五部分組成。

2.1 信號提取電路設(shè)計

本系統(tǒng)中采用PT100、pH 傳感器、DO 傳感器和照度傳感器對能源微藻培養(yǎng)環(huán)境進行實時監(jiān)測。PT100 的信號提取電路采用文氏電橋，將鉑電阻阻值的變化轉(zhuǎn)換成差分電壓信號的變化，后級使用OP07 對差分信號進行放大處理。pH 傳感器采用離子選擇性的玻璃復(fù)合電極，電極本身阻值高為108Ω ～109Ω，輸出信號為毫伏級信號，在實驗過程中，由于pH 的動態(tài)變化比較緩慢，采取對輸入信號進行一階RC 濾波處理。為了減小傳感器內(nèi)阻對測量精度的影響，采用輸入阻抗大于1012Ω 的ICL7621 來設(shè)計pH 傳感器的信號調(diào)理電路。本設(shè)計中采用基于Clark 原理的極譜型溶解氧電極［5］，極譜型的溶解氧電極需要在陰陽電極之間加0.7 V的極化電壓，極化電壓可以通過穩(wěn)壓管穩(wěn)壓和電位器調(diào)壓的方式提供給溶解氧電極，電極輸出為納安級信號，微電流信號提取電路采用AD711 實現(xiàn)I/V轉(zhuǎn)換［6］。DO 電極微電流信號提取電路如圖2 所示。在能源微藻光自養(yǎng)過程中，光照強度對能源微藻的生長速率有直接影響，實驗室條件下，采取日光燈補光的方法來控制光照強度的變化。照度傳感器的量程為100 lux ～2 klux，對應(yīng)的輸出信號為0 ～5 V，采用集成運放OP07 來設(shè)計電壓跟隨電路。

圖2 DO 電極微電流信號提取電路

2.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

為了提高對傳感器提取信號的轉(zhuǎn)換精度，本設(shè)計中選用美國模擬器件公司的16 位逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD976［7］，轉(zhuǎn)換量程為－10 V ～+10 V，芯片外圍電路采用外部參考源連接方式，使用AD780 為AD976 提供穩(wěn)定的2.5 V 外部參考源。通過控制模擬開關(guān)MAX308 實現(xiàn)模擬信號輸入通道的循環(huán)切換，MAX308 的COM 端與AD711 構(gòu)成的電壓跟隨器連接。STM32F107 為AD976 提供R/C、CS 控制信號和讀取AD976 的BUSY 信號，AD976 的操作流程:使用R/C 和CS 控制信號來控制AD976 的轉(zhuǎn)換過程，R/C信號的下降沿將取樣/保持轉(zhuǎn)變?yōu)楸３譅顟B(tài)，在CS 信號下降沿時開始轉(zhuǎn)換，BUSY 信號變?yōu)榈?，并保持到轉(zhuǎn)換完成，BUSY 信號上升沿時將輸出數(shù)據(jù)鎖存到輸出寄存器中，數(shù)據(jù)有效。當R/C 為高時，CS 下降沿輸出數(shù)據(jù)。STM32F107 讀取數(shù)字量輸入引腳電平狀態(tài)和進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理。

2.3 功率驅(qū)動電路設(shè)計

為了滿足監(jiān)控系統(tǒng)的流程控制功能可擴展的要求，設(shè)計了16 路泵閥功率驅(qū)動電路。1 路功率驅(qū)動的實現(xiàn)方法:如圖3 所示，當GPIO 引腳輸出為高電平時，三極管S8050 導通，驅(qū)動光電耦合器TLP521打開，后級NPN 型功率達林頓管TIP142 導通，執(zhí)行器接入供電電壓回路開始工作;當GPIO 引腳輸出為低電平時，供電回路斷開，執(zhí)行器停止工作，由于執(zhí)行器大多為電感型器件，上電工作時會產(chǎn)生反電動勢，采用二極管IN4007 可以起到續(xù)流保護作用。

圖3 功率驅(qū)動電路

2.4 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

本系統(tǒng)采用高精度蠕動泵、球閥等執(zhí)行器來實現(xiàn)實驗流程的控制。在控制流程中，需要為4 個蠕動泵提供0 ～5 V 的電壓信號來控制轉(zhuǎn)速。本設(shè)計中采用了TI 公司的12 位并行輸入的4 通道D/A 轉(zhuǎn)換器DAC7724［8］，內(nèi)部帶有雙緩沖區(qū)的邏輯電路，可以同時更新4 個通道的數(shù)據(jù)，另外，其回讀電路可以讀取內(nèi)部寄存器的內(nèi)容。各內(nèi)部寄存器均為電平觸發(fā)，可由A0、A1、R/W 和CS 四個信號來控制。當R/和為低電平時，可以向輸入寄存器寫數(shù)據(jù)，由A0 和A1 決定寫入哪組數(shù)據(jù)。DAC 寄存器隨輸入寄存器的更新而更新。當為低電平時，各通道都輸出相應(yīng)的電壓，當為高電平時，各通道的輸入數(shù)據(jù)被鎖存在DAC 寄存器中。因此，通過控制A0、A1、R/和，使為高電平來依次修改四通道數(shù)據(jù)，然后再使LDAC 為低電平，完成四通道的輸出，各通道的輸出電壓公式為:

其中:VREFL與模擬地連接。VREFH為正參考電壓，由REF02 提供5 V 精準參考源，N 為微控制器輸出的二進制數(shù)，N 的取值范圍為0 ～4096。

2.5 CAN 通信電路設(shè)計

CAN 通信電路由STM32F107 的片內(nèi)CAN 控制器和通用CAN 收發(fā)模塊CTM8251 組成。CAN 收發(fā)模塊CTM8251 實現(xiàn)了CAN 控制器邏輯電平與CAN總線差分電平之間的轉(zhuǎn)換，另外CTM8251 還對CAN控制器與CAN 總線之間起到隔離作用，增強了總線各節(jié)點的抗干擾能力，確保了通信的可靠性。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件部分設(shè)計主要由采集從節(jié)點軟件設(shè)計、控制從節(jié)點軟件設(shè)計和監(jiān)控主機軟件設(shè)計三部分組成。采集從節(jié)點和控制從節(jié)點程序在Keil uvision4 開發(fā)環(huán)境下采用C 語言［9］編寫。監(jiān)控主機軟件采用KingView 6.53 版本的組態(tài)軟件開發(fā)。以下對各部分軟件設(shè)計進行詳細闡述。

3.1 采集從節(jié)點軟件設(shè)計

采集從節(jié)點程序流程為:系統(tǒng)初始化后，進入主循環(huán)中，啟動片外AD976 操作，連續(xù)16 次轉(zhuǎn)換第1路外部模擬信號，將轉(zhuǎn)換結(jié)果存入數(shù)組并對數(shù)據(jù)進行加權(quán)平均濾波處理后保存在AD 寄存器中，然后切換到下一路模擬信號輸入通道進行處理。接下來，等待監(jiān)控主機發(fā)送給本節(jié)點的請求命令，收到請求命令后利用CAN 控制器的過濾機制判斷是否為發(fā)給本節(jié)點的請求命令，若不是本節(jié)點命令幀，放棄本幀;是則觸發(fā)CAN 接收中斷，進入接收中斷程序接收存儲并解析出功能碼，當功能碼為0x03 時，設(shè)置相應(yīng)的標志位為1，表示請求傳感器數(shù)據(jù)，根據(jù)寄存器的起始地址和長度信息，讀取對應(yīng)的AD 寄存器和組裝響應(yīng)幀通過CAN 通信電路發(fā)送給主機。采集從節(jié)點程序流程圖如圖4 所示。

圖4 采集從節(jié)點程序流程圖

3.2 控制從節(jié)點軟件設(shè)計

控制從節(jié)點程序流程與采集從節(jié)點程序流程類似，系統(tǒng)初始化后，進入主循環(huán)，等待命令幀，收到命令后利用CAN 控制器的硬件過濾機制，判斷是否為發(fā)給本站的命令幀，是的話，進入CAN 接收中斷，存儲收到的命令幀并解析出功能碼，設(shè)置相應(yīng)的標志位。通過判斷標志位來執(zhí)行相關(guān)動作，當功能碼為0x0F 時，表示控制泵閥的啟停狀態(tài)信息，將啟停狀態(tài)信息保存到開關(guān)量寄存器中，當功能碼為0x10時，表示控制蠕動泵的轉(zhuǎn)速信息，將轉(zhuǎn)速信息保存到DA 寄存器中。組裝相應(yīng)的響應(yīng)幀發(fā)送給監(jiān)控主機，然后根據(jù)保存的寄存器的值，執(zhí)行蠕動泵和閥的啟停動作，控制蠕動泵的轉(zhuǎn)速?？刂茝墓?jié)點程序流程圖如圖5 所示。

圖5 控制從節(jié)點程序流程圖

3.3 監(jiān)控主機軟件設(shè)計

主監(jiān)控界面采用組態(tài)王6.53 來設(shè)計［10］。在組態(tài)王工程瀏覽器的設(shè)備選項中添加ModbusRTU 設(shè)備作為主站設(shè)備，在數(shù)據(jù)字典中定義系統(tǒng)組態(tài)過程中所需要的IO 變量、內(nèi)存變量和設(shè)置相應(yīng)的寄存器值，來實現(xiàn)ModbusRTU 通訊協(xié)議中讀1 路或多路開關(guān)量輸出(功能碼01)、寫多路開關(guān)量輸出(功能碼0F)、讀多路寄存器(功能碼03)和寫多路寄存器(功能碼10)四種功能［11］。在組態(tài)王SQL 訪問管理器中創(chuàng)建表格模板，定義時間、溫度、pH、DO 和關(guān)照強度5 個字段;創(chuàng)建記錄體，定義記錄體字段與表格模板中的字段對應(yīng)，選擇相應(yīng)的組態(tài)王變量與記錄體中的字段對應(yīng);建立ODBC 數(shù)據(jù)源，在命令語言中執(zhí)行SQLConnect()和SQLInsertt()函數(shù)，可以建立與MS Access 數(shù)據(jù)庫的連接和數(shù)據(jù)存儲。利用組態(tài)王的Web 功能實現(xiàn)畫面發(fā)布和數(shù)據(jù)發(fā)布功能，為遠程主機提供實時的現(xiàn)場信息。通過編寫應(yīng)用程序命令語言、數(shù)據(jù)改變命令語言和事件命令語言等完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、顯示和存儲，實驗流程組態(tài)等功能［12］。

4 系統(tǒng)調(diào)試

在實驗室調(diào)試過程中，監(jiān)控主機在組態(tài)王6.53 運行環(huán)境下，主機設(shè)備為ModbusRTU 串口設(shè)備，串口參數(shù)設(shè)置為:波特率為9 600 bit/s，8 位數(shù)據(jù)位，1 位校驗位(偶校驗)和1 位停止位。通過CAN232MB 協(xié)議轉(zhuǎn)換器與現(xiàn)場采集從節(jié)點和控制從節(jié)點連接。設(shè)置協(xié)議轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換模式為Modbus 協(xié)議雙向轉(zhuǎn)換方式，CAN 端波特率設(shè)置為250 kbit/s。設(shè)置完成，啟動組態(tài)王運行系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)界面如圖6 所示。在組態(tài)王運行系統(tǒng)中，主機每隔1 s 向采集從節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)請求命令，當按下實驗流程的按鈕時，執(zhí)行發(fā)送相關(guān)的控制命令。監(jiān)控界面實現(xiàn)了現(xiàn)場傳感器數(shù)據(jù)的實時曲線顯示、實驗流程控制、數(shù)據(jù)庫存儲和Web 發(fā)布功能。在實驗過程中，該系統(tǒng)可以長時間正常運行。

圖6 能源微藻培養(yǎng)監(jiān)控系統(tǒng)界面

5 結(jié)論

本文設(shè)計了一種基于CAN 總線的能源微藻培養(yǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，硬件部分選用STM32F107 作為控制器構(gòu)建從節(jié)點，監(jiān)控主機功能采用組態(tài)王6.53 來設(shè)計，開發(fā)了數(shù)據(jù)的實時曲線顯示、實驗流程控制、數(shù)據(jù)庫存儲和現(xiàn)場情況的Web 發(fā)布功能。本系統(tǒng)具有通信可靠性高、實時性高和功能可擴展性等特點，很好的滿足了能源微藻培養(yǎng)過程中參數(shù)的實時監(jiān)測和實驗操作流程的控制功能的要求。

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