信息類開放共享儀器設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置研制

崔家瑞， 許 震， 李 擎， 金仁東， 柯紅巖， 李希勝

（北京科技大學(xué)a.自動(dòng)化學(xué)院；b.資產(chǎn)管理處，北京100083）

0 引 言

2015 年1 月26 日，國(guó)務(wù)院發(fā)布了《國(guó)務(wù)院關(guān)于國(guó)家重大科研基礎(chǔ)設(shè)施和大型科研儀器向社會(huì)開放的意見》（國(guó)發(fā)〔2014〕70 號(hào)）［1］，要求：用3 年時(shí)間，基本建成覆蓋各類科研設(shè)施與儀器、統(tǒng)一規(guī)范、功能強(qiáng)大的專業(yè)化、網(wǎng)絡(luò)化管理服務(wù)體系，科研設(shè)施與儀器開放共享制度、標(biāo)準(zhǔn)和機(jī)制更加健全。

近幾年各高校進(jìn)行了大型儀器開放共享平臺(tái)的建設(shè)，并取得了一系列的成績(jī)［2-5］。我校在大型儀器開放共享方面也取得了一系列成果［6-9］，并在此基礎(chǔ)上，依托“北京市高等教育學(xué)會(huì)技術(shù)物資研究分會(huì)學(xué)術(shù)研究課題”，針對(duì)作為高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主體設(shè)備——信息類實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備，探索了信息類設(shè)備開放共享新模式，形成了信息類設(shè)備基本管理制度，建立了信息類設(shè)備的新運(yùn)行機(jī)制［10］。

目前信息類實(shí)驗(yàn)室管理還處在手工記錄的階段，信息化水平低，使用者每次使用設(shè)備前都要填寫一系列重復(fù)信息，對(duì)于大量的使用記錄，管理人員也難以分析統(tǒng)計(jì)。為了能更好地統(tǒng)計(jì)信息類設(shè)備運(yùn)行狀況，研制了信息類開放共享儀器設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置，該系統(tǒng)可以有效降低管理人員的工作量，提高管理效率。

1 監(jiān)測(cè)裝置總體方案設(shè)計(jì)

針對(duì)信息類實(shí)驗(yàn)設(shè)備具有數(shù)量龐大、功能多樣、放置分散、模塊化、定制性等特點(diǎn)，系統(tǒng)采用由上位機(jī)、集中器和監(jiān)測(cè)裝置組成的三級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)的整體架構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)的整體架構(gòu)圖

由于儀器設(shè)備分布在不同的實(shí)驗(yàn)樓、實(shí)驗(yàn)室，因此，在監(jiān)測(cè)裝置中采用了電力線載波通信技術(shù)［11-12］。該技術(shù)以其便捷性、穩(wěn)定性和快速性已經(jīng)被運(yùn)用于遠(yuǎn)程抄表、遠(yuǎn)程路燈監(jiān)控等系統(tǒng)，與有線信號(hào)傳輸方式相比，具有成本低、無須二次布線；與無線信號(hào)傳輸方式相比，具有不需中繼器、不受物理空間限制等優(yōu)點(diǎn)。

監(jiān)測(cè)裝置是整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源也是系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，主要有兩個(gè)功能，①對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制和狀態(tài)查詢，②將數(shù)據(jù)發(fā)送到集中器。該部分包含微控制器、計(jì)量模塊、RS-485 通信模塊和載波通信模塊，微控制器通過電力線載波接收集中器指令，并通過RS-485 與計(jì)量模塊通信，實(shí)現(xiàn)查詢和控制功能，最后再將計(jì)量模塊返回的數(shù)據(jù)上傳至集中器。硬件框圖如圖2 所示。

監(jiān)測(cè)裝置硬件采用模塊化設(shè)計(jì)，以微控制器為核心，控制電能計(jì)量模塊采集設(shè)備用電信息、控制載波模塊與集中器通信、控制繼電器模塊完成對(duì)設(shè)備電源的打開與關(guān)斷；微控制器采用ST公司的32 位Cortex-M3微控制器STM32F103。隔離模塊用于保護(hù)微控制器不受電力線方面的噪聲干擾，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。AC/DC電源模塊為載波通信模塊和電能計(jì)量模塊提供隔離的直流穩(wěn)壓電源，同時(shí)通過DC/DC電源模塊為微控制器和外圍電路供電。

2 監(jiān)測(cè)裝置硬件設(shè)計(jì)

2.1 最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

最小系統(tǒng)作為監(jiān)測(cè)裝置的核心，主要包括電源、時(shí)鐘和程序下載接口幾個(gè)部分。原理圖如圖3 所示。

2.2 RS-485 通信

RS-485 通信是一種工業(yè)上廣泛使用的主從通信技術(shù)，其主要特點(diǎn)是主機(jī)發(fā)送指令，從機(jī)才能響應(yīng)，主機(jī)如果不動(dòng)作，從機(jī)不能擅自動(dòng)作。該通信方式傳輸距離遠(yuǎn)，最長(zhǎng)能到10.8 km，由于其利用差分方式來傳輸信號(hào)，所以抗干擾能力也較強(qiáng)，可在噪聲大的環(huán)境下傳輸有效信號(hào)。RS-485 通信按接口類型可分為二線制和四線制，四線制只能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，故已經(jīng)很少使用，二線制是目前使用比較多的接線方式，連接時(shí)只需要分別將A 端與A 端、B 端與B 端連接在一起便可。

由于電路板上電壓信號(hào)復(fù)雜，為保證RS-485 通信的質(zhì)量，本次RS-485 通信電路分為主通信電路和隔離電路，RS-485 通信電路與處理器的串口2 進(jìn)行通信。主通信電路如圖4 所示，匹配電阻為120 Ω。

2.3 電力線載波通信

電力線載波采用北京福星曉程公司的單相載波模塊，載波中心頻率為120 kHz，帶寬15 kHz，采用DBPSK調(diào)制。載波模塊與處理器的串口1 進(jìn)行通信，根據(jù)該載波模塊的外形參數(shù)和配置要求，設(shè)計(jì)了如圖5 所示的載波通信及隔離電路。

2.4 電源設(shè)計(jì)

基準(zhǔn)電壓源模塊主要為微控制器的A/D、D/A、溫度控制模塊和恒流控制模塊提供參考電壓，原理圖見圖5。

圖3 最小系統(tǒng)原理圖

圖4 RS-485通信電路與隔離電路

圖5 電力線載波通信及隔離電路

電源模塊是電路板的基礎(chǔ)部分，如果沒有穩(wěn)定的電壓供給，電路就不能正常運(yùn)作，也無法再談系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)。考慮到電力線載波通信必須將信號(hào)耦合到220 V交流電的特殊性，所以將220 V 交流電作為電路板的輸入電源，一方面可以給電路板提供工作電壓，另一方面是為了實(shí)現(xiàn)電力線載波通信。由于220 V交流電是強(qiáng)電，既要考慮干擾還要考慮安全性，所以使用了MORNSUN 公司的電壓轉(zhuǎn)換模塊，該模塊可直接把220 V交流電輸入轉(zhuǎn)換成5 V和12 V直流輸出，整個(gè)模塊都被封裝起來，既能起到隔離作用又能保證安全。直流輸出經(jīng)過濾波、穩(wěn)壓電路后輸出質(zhì)量較高的電壓信號(hào)。電路原理圖如圖6 所示。

圖6 電源模塊電路

3 監(jiān)測(cè)裝置軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件流程設(shè)計(jì)

根據(jù)監(jiān)測(cè)裝置的主要功能，軟件上采用了有限狀態(tài)機(jī)模型［13］和模塊化編程方法。任務(wù)主要有系統(tǒng)初始化、載波通信、設(shè)備信息采集、設(shè)備電源控制、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與報(bào)警等。工作流程圖如圖7 所示。

3.2 通信協(xié)議設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)儀器設(shè)備的分布式監(jiān)測(cè)與控制，必須設(shè)計(jì)滿足特定要求的通信協(xié)議。因此，基于中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)提出的DL/T645 協(xié)議［14-15］，自定義了控制碼，既保證了對(duì)原有系統(tǒng)的兼容，又能很好地實(shí)現(xiàn)與自定義裝置的通信。具體的幀格式如表1 所示。

圖7 軟件流程圖

表1 DL/T645 協(xié)議幀格式

幀起始符68H：標(biāo)識(shí)一幀信息的開始，其值為01101000B。

地址域A0 ～A5：地址域由6 個(gè)字節(jié)組成，每字節(jié)2 位BCD碼，地址長(zhǎng)度可達(dá)12 bit 10 進(jìn)制數(shù)。每個(gè)表具有唯一的通信地址，且與物理層信道無關(guān)，當(dāng)使用的地址碼長(zhǎng)度不足6 Byte時(shí)，高位用“0”補(bǔ)足。

控制碼C：以此確定通信方向和具體的功能。部分自定義控制碼如表2 所示。

表2 部分自定義控制碼命令說明

數(shù)據(jù)域長(zhǎng)度L：L 是數(shù)據(jù)域的字節(jié)數(shù)，讀數(shù)據(jù)時(shí)L≤200，寫數(shù)據(jù)時(shí)L≤50，L ＝0 表示無數(shù)據(jù)域。

數(shù)據(jù)域DATA：數(shù)據(jù)域包括數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)、密碼、操作者代碼、數(shù)據(jù)、幀序號(hào)等，其結(jié)構(gòu)隨控制碼的功能而改變。傳輸時(shí)發(fā)送方按字節(jié)進(jìn)行加33H 處理，接收方按字節(jié)進(jìn)行減33H處理。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

該系統(tǒng)已應(yīng)用到自動(dòng)化學(xué)院的CDIO自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室的A1000 小型水箱實(shí)訓(xùn)設(shè)備，系統(tǒng)連接見圖8。

圖8 運(yùn)行統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)與設(shè)備電氣連接圖

A1000 設(shè)備電源接到節(jié)點(diǎn)的輸出電源插座、節(jié)點(diǎn)和智能網(wǎng)關(guān)接入到同一插排中。由LabVIEW 上位機(jī)對(duì)監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行功能測(cè)試。監(jiān)測(cè)裝置登錄到上位機(jī)界面如圖9（a）所示。點(diǎn)擊采集數(shù)據(jù)按鈕，可得到當(dāng)前運(yùn)行設(shè)備的相關(guān)信息，如電壓、電流、功率以及耗電量。測(cè)試結(jié)果如圖9（b）所示。

5 結(jié) 論

根據(jù)我校自動(dòng)化學(xué)院信息類實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了開放共享儀器設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置，并在現(xiàn)有儀器設(shè)備上進(jìn)行了功能驗(yàn)證。該監(jiān)測(cè)裝置可以準(zhǔn)確記錄儀器設(shè)備的電壓、電流、功率、電量、開、關(guān)等運(yùn)行狀態(tài)信息，并上傳至服務(wù)器。該裝置的研制成功一方面為高校信息類設(shè)備開放共享效果評(píng)價(jià)提供了必要的數(shù)據(jù)支撐。減輕了實(shí)驗(yàn)室管理人員進(jìn)行設(shè)備日志記錄的工作量和設(shè)備運(yùn)行日志的維護(hù)工作量。

該裝置是北京市高等教育學(xué)會(huì)技術(shù)物資研究分會(huì)學(xué)術(shù)研究課題的部分成果。下一步，將進(jìn)一步完善裝置的可靠性和穩(wěn)定性，進(jìn)行裝置的工程化設(shè)計(jì)，并在自動(dòng)化學(xué)院的CDIO自動(dòng)化實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)室和電力電子及電機(jī)拖動(dòng)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行示范應(yīng)用。

圖9 A1000實(shí)訓(xùn)設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能測(cè)試