2 智能監(jiān)控儀的硬件設(shè)計
　　為了提高智能監(jiān)控儀的可靠性和性價比，選用Philips公司的P87C591作為微型控制器。P87C591自帶CAN總線控制器，不占用微處理器的端口資源，大大簡化了接口電路的設(shè)計，減少了程序的復(fù)雜程度，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
2.1 CAN通信模塊
　　CAN總線通信接口電路主要由P87C591的片內(nèi)CAN驅(qū)動器SJA1000、光電耦合器6N137、CAN收發(fā)器PCA82C250組成。PCA82C250芯片具有高速穩(wěn)定的差動發(fā)送和接收能力。為了提高抗干擾能力，CAN驅(qū)動器和收發(fā)器之間的光電隔離電路采用了雙路隔離電源模塊供電^[2]。CAN通信接口電路如圖2所示。

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2.2 信號采集模塊
　　該模塊用來檢測電機的運行狀態(tài)，包括鉑電阻溫度傳感器、電流互感器、電極式液位傳感器。分別用來檢測電機三相定子的溫度、三相主電流和電泵腔內(nèi)的水位，可以有效地監(jiān)測潛水電泵的過流、過熱、缺相、短路、滲漏等異?，F(xiàn)象。
　　電流互感器選用武漢華意電子有限公司的HYH-SK-7電量傳感器，其輸入為0～100A，輸出為0～5V信號，可以直接與微型控制器P87C591模擬信號輸入端口相連；電極式液位開關(guān)輸出的是開關(guān)量信號，經(jīng)過光電隔離后與P87C591的數(shù)字量輸入口相連即可；溫度傳感器選用鉑電阻PT100，為了消除長線誤差和提高測量精度，采用的是4線制基于比率法的測溫接口電路；為了實現(xiàn)測量三相定子溫度的目的，采用了基于ICL7109和模擬開關(guān)4051的改進(jìn)型測溫電路^[3]，其原理如圖3所示。

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2.3 電機控制模塊
?　微處理器判斷電機定子溫度、電流、液位中的任一項值超出正常值范圍時，都會通過過零觸發(fā)型交流固態(tài)繼電器(SSR）觸發(fā)相應(yīng)的異常處理電路，使電機得到保護(hù)。
2.4 參數(shù)設(shè)置模塊
?　報警電流、報警溫度、停機電流、停機溫度、監(jiān)控儀地址、波特率等信息通過參數(shù)設(shè)置模塊存儲于基于X25045[4]的E2PROM中，實現(xiàn)監(jiān)控儀工作參數(shù)的現(xiàn)場設(shè)定。下次使用時，所有參數(shù)從X25045芯片中直接讀出，而無需用戶再次輸入這些參數(shù)，使監(jiān)控儀具有掉電保護(hù)功能。
2.5　狀態(tài)顯示模塊
　　采用工業(yè)上常用的七段數(shù)碼管（LED）實時顯示電機運行過程中定子的溫度和電流值。共有9個共陽極數(shù)碼管。正常模式下顯示三路溫度，設(shè)置模式下，顯示停機溫度、報警溫度和CAN網(wǎng)絡(luò)站號。與液晶顯示器(LCD)相比，具有抗干擾能力強、成本低、亮度高等特點。CD4094是帶三態(tài)鎖存功能的8位移位寄存器。P87C591的串行口工作在方式0下，TXD為CD4094提供位移時鐘，RXD輸出顯示數(shù)據(jù)，P1.7控制是否允許CD4094輸出并行數(shù)據(jù)。
3 智能監(jiān)控儀的軟件設(shè)計
　　智能監(jiān)控儀的軟件設(shè)計與硬件設(shè)計相一致，也遵循模塊化的設(shè)計原則，這使控制軟件具有易讀、易擴(kuò)展和易維護(hù)的優(yōu)點。通過單片機C51語言編寫相應(yīng)的軟件模塊實現(xiàn)智能監(jiān)控儀的各項功能。軟件的各個功能模塊之間通過入口和出口參數(shù)相互聯(lián)系，組合靈活方便，減少了調(diào)試時間，縮短了開發(fā)周期。智能監(jiān)控儀的軟件結(jié)構(gòu)流程如圖4所示。

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3.1 數(shù)據(jù)采集" title="數(shù)據(jù)采集">數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計
　　數(shù)據(jù)采集程序處理由傳感器組件采集到的現(xiàn)場信號，包括：定子工作溫度、定子工作電流、電泵腔內(nèi)的水位。液位信號為開關(guān)量，處理相對簡單；溫度和電流為模擬量信號，處理方法基本一致，所以只討論溫度信號的處理方法。溫度信號采集采用中斷的方式實現(xiàn)，其程序流程如圖5所示。

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　　為了提高抗干擾能力，提高采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在A/D數(shù)據(jù)采樣中輔以一階慣性濾波法[5]實現(xiàn)軟件數(shù)字濾波，把干擾降低到最低程度，使監(jiān)控儀運行更加準(zhǔn)確、可靠，提高整體穩(wěn)定性。
3.2 通信程序設(shè)計
　　智能監(jiān)控儀的通信采用CAN總線2.0A協(xié)議^[6]，通信模塊的軟件主要由初始化子程序" title="子程序">子程序、報文接收子程序、報文發(fā)送子程序三部分組成。其中初始化子程序是實現(xiàn)CAN總線通信的關(guān)鍵，它主要完成CAN控制器工作方式的選擇，即對系統(tǒng)中的CAN控制器控制段中的寄存器進(jìn)行設(shè)置。初始化過程是在CAN控制器復(fù)位模式下完成的[7]，通信程序的初始化流程如圖6(a)所示。

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　　智能監(jiān)控儀與計算機之間的數(shù)據(jù)交換是通過發(fā)送程序和接收程序?qū)崿F(xiàn)的。報文發(fā)送時只需將電機狀態(tài)數(shù)據(jù)送入SJA1000的發(fā)送緩沖區(qū)中，然后啟動請求發(fā)送。報文發(fā)送子程序流程如圖6(b)所示，監(jiān)控節(jié)點采用定時中斷的方式主動向監(jiān)控計算機發(fā)送數(shù)據(jù)。這是利用了CAN總線可以采用多主機方式通信的特點。由于實時監(jiān)控功能是由各個控制節(jié)點完成，而監(jiān)控計算機主要起到管理功能，所以采用了定時上傳數(shù)據(jù)的方法，而沒有實時上傳所有傳感器采集到的數(shù)據(jù)，從而減輕了總線負(fù)擔(dān)。正在等待的報文會從存儲器復(fù)制到發(fā)送緩沖器后，置位命令寄存器TR標(biāo)志產(chǎn)生發(fā)送請求，發(fā)送過程由SJA1000獨立完成。基于SJA1000的報文接收有兩種方式：中斷方式和查詢方式。為了保證接收報文的準(zhǔn)確性，選擇實時性較高的中斷方式。在中斷方式下，如果SJA1000已接收一個報文，并且報文已通過驗收濾波器并放在接收FIFO，則會產(chǎn)生一個接收中斷，通知微處理器有報文已經(jīng)接收。報文接收子程序流程如圖6(c)所示，接收緩沖區(qū)用來存放CAN總線上發(fā)來的數(shù)據(jù)，CPU讀取數(shù)據(jù)后接收緩沖區(qū)將被清空，等待接收新的數(shù)據(jù)。
4 測試實驗
4.1 數(shù)據(jù)采集實驗
　　數(shù)據(jù)采集實驗包括溫度采集與顯示、電流采集與顯示、液位檢測與顯示三個部分。溫度采集實驗的目的是為鉑電阻的非線性校正提供實測數(shù)據(jù)和檢測顯示電路的工作狀況。非線性校正可以用硬件、軟件兩種校正方法。本文采用軟件方法對鉑電阻進(jìn)行非線性校正，不但節(jié)省了大量的硬件開支，使測量電路簡單，而且精度也可以大大提高。由于鉑電阻-溫度曲線的曲率和斜率的變化都較小，所以采用了等距離分段的“線性插值法”實現(xiàn)鉑電阻的非線性校正。
4.2 單機測試實驗
　　單機測試實驗主要內(nèi)容有：顯示功能、參數(shù)設(shè)置功能、故障報警功能、停機功能、自啟動功能等。在現(xiàn)場進(jìn)行單機測試實驗時，出現(xiàn)了異常，每次剛剛啟動電源，控制系統(tǒng)就自動斷開電路。其原因是控制系統(tǒng)軟件中沒有考慮到電機啟動電流的問題。電機的啟動電流可以大出正常工作電流的1.5～2倍，而控制系統(tǒng)設(shè)置的“報警電流”及“停機電流”都是針對正常工作狀態(tài)的，所以電機啟動時，系統(tǒng)認(rèn)為已經(jīng)達(dá)到了“停機電流”，便斷開了電路。為此修改了軟件程序，在電流值從0變化到非0后的10秒鐘內(nèi)不發(fā)出控制指令，可以避開啟動電流。
4.3 聯(lián)網(wǎng)測試實驗
　　聯(lián)網(wǎng)測試實驗的主要內(nèi)容有：(1)上位機" title="上位機">上位機顯示各個監(jiān)控儀的工作情況。(2)上位機廣播設(shè)置所有監(jiān)控儀的工作參數(shù)，以及設(shè)置某個具體監(jiān)控儀的工作參數(shù)。(3)對于工作過程中新加入或退出的泵站，上位機系統(tǒng)可以自動檢測到。(4)上位機可以把當(dāng)天的工作情況記錄到一個日志文件中。(5)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性。聯(lián)網(wǎng)測試的網(wǎng)絡(luò)組建如圖7所示。

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　　本文設(shè)計了具有CAN總線通信接口的潛水電泵智能監(jiān)控儀，經(jīng)過現(xiàn)場測試實驗，能夠?qū)崟r顯示潛水電機的工作溫度和定子電流；可以對潛水電機運行過程中出現(xiàn)的過流、過熱、短路、滲漏情況做出處理，對電機起到了保護(hù)作用；現(xiàn)場智能監(jiān)控儀與上位監(jiān)控計算機之間的數(shù)據(jù)通信穩(wěn)定可靠，監(jiān)控計算機實時顯示潛水電泵的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，并以數(shù)據(jù)文件的形式保存，便于查詢；可以通過參數(shù)設(shè)置模塊現(xiàn)場修改智能監(jiān)控儀的參數(shù)。實驗結(jié)果表明，該監(jiān)控儀具有適用性和可靠性，開發(fā)過程中所提出的技術(shù)方案和實現(xiàn)方法可以在溫控控制系統(tǒng)及分布式監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計中推廣應(yīng)用。