专利名称：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。
技术背景常用的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 C認总线网关和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。
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IO、 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S0C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l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l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进行髙阻 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Rxll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 一5V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MC/OS-n，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ll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ll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MC/0S-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MC/0S-I1 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CAI、 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l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P^l信号，传给酸或碱溶液罐输出的电磁阔9，使被测控对象中的酸碱度(PH值)实时地跟踪给定值。
权利要求
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l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C緒 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l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。
全文摘要
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。
文档编号C13B20/00GK101271337SQ20081002326
公开日2008年9月24日 申请日期2008年4月3日 优先权日2008年4月3日
发明者刘一颖, 刘星桥, 曾疏楠, 云 秦, 程明慧 申请人:江苏大学