基于PIC32MX795的小型無線物位監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

湛 釗，趙曉軍，周希思

(河北大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，河北 保定 071000)

基于PIC32MX795的小型無線物位監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

湛 釗，趙曉軍，周希思

(河北大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，河北 保定 071000)

采用無線組網(wǎng)技術(shù)開發(fā)了一種小型的物位監(jiān)測系統(tǒng)。以PIC32MX795F512L單片機為核心，運用6.8 G雷達(dá)物位計對物位進(jìn)行測量，通過SI4432數(shù)傳模塊將數(shù)據(jù)信息傳回，在應(yīng)用Labview編寫的平臺軟件上進(jìn)行處理、顯示與儲存，實現(xiàn)對儲罐中液體、漿料物位信息的實時監(jiān)測。實驗驗證，整套系統(tǒng)簡便、廉價、可靠，可滿足小型廠房內(nèi)物位監(jiān)測的需求。

PIC32MX795；無線組網(wǎng)技術(shù)；物位監(jiān)測；SI4432數(shù)傳模塊；Labview

0 引言

目前，在實際的工業(yè)現(xiàn)場，大多應(yīng)用工業(yè)總線進(jìn)行廠房監(jiān)控，但是其成本高昂。對于需求廉價物位監(jiān)測信息的中小企業(yè)來說，更傾向于選擇一種成本低廉、能夠完成簡單功能的高性價比小型監(jiān)測系統(tǒng)。針對需求，本文利用無線組網(wǎng)技術(shù)，采用SI4432數(shù)傳模塊，設(shè)計了小型無線物位監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)應(yīng)用穩(wěn)定的PIC32MX795F512L單片機為核心，可以很好地適應(yīng)各種工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，方便可靠地完成對于物位的監(jiān)測工作。平臺軟件應(yīng)用Labview編寫，可以直接搭載于公司應(yīng)用的裝有Windows操作系統(tǒng)的計算機上。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

小型無線物位監(jiān)測系統(tǒng)包括終端硬件平臺和上位機軟件平臺兩部分，系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，由一個數(shù)據(jù)中心搭配多個采集終端構(gòu)成整個系統(tǒng)。數(shù)據(jù)中心與終端之間的通信通過搭建的二級無線局域數(shù)字網(wǎng)絡(luò)完成。終端負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，存儲并上傳給數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)中心負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)信息實時顯示，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類存儲；如遇意外情況，通信終端恢復(fù)后可調(diào)取終端所存儲歷史數(shù)據(jù)。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

2 終端硬件設(shè)計

2.1 終端硬件結(jié)構(gòu)

物位計終端以PIC32MX795F512L單片機為核心，總體框架如圖2所示，由PIC控制處理模塊、電源模塊、SI4432數(shù)傳模塊、手動地址設(shè)置器、時鐘模塊、EEPROM、SD卡、ADS1256與物位傳感器組成的測量模塊以及環(huán)境采集模塊構(gòu)成。PIC控制處理模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理以及各個模塊之間的調(diào)度；電源模塊為整個終端設(shè)備提供相應(yīng)電壓；測量模塊負(fù)責(zé)采集儲罐里的物位信息；SD卡用來存儲終端采集到的歷史數(shù)據(jù)；EEPROM負(fù)責(zé)存儲終端初始化過程中所需要的所有參數(shù)信息；時鐘模塊用來確定終端工作的實時時鐘；地址設(shè)置器用來設(shè)置系統(tǒng)中每個終端獨有的ID地址；環(huán)境采集模塊可以采集終端工作地點的環(huán)境參數(shù)；SI4432數(shù)傳模塊負(fù)責(zé)將采集到的數(shù)據(jù)傳回軟件平臺。

圖2 硬件設(shè)計框圖

2.2 主要模塊硬件選型

2.2.1 PIC控制處理模塊

PIC控制處理模塊與各個模塊之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，對接收數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和存儲是整個終端的核心部分。設(shè)計中采用PIC32MX795F512L處理器。PIC32MX795F512L是MICROCHIP公司新推出的MIPS32?M4K?內(nèi)核的32位單片機。該款單片機具有超低功耗的特性，具有一系列能在工作時顯著降低功耗的功能，主要包含動態(tài)時鐘切換、休眠模式工作、基于指令的節(jié)能模式等[1-3]；此外集成的兩組各32 個32位內(nèi)核文件寄存器可極大地減少中斷延時。

2.2.2 SI4432數(shù)傳模塊

SI4432是Silicon Labs公司新近推出的一款高度集成、低功耗、多頻段的EZRadioPRO 系列無線收發(fā)芯片。SI4432 所具有的+20 dB的功率放大器( 它是目前唯一集成此功放的 Wa 芯片) 能夠確保擴(kuò)大通信范圍和改進(jìn)鏈路性能，它獨有的支持頻率跳變、TX/RX轉(zhuǎn)換控制和內(nèi)置天線分集轉(zhuǎn)換控制功能能夠進(jìn)一步擴(kuò)大通信距離、提高通信性能，素有“距離之王，穿墻之王”之稱[4-5]。SI4432數(shù)傳模塊還具有多個信道，防止多個模塊之間的相互干擾，提高其在無線組網(wǎng)過程中的通信穩(wěn)定性。

2.2.3 測量模塊

測量模塊由ADS1256與雷達(dá)物位計組成。ADS1256是由TI公司生產(chǎn)的工業(yè)級高精度串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可以提供23位的高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換，而且還擁有30 kS/s的高采樣速率，適用于科學(xué)儀器、工業(yè)工藝控制、醫(yī)療設(shè)備等工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域[6]。雷達(dá)物位計選用北京必達(dá)拓普科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的6.8 G雷達(dá)物位計。該款產(chǎn)品采用先進(jìn)的非接觸測量方式，可測量液體、固體介質(zhì)的物位，DC24 V供電，測量范圍為0～20 m，分辨率為1 mm，輸出信號為4～20 mA，最高過程溫度可達(dá)250℃。

3 軟件設(shè)計

3.1 自定義傳輸協(xié)議數(shù)據(jù)包

圖3 數(shù)據(jù)包格式

系統(tǒng)采用自定義的傳輸協(xié)議數(shù)據(jù)包進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。數(shù)據(jù)包格式如圖3所示，數(shù)據(jù)包大小為30 B，包頭2 B，包尾2 B，終端地址1 B，數(shù)據(jù)/指令部分24 B。包頭為十六進(jìn)制數(shù)0xFE、0xFD；包尾為十六進(jìn)制數(shù)0x0D、0x0A；終端地址為十六進(jìn)制數(shù)0x00～0xFF之間的一個數(shù)。數(shù)據(jù)/指令部分，當(dāng)為數(shù)據(jù)時是字符串，前4 B為物位計傳出的電壓值，之后14 B為時間數(shù)據(jù)，之后2 B為12 V供電電源電壓，再后4 B為現(xiàn)場溫度，最后1 B為采樣間隔(僅在設(shè)定或查詢時應(yīng)用)；當(dāng)為指令時是十六進(jìn)制數(shù)，只應(yīng)用第一字節(jié)，其他字節(jié)不計。

3.2 采集終端程序設(shè)計

3.2.1 設(shè)備參數(shù)初始化

圖4 初始化流程圖

采集終端初上電后，進(jìn)行程序的初始化。在這個過程中，首先檢驗?zāi)K能否正常工作，調(diào)出EEPROM中的設(shè)備參數(shù)；初始化緩存數(shù)組，并向發(fā)送緩存數(shù)組中寫入包頭和包尾；然后，讀取終端的設(shè)備地址編號寫入發(fā)送數(shù)組相應(yīng)位置；向數(shù)據(jù)中心發(fā)送通信驗證包，等待回復(fù)，當(dāng)接收到允許通信的指令后，向數(shù)據(jù)中心發(fā)送終端正常工作信號，進(jìn)入工作狀態(tài)，初始化結(jié)束。初始化流程圖如圖4所示。

3.2.2 終端正常采集程序設(shè)計

圖5 終端正常采集程序流程圖

終端采集程序流程圖如圖5所示，先讀取采集數(shù)據(jù)，判別是否要保存所讀取數(shù)據(jù)。正常工作時，要設(shè)定兩次保存數(shù)據(jù)的時間間隔，當(dāng)時間間隔到時后數(shù)據(jù)保存標(biāo)志位置1，開始向下運行程序，否則標(biāo)志位為0，循環(huán)等待，每保存一次數(shù)據(jù)標(biāo)志位都會置0。之后，將讀取的數(shù)據(jù)存入發(fā)送數(shù)組，并讀取出供電電壓值和環(huán)境溫度值，將時鐘芯片確定的采樣時間添加到發(fā)送數(shù)組。把發(fā)送數(shù)組里的數(shù)據(jù)部分存到SD卡中，同時將發(fā)送數(shù)組發(fā)送給數(shù)據(jù)中心，等待數(shù)據(jù)中心的返回指令。這里設(shè)定的發(fā)送等待時間為20 ms，20 ms內(nèi)發(fā)送成功則向下進(jìn)行；若超出20 ms，則重新發(fā)送一遍數(shù)據(jù)，如此循環(huán)。如果循環(huán)3次都未發(fā)送成功，則認(rèn)為此時網(wǎng)絡(luò)通信不暢，取消發(fā)送，重新初始化，等待下一次采集。值得關(guān)注的是，在每次讀取采集數(shù)據(jù)后都會進(jìn)行一次閾值比較，閾值所代表的是測量物位的高限值與低限值，只要采集到的數(shù)據(jù)在閾值范圍內(nèi)，就說明物位正常，可以按照正常的時間間隔來監(jiān)測數(shù)據(jù)；如果采集到的數(shù)據(jù)超出閾值范圍，則說明物位異常，這時要將數(shù)據(jù)保存標(biāo)志位置1，及時上報物位的動態(tài)信息，以便及時處理發(fā)生的狀況。

3.2.3 采集終端接收指令程序設(shè)計

圖6 終端中斷程序流程圖

終端接收指令程序流程圖如圖6所示。工作時，采集終端會隨時等待接收數(shù)據(jù)中心發(fā)送來的指令中斷。中斷程序中，首先判斷接收到的包頭以及地址信息是否正確，若不正確則退出中斷，若正確則向下運行。將數(shù)據(jù)包中的指令提取出來進(jìn)行查詢判別，控制指令選項包括查詢終端時鐘芯片運行時間、查詢采樣間隔、查詢當(dāng)前采集值、上調(diào)時間段內(nèi)的歷史記錄、校正時鐘芯片時間、設(shè)置采樣間隔、設(shè)置緊急上報上下閾值等。指令設(shè)置的相關(guān)參數(shù)不僅會保存到RAM的相關(guān)位置，也會存儲到外部的EEPROM中，以保證下電重啟后設(shè)備的正常運行。

3.3 數(shù)據(jù)中心軟件平臺設(shè)計

圖7 實時監(jiān)測界面程序結(jié)構(gòu)框圖

軟件平臺主體上分為兩個部分，一部分為實時監(jiān)測界面，另一部分為歷史數(shù)據(jù)查詢顯示界面。實時監(jiān)測界面主要負(fù)責(zé)對于現(xiàn)場各個終端采集的物位信息的實時處理以及動態(tài)顯示，以直觀地表現(xiàn)出各個儲罐中的物位狀況。程序結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示，終端傳輸回來的數(shù)據(jù)通過串口接入平臺。根據(jù)地址信息找到相應(yīng)的終端控件，將采集時間、采樣間隔、電源電壓、環(huán)境溫度、物位信息分別裝入，即可直觀地顯示出對應(yīng)信息。欲控制終端修改或查詢信息時也是通過串口將指令數(shù)據(jù)包發(fā)送出去。平臺接收到的數(shù)據(jù)信息也會按規(guī)則添加到報表中。

歷史數(shù)據(jù)查詢顯示界面主要負(fù)責(zé)將實時監(jiān)測界面生成的列表文件中的數(shù)據(jù)根據(jù)時間軸x、物位信息軸y的規(guī)則顯示出各個終端的曲線圖，用來觀察儲罐內(nèi)物位的長時間變化趨勢。

4 結(jié)論

本文介紹的系統(tǒng)可以實現(xiàn)中小廠房內(nèi)的無線物位監(jiān)測，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，設(shè)備維護(hù)便捷，在中小型企業(yè)里具有很強的實用價值。

[1] 王晨輝,孟慶佳．基于PIC32和ZigBee的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2014,40(2):68-70.

[2] 張立,王松亭,曾艷麗．基于PIC32MX795的高壓開關(guān)運行狀態(tài)在線監(jiān)測儀的研制[J].儀表技術(shù)與傳感器,2011(11):43-47.

[3] 李誠,孫曼,陳慶旭．基于PIC32MX的嵌入式GUI移植與應(yīng)用[J]. 電視技術(shù), 2013，37(11)：94-97.

[4] 高仁璟,劉國新,唐禎安. 基于 Si4432 的無線射頻遙控系統(tǒng)設(shè)計[J].通信技術(shù)，2010，43(10):137-139.

[5]李正民,王建輝,劉偉偉．基于Si4432的無線射頻通信模塊的設(shè)計與實現(xiàn)[J].測控技術(shù),2012，10(4):40-43.

[6] 徐盛有,蒙建波,陳青洪. 高精度ADS1256轉(zhuǎn)換器及其在捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)中的運用[J]. 自動化與儀器儀表， 2006(2)：31-33.

Design of small wireless material level monitoring system based on PIC32MX795

Zhan Zhao， Zhao Xiaojun， Zhou Xisi

(School of Electronic Information Engineering,Hebei University, Baoding 071000, China)

This paper developed a kind of small material level monitoring system by using wireless networking technology. It took PIC32MX795F512L microcontroller as MCU, and used 6.8 G radar material level gauge for level measurement. The data is returned by SI4432 data transmission module, and is processed, displayed and storied on the software platform which is written by Labview. It acheiued to monitor the material level information of liquid or slurry in the tank in real time. It is proved by experiment that the entire system is simple, cheap and reliable, and can meet the monitoring requirements of material level measurement in the small factory.

PIC32MX795；wireless networking technology; material level monitoring; SI4432 data transfer module; Labview

TP274.2

A

1674-7720(2016)02-0025-03

湛釗，趙曉軍，周希思. 基于PIC32MX795的小型無線物位監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計[J] .微型機與應(yīng)用，2016,35(2)：25-27,34.

2015-10-16)

湛釗(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向：自動化監(jiān)測技術(shù)。

趙曉軍(1967-)，男，博士，教授，主要研究方向：物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)、智能機器人。

周希思(1990-)，女，碩士研究生，主要研究方向：自動化控制技術(shù)。