大型儀器設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

付清林， 杜玉杰， 劉 浩， 張 勉， 田秀兵

(濱州學(xué)院 a. 光電工程系；b. 飛行學(xué)院， 山東 濱州 256603)

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大型儀器設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

付清林a， 杜玉杰b， 劉 浩a， 張 勉a， 田秀兵a

(濱州學(xué)院 a. 光電工程系；b. 飛行學(xué)院， 山東 濱州 256603)

為了實(shí)現(xiàn)對大型儀器設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)和遠(yuǎn)程監(jiān)控，設(shè)計(jì)了一款基于MSP430單片機(jī)的大型儀器設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)采用MSP430單片機(jī)作為主控芯片，以電流互感器采集電流信號，通過單片機(jī)自帶的A/D轉(zhuǎn)換對信號進(jìn)行處理，利用DS1302采集記錄大型儀器設(shè)備時(shí)間信息，利用DS18B20采集大型儀器設(shè)備運(yùn)行時(shí)的溫度，并存儲到AT24C02中，通過WiFi無線傳輸?shù)缴衔粰C(jī)以及通過CS8900A以太網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。經(jīng)過多次測試，該系統(tǒng)能夠滿足大型儀器設(shè)備使用機(jī)時(shí)、運(yùn)行溫度等基本設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和遠(yuǎn)程監(jiān)控。

MSP430單片機(jī)； 大型儀器設(shè)備； 運(yùn)行狀態(tài)； 監(jiān)控

0 引 言

大型儀器設(shè)備是高校實(shí)驗(yàn)室的重要資源，其配置水平在一定程度上反映的高校的科研實(shí)力和服務(wù)社會的能力[1-2]。近年來，隨著對高等教育投入的不斷加大，各高校購置了大量大型科學(xué)儀器設(shè)備，但大型儀器設(shè)備使用狀況及產(chǎn)生的效益是各個(gè)高校關(guān)心的問題，在提高大型儀器設(shè)備利用率及運(yùn)行監(jiān)控方面各高校都采取了行之有效的辦法和措施，取得了一定的成效[3-8]。本文設(shè)計(jì)了一款基于MSP430單片機(jī)的大型儀器設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對大型儀器設(shè)備基本運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和遠(yuǎn)程監(jiān)控。

1 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)以MSP430F149單片機(jī)為核心，通過電流互感器及A/D轉(zhuǎn)換電路來檢測大型儀器的工作電流，利用DS1302實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路來記錄儀器的開關(guān)機(jī)時(shí)間及運(yùn)行時(shí)間，通過AT24C02芯片來存儲信息，并通過電流是否穩(wěn)定來判斷大型儀器運(yùn)行狀態(tài)是否正常；通過DS18B20溫度檢測電路來檢測儀器運(yùn)行時(shí)的溫度；系統(tǒng)通過液晶顯示電路來顯示開關(guān)機(jī)時(shí)間、運(yùn)行時(shí)間、運(yùn)行狀態(tài)等信息；此外，該系統(tǒng)通過WiFi模塊電路及以太網(wǎng)電路來實(shí)現(xiàn)儀器狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和遠(yuǎn)程監(jiān)控。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

大型儀器設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)硬件電路主要由微處理器、電流信號采集電路、計(jì)時(shí)電路、溫度檢測電路、信息存儲電路、液晶顯示電路、以太網(wǎng)電路等組成。電流信號采集電路用來采集大型儀器設(shè)備運(yùn)行信號，溫度檢測電路對大型儀器設(shè)備運(yùn)行溫度進(jìn)行檢測，通過微處理器進(jìn)行信息處理，同時(shí)將有關(guān)信息通過液晶顯示電路進(jìn)行信息顯示，并通過以太網(wǎng)電路與局域網(wǎng)連接，實(shí)現(xiàn)對大型儀器設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2.1 微處理器選擇

該系統(tǒng)的主控芯片為MSP430F149單片機(jī)，是一款16位的單片機(jī)，外圍設(shè)備豐富，有60KB+256字節(jié)FLASH、2KB的RAM，包括基本時(shí)鐘模塊、看門狗定時(shí)器、帶3個(gè)捕獲比較寄存器和PWM輸出的16位定時(shí)器、帶7個(gè)捕獲/比較寄存器和PWM輸出的16位定時(shí)器、2個(gè)具有中斷功能的8位并行端口、4個(gè)8位并行端口、模擬比較器、12位A/D轉(zhuǎn)換器、2個(gè)串行通信接口等模塊，具有運(yùn)算能力強(qiáng)、低電壓、超低功耗、工作穩(wěn)定等特點(diǎn)。其外圍電路圖如圖2所示。

圖2 MSP430外圍電路

2.2 電流信號采集電路

本系統(tǒng)的信號采集采用微型電流互感器，微型電流互感器是一種測量用電流互感器， 變比為1 000∶1。電流互感器輸出電壓比較低，最大約1.2 V有效值，同其他電流互感器比較帶負(fù)載能力較差。互感器采用超微晶鐵芯設(shè)計(jì)，超小型的體積，很容易安裝在各種測控裝置中，性價(jià)比高是此互感器的一個(gè)特點(diǎn)。硬件電路框圖如圖3所示。

2.3 計(jì)時(shí)電路

為了對大型儀器設(shè)備每次開機(jī)運(yùn)行的時(shí)間、歷史總的運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，需要對每次開機(jī)運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)并對總運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行存儲，為了實(shí)現(xiàn)這一功能選用了DS1302時(shí)鐘芯片。DS1302時(shí)鐘芯片是一種高性能、低功耗、帶RAM的實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路，同時(shí)提供了對后備電源進(jìn)行涓細(xì)電流充電的能力，這樣即便是主控電路斷電，DS1302依然繼續(xù)工作。硬件電路框圖如圖4所示。

圖3 信號采集模塊電路圖

2.4 溫度檢測電路

DS18B20是美國DALLAS半導(dǎo)體公司繼DS1820之后最新推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器，采用單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊，測溫范圍為-55～+125 ℃,測量結(jié)果以9～12位數(shù)字量方式串行傳送, 支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上。由于DS18B20體積小，外圍電路簡單，便于安裝，每臺大型儀器設(shè)備采用多個(gè)DS18B20來采集溫度。其電路圖如圖5所示。

圖4 DS1302時(shí)鐘電路

圖5 DS18B20外圍電路

2.5 信息存儲電路

AT24C02是一個(gè)2K位串行CMOS E2PROM，內(nèi)部含有256個(gè)8位字節(jié)，CATALYST公司的先進(jìn)CMOS技術(shù)實(shí)質(zhì)上減少了器件的功耗。AT24C02有一個(gè)8字節(jié)頁寫緩沖器，該器件通過I2C總線接口進(jìn)行操作，有一個(gè)專門的寫保護(hù)功能，用存儲電路來存儲信息，方便查看。硬件電路框圖如圖6所示。

2.6 液晶顯示電路

Nokia5110是一款84×48的點(diǎn)陣LCD，可以顯示4行漢字的液晶屏，采用串行接口與主處理器進(jìn)行通信，接口信號線數(shù)量大幅度減少，包括電源和地在內(nèi)的信號線僅有9條。LCD控制器/驅(qū)動器芯片已綁定到LCD晶片上，模塊的體積很小，便于安裝。用低電壓供電，正常顯示時(shí)的工作電流在200 μA以下，且有掉電模式，其電路連接圖如圖7所示。

圖6 AT24C02模塊電路圖

圖7 Nokia5110液晶顯示模塊

2.7 以太網(wǎng)電路

為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，選用了CS8900A以太網(wǎng)芯片。CS8900A是CIRRUS LOGIC公司生產(chǎn)的低功耗、性能優(yōu)越的16位以太網(wǎng)控制器，功能強(qiáng)大符合IEEE802.3以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，并帶有ISA接口，片內(nèi)4K字節(jié)RAM適用于I/O操作模式、存儲器操作模式和DMA操作模式。通過對發(fā)送控制寄存器(TxCMD)的初始化配置，MAC能自動完成幀的沖突后重傳[9-12]，其電路圖如圖8所示。通過該電路，將大型儀器設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)傳送到局域網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了對大型儀器設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程運(yùn)行監(jiān)控。

圖8 CS8900A外圍電路

3 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)軟件流程圖

主程序流程圖如圖9所示，上電后首先對單片機(jī)、DS1302、AT24C02、Nokia5110等進(jìn)行初始化，初始化完成后，電流互感器開始采集儀器的電流信息，并由單片機(jī)對采集的電流進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。當(dāng)電流互感器剛檢測到電流時(shí)，給單片機(jī)一個(gè)中斷信號，開始計(jì)時(shí)，當(dāng)所有的電流互感器采集的信息達(dá)到穩(wěn)定即電流在一個(gè)很小范圍內(nèi)變化時(shí)，再給單片機(jī)一個(gè)中斷信號，停止計(jì)時(shí)，此段時(shí)間即為開機(jī)時(shí)間，關(guān)機(jī)時(shí)間正好相反。當(dāng)一起在運(yùn)行的過程中，有一個(gè)或幾個(gè)電流互感器檢測到的電流不正常即電流變化很大時(shí)，則發(fā)出提示報(bào)警。

圖9 主程序流程圖

3.2 上位機(jī)及局域網(wǎng)瀏覽軟件實(shí)現(xiàn)

3.2.1 上位機(jī)設(shè)計(jì)

上位機(jī)界面采用LabVIEW進(jìn)行編寫，主要是對每臺儀器的開機(jī)時(shí)間、關(guān)機(jī)時(shí)間以及每臺儀器總運(yùn)行時(shí)間及運(yùn)行溫度進(jìn)行顯示，并自動生成Word表格進(jìn)行記錄[13]。當(dāng)儀器出現(xiàn)異常時(shí)，上位機(jī)還會提示報(bào)警。

3.2.2 局域網(wǎng)監(jiān)控設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

局域網(wǎng)瀏覽監(jiān)控是通過C語言編程，用一個(gè)交換機(jī)來連接電腦和CS8900A，對以太網(wǎng)開發(fā)板的IP、子網(wǎng)掩碼、網(wǎng)關(guān)設(shè)置等進(jìn)行修改，修改后在web網(wǎng)頁中輸入網(wǎng)址就可以進(jìn)行信息瀏覽，在網(wǎng)頁中實(shí)現(xiàn)對每臺儀器的開機(jī)時(shí)間、關(guān)機(jī)時(shí)間、運(yùn)行溫度及儀器總運(yùn)行時(shí)間等信息的顯示[14-15]。

4 結(jié) 語

設(shè)計(jì)了一款基于MSP430單片機(jī)的大型儀器設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對大型儀器設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)和遠(yuǎn)程監(jiān)控，可實(shí)現(xiàn)對大型儀器設(shè)備的開關(guān)機(jī)時(shí)間、運(yùn)行時(shí)間及基本運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，經(jīng)過多次測試，該系統(tǒng)能夠滿足大型儀器設(shè)備使用機(jī)時(shí)等設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和遠(yuǎn)程監(jiān)控，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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Design of Monitoring System of Large Equipment Running State

FUQing-lina,DUYu-jieb,LIUHaoa,ZHANGMiana,TIANXiu-binga

(a. Department of Physical and Electronic Science; b. Flying College, Bingzhou Univercity,Bingzhou 256603, China)

To monitor and control the running state of large equipment remotely at real time, a system was designed. MSP430 microcontroller is used as the main chip, current transformer is used to collect the current signal, A/D converter brought by the microcontroller is used to deal with the signal, DS1302 is used to record the time information of the large equipment, and DS18B20 is used to collect the temperature of the large equipment on working which is stored in AT24C02, transferred by WIFI wireless and controlled by the CS8900A Ethernet. After several tests, it has been confirmed that the system can meet the requirement of real-time monitoring and remote monitoring to the using time and operating temperature of large equipment.

MSP430 microcontroller; large equipment; running state; monitor

2015-06-10

國家級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目資助(201310449105)；山東省高等學(xué)校教學(xué)改革立項(xiàng)項(xiàng)目資助(2012488)；山東省“十一五”教育科學(xué)規(guī)劃項(xiàng)目資助(2010GG151)

付清林(1991-)，男，山東滕州人，本科生。

杜玉杰(1973-)，男，山東濱州人，教授，博士(后)，碩士生導(dǎo)師，山東省教學(xué)名師獎(jiǎng)獲得者，主要從事光電信息技術(shù)、檢測技術(shù)與裝置的研究工作。

Tel.: 15169959668，0543-3195758；E-mail：duyujie442@163.com

TP 391；G 642.0

A

1006-7167(2016)03-0271-04