信息類開放共享儀器設備運行狀態監測裝置研制

崔家瑞， 許 震， 李 擎， 金仁東， 柯紅巖， 李希勝

（北京科技大學a.自動化學院；b.資產管理處，北京100083）

0 引 言

2015 年1 月26 日，國務院發布了《國務院關于國家重大科研基礎設施和大型科研儀器向社會開放的意見》（國發〔2014〕70 號）［1］，要求：用3 年時間，基本建成覆蓋各類科研設施與儀器、統一規范、功能強大的專業化、網絡化管理服務體系，科研設施與儀器開放共享制度、標準和機制更加健全。

近幾年各高校進行了大型儀器開放共享平臺的建設，并取得了一系列的成績［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］，并在此基礎上，依托“北京市高等教育學會技術物資研究分會學術研究課題”，針對作為高校實驗教學的主體設備——信息類實驗教學設備，探索了信息類設備開放共享新模式，形成了信息類設備基本管理制度，建立了信息類設備的新運行機制［10］。

目前信息類實驗室管理還處在手工記錄的階段，信息化水平低，使用者每次使用設備前都要填寫一系列重復信息，對于大量的使用記錄，管理人員也難以分析統計。為了能更好地統計信息類設備運行狀況，研制了信息類開放共享儀器設備的運行狀態監測裝置，該系統可以有效降低管理人員的工作量，提高管理效率。

1 監測裝置總體方案設計

針對信息類實驗設備具有數量龐大、功能多樣、放置分散、模塊化、定制性等特點，系統采用由上位機、集中器和監測裝置組成的三級網絡結構。系統的整體架構圖如圖1 所示。

圖1 系統的整體架構圖

由于儀器設備分布在不同的實驗樓、實驗室，因此，在監測裝置中采用了電力線載波通信技術［11-12］。該技術以其便捷性、穩定性和快速性已經被運用于遠程抄表、遠程路燈監控等系統，與有線信號傳輸方式相比，具有成本低、無須二次布線；與無線信號傳輸方式相比，具有不需中繼器、不受物理空間限制等優點。

監測裝置是整個系統的數據來源也是系統的執行機構，主要有兩個功能，①對設備進行控制和狀態查詢，②將數據發送到集中器。該部分包含微控制器、計量模塊、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 與計量模塊通信，實現查詢和控制功能，最后再將計量模塊返回的數據上傳至集中器。硬件框圖如圖2 所示。

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

2 監測裝置硬件設計

2.1 最小系統設計

最小系統作為監測裝置的核心，主要包括電源、時鐘和程序下載接口幾個部分。原理圖如圖3 所示。

2.2 RS-485 通信

RS-485 通信是一種工業上廣泛使用的主從通信技術，其主要特點是主機發送指令，從機才能響應，主機如果不動作，從機不能擅自動作。該通信方式傳輸距離遠，最長能到10.8 km，由于其利用差分方式來傳輸信號，所以抗干擾能力也較強，可在噪聲大的環境下傳輸有效信號。RS-485 通信按接口類型可分為二線制和四線制，四線制只能實現點對點通信，故已經很少使用，二線制是目前使用比較多的接線方式，連接時只需要分別將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復雜，為保證RS-485 通信的質量，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調制。載波模塊與處理器的串口1 進行通信，根據該載波模塊的外形參數和配置要求，設計了如圖5 所示的載波通信及隔離電路。

2.4 電源設計

基準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部分，如果沒有穩定的電壓供給，電路就不能正常運作，也無法再談系統功能的實現。考慮到電力線載波通信必須將信號耦合到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，另一方面是為了實現電力線載波通信。由于220 V交流電是強電，既要考慮干擾還要考慮安全性，所以使用了MORNSUN 公司的電壓轉換模塊，該模塊可直接把220 V交流電輸入轉換成5 V和12 V直流輸出，整個模塊都被封裝起來，既能起到隔離作用又能保證安全。直流輸出經過濾波、穩壓電路后輸出質量較高的電壓信號。電路原理圖如圖6 所示。

圖6 電源模塊電路

3 監測裝置軟件設計

3.1 軟件流程設計

根據監測裝置的主要功能，軟件上采用了有限狀態機模型［13］和模塊化編程方法。任務主要有系統初始化、載波通信、設備信息采集、設備電源控制、系統狀態監測與報警等。工作流程圖如圖7 所示。

3.2 通信協議設計

為了實現儀器設備的分布式監測與控制，必須設計滿足特定要求的通信協議。因此，基于中國電力企業聯合會提出的DL/T645 協議［14-15］，自定義了控制碼，既保證了對原有系統的兼容，又能很好地實現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 協議幀格式

幀起始符68H：標識一幀信息的開始，其值為01101000B。

地址域A0 ～A5：地址域由6 個字節組成，每字節2 位BCD碼，地址長度可達12 bit 10 進制數。每個表具有唯一的通信地址，且與物理層信道無關，當使用的地址碼長度不足6 Byte時，高位用“0”補足。

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

數據域長度L：L 是數據域的字節數，讀數據時L≤200，寫數據時L≤50，L ＝0 表示無數據域。

數據域DATA：數據域包括數據標識、密碼、操作者代碼、數據、幀序號等，其結構隨控制碼的功能而改變。傳輸時發送方按字節進行加33H 處理，接收方按字節進行減33H處理。

4 實驗驗證

該系統已應用到自動化學院的CDIO自動化實驗室的A1000 小型水箱實訓設備，系統連接見圖8。

圖8 運行統計系統與設備電氣連接圖

A1000 設備電源接到節點的輸出電源插座、節點和智能網關接入到同一插排中。由LabVIEW 上位機對監測裝置進行功能測試。監測裝置登錄到上位機界面如圖9（a）所示。點擊采集數據按鈕，可得到當前運行設備的相關信息，如電壓、電流、功率以及耗電量。測試結果如圖9（b）所示。

5 結 論

根據我校自動化學院信息類實驗教學設備的特點，設計了開放共享儀器設備運行狀態監測裝置，并在現有儀器設備上進行了功能驗證。該監測裝置可以準確記錄儀器設備的電壓、電流、功率、電量、開、關等運行狀態信息，并上傳至服務器。該裝置的研制成功一方面為高校信息類設備開放共享效果評價提供了必要的數據支撐。減輕了實驗室管理人員進行設備日志記錄的工作量和設備運行日志的維護工作量。

該裝置是北京市高等教育學會技術物資研究分會學術研究課題的部分成果。下一步，將進一步完善裝置的可靠性和穩定性，進行裝置的工程化設計，并在自動化學院的CDIO自動化實訓實驗室和電力電子及電機拖動實驗室進行示范應用。

圖9 A1000實訓設備實時運行狀態監測功能測試