【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ervice）是GSM移動(dòng)電話用戶可用的一種移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。GPRS可以說是GSM的延續(xù)，GPRS和以往連續(xù)的頻道傳輸方式不同，以封包方式傳輸，因此所需費(fèi)用是以傳輸單位計(jì)算，并非整個(gè)頻道，較為便宜。GPRS的傳輸速率可提升至56甚至114Kbps，傳輸速率約為GSM的10倍，建立新的連接幾乎無需時(shí)間，因而隨時(shí)都可與網(wǎng)絡(luò)保持連接，僅按照數(shù)據(jù)流量計(jì)費(fèi)，費(fèi)用較低，性價(jià)比很高。綜合比較上述無線網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，GPRS無線網(wǎng)絡(luò)非常適合本系統(tǒng)的無線傳輸，該無線網(wǎng)絡(luò)方式完全能夠滿足無線通信的實(shí)時(shí)性與可靠性，利用GPRS無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，使現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心之間的無線通信得以實(shí)現(xiàn)。 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心方案設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心作為服務(wù)器端，用于接收無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的數(shù)據(jù)包?；赩isual Basic編程語言對(duì)接收到的數(shù)據(jù)包按事先規(guī)定的協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，以虛擬儀表的形式顯示主要的設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，并存儲(chǔ)實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)。 本章小結(jié)本章首先明確了系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)對(duì)象與監(jiān)測(cè)參數(shù)，其次對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析后，提出了系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案，將整個(gè)系統(tǒng)分成三個(gè)部分，分別對(duì)各子系統(tǒng)進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)分析，選取了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件與軟件平臺(tái)，確定了無線傳輸方式，實(shí)現(xiàn)了無線通信與遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)對(duì)象是某航標(biāo)船的動(dòng)力設(shè)備，其監(jiān)測(cè)參數(shù)在第二章已經(jīng)詳述。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)，選取信號(hào)采集與數(shù)據(jù)傳輸方式，分別采用傳感變送器、交流變送器等硬件設(shè)備，對(duì)各機(jī)組的實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)和運(yùn)行指示參數(shù)進(jìn)行采集，將采集到的數(shù)據(jù)輸入到現(xiàn)場(chǎng)模塊中進(jìn)行預(yù)處理。下面對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)內(nèi)容做簡(jiǎn)要介紹。 串行通信技術(shù)簡(jiǎn)介 串行通信技術(shù)概述隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化和微機(jī)分級(jí)分布式應(yīng)用系統(tǒng)的發(fā)展，通信功能越來越重要。通信是指計(jì)算機(jī)與外界之間的信息傳輸，既包括計(jì)算機(jī)之間的傳輸，也包括計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備之間的傳輸，如打印機(jī)與磁盤之間的通信。在通信領(lǐng)域中，數(shù)據(jù)通信按每次傳送的數(shù)據(jù)位數(shù)可分為：并行通信和串行通信。串行通信是指計(jì)算機(jī)主機(jī)與外設(shè)之間或主機(jī)系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的串行傳送。使用一條數(shù)據(jù)線，依次傳輸數(shù)據(jù)，每一位數(shù)據(jù)占據(jù)一個(gè)固定的時(shí)間長(zhǎng)度。其只需少數(shù)幾條數(shù)據(jù)線就可以在系統(tǒng)之間交換信息，特別適合計(jì)算機(jī)之間、計(jì)算機(jī)與外設(shè)之間的遠(yuǎn)距離通信[17]。 串行通信方式① 同步通信同步通信是一種比特同步通信技術(shù)，要求收發(fā)雙方都具有同頻同相的同步時(shí)鐘信號(hào)，只需在傳送報(bào)文的最前面附加特定的同步字符，使收發(fā)雙方建立同步，此后便按同步時(shí)鐘逐位發(fā)送與接收[18]。沒有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，傳輸線處于MARK狀態(tài)。開始傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)送方首先發(fā)送一個(gè)或兩個(gè)同步字符。當(dāng)發(fā)送方和接收方同步后，不需要使用起始位和停止位來控制，就可以一個(gè)字符接著一個(gè)字符地連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，可以明顯地提高數(shù)據(jù)的傳輸速率。當(dāng)采用同步方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，在發(fā)送數(shù)據(jù)過程中，收發(fā)雙方都必須使用一個(gè)時(shí)鐘來協(xié)調(diào)，用于確定串行傳輸過程中每一位數(shù)據(jù)的位置。在接收數(shù)據(jù)時(shí)，接收方可以采用同步字符使其內(nèi)部時(shí)鐘和發(fā)送方的內(nèi)部時(shí)鐘保持同步，然后逐位移入同步字符后面的數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)換成并行方式，供計(jì)算機(jī)讀取，直至收到結(jié)束符后停止[19]。② 異步通信異步通信是一種常用的通信方式。相對(duì)于同步通信而言，異步通信在發(fā)送字符時(shí)，所發(fā)送字符之間的時(shí)隙可以是任意的，而接收方需要時(shí)刻做好接收的準(zhǔn)備。發(fā)送方可以在任意時(shí)刻開始發(fā)送字符，因此必須在每一個(gè)字符開始和結(jié)束的地方都要加上標(biāo)志位，以便接收方能夠正確地接收每一個(gè)字符。內(nèi)部處理器在完成了相應(yīng)的操作后，通過一個(gè)回調(diào)機(jī)制，告知發(fā)送方發(fā)送的字符已經(jīng)得到了回復(fù)[20]。異步通信在有限信道中傳輸效率高，其缺點(diǎn)是設(shè)備復(fù)雜、信道利用率較低，但隨著光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，這些已經(jīng)不是根本問題。 串行通信接口類型① RS232串行接口RS232串行接口即標(biāo)準(zhǔn)串口，是最常用的串行通訊接口之一。它是一種用于串行通信的標(biāo)準(zhǔn)，由美國電子工業(yè)協(xié)會(huì)聯(lián)合貝爾系統(tǒng)、調(diào)制解調(diào)器廠家及計(jì)算機(jī)終端生產(chǎn)廠家于1970年共同制定的。它的全名為“數(shù)據(jù)終端設(shè)備與數(shù)據(jù)通訊設(shè)備之間串行二進(jìn)制數(shù)據(jù)交換接口技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)”[21]。傳統(tǒng)的RS232C接口標(biāo)準(zhǔn)具有22根傳輸線，由標(biāo)準(zhǔn)的25芯D型插頭簡(jiǎn)化為目前使用的9芯D型插頭。RS232接口采取的是單端通訊方式。由于其發(fā)送電平和接收電平的差僅為2~3V左右，所以共模抑制能力就顯得差一些，而且其雙絞線上有分布電容，傳送距離最大約為15米，最高傳輸速率約為20kb/s。RS232接口是為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊模式而設(shè)計(jì)的，其驅(qū)動(dòng)器負(fù)載約為3~7kΩ。故RS232接口適合于本地設(shè)備之間的通信[22]。② RS422串行接口典型的RS422接口為四線接口，加上一根信號(hào)地線，一共由5根線組成。由于其接收器采用了高輸入阻抗和發(fā)送驅(qū)動(dòng)器，所以比RS232接口具有更強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)力，允許在同一根傳輸線上連接多個(gè)接收節(jié)點(diǎn)，最多可連接10個(gè)，即由一個(gè)主設(shè)備，與若干個(gè)從設(shè)備組成，而從設(shè)備之間不能相互通信，所以RS422接口支持點(diǎn)對(duì)多的雙向通信。其接收器的輸入阻抗約為4KΩ，發(fā)送端的最大負(fù)載能力約為104KΩ+100Ω [23]。由于RS422四線接口采用了單獨(dú)的發(fā)送與接收通道，所以數(shù)據(jù)方向不需要控制，各裝置之間信號(hào)的交換均可用軟件方式或硬件方式來實(shí)現(xiàn)。RS422接口的最大傳輸距離約為1219米，最大傳輸速率約為10Mb/s。其平衡雙絞線的長(zhǎng)度與傳輸速率成反比，低于100kb/s速率時(shí)，才有可能達(dá)到最大的傳輸距離。只有在很短的距離下才能夠獲得最高的傳輸速率。一般100米長(zhǎng)的雙絞線上所能獲得的最大傳輸速率僅為1Mb/s[24]。③ RS485串行接口 RS485串行接口是基于RS422串行接口發(fā)展起來的，故RS485接口的大多數(shù)電氣規(guī)定都和RS422接口相似，如都采用了平衡傳輸方式，都需要在傳輸線上接入終接電阻等。RS485接口既可以采用二線制方式，也可以采用四線制方式，采用二線制可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)雙向通信，而采用四線連接時(shí)，只能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)多通信，即只能有一個(gè)主設(shè)備，其余為從設(shè)備，但與RS422接口相比有改進(jìn)，無論二線制還是四線制的連接方式，總線上能夠連接設(shè)備的數(shù)目最大為32個(gè)[25]。RS485接口與RS422接口的不同主要在于其共模輸出電壓不同，RS485接口的輸出電壓為7~12V，而RS422接口為7~+7V[26]。RS485接口的接收器最小輸入阻抗為12kΩ，而RS422接口為4KΩ。由于RS485接口滿足所有RS422接口的規(guī)范，所以RS485接口的驅(qū)動(dòng)器可以在具有RS422接口的網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用[2729]。RS485接口的最大傳輸距離與最大傳輸速率和RS422接口相同。平衡雙絞線的長(zhǎng)度與傳輸速率成反比，低于100kb/s速率時(shí)，才可能使用規(guī)定的最長(zhǎng)電纜長(zhǎng)度。只有在很短的距離下才能夠獲得最高得速率傳輸。一般100米長(zhǎng)雙絞線最大傳輸速率也僅為1Mb/s[30]。 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件框架，由船舶動(dòng)力設(shè)備、傳感變送器、現(xiàn)場(chǎng)模塊與工控機(jī)組成。在動(dòng)力設(shè)備工作期間，采用合適的傳感變送器采集設(shè)備的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速、冷卻水溫度、滑油溫度、滑油壓力、運(yùn)行指示等物理信號(hào)，將其轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號(hào)，輸入到工控機(jī)中用軟件進(jìn)行處理分析后顯示。信號(hào)的采集與處理過程如下：① 距離船舶監(jiān)測(cè)室較遠(yuǎn)的壓力、溫度與液位等12路模擬量信號(hào)，通過傳感變送器進(jìn)行信號(hào)采集，傳輸至具有RS485接口的模擬量采集模塊ADAM4117中；② 距離監(jiān)測(cè)室較近的發(fā)電機(jī)交流輸出電壓與電流2路模擬量信號(hào)，通過交流電壓電流變送器，將強(qiáng)電轉(zhuǎn)換為弱電，傳輸至具有RS485接口的模擬量采集模塊ADAM4117中；③ 機(jī)組的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速3路模擬量信號(hào)，通過轉(zhuǎn)速傳感變送器采集，輸出輸入至帶有RS485接口的測(cè)頻模塊ADAM5080中；④ 機(jī)組的運(yùn)行指示10路數(shù)字量信號(hào)直接輸入至具有RS485接口的數(shù)字量輸入模塊ADAM4051中；⑤ 上述所有經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)模塊處理后的信號(hào)，通過RS485/RS232接口轉(zhuǎn)換模塊ADAM4520將RS485接口轉(zhuǎn)變成RS232接口，輸入工控機(jī)，利用軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理、分析、顯示與存儲(chǔ)。 系統(tǒng)硬件組成圖 The hardware position figure of system 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件選型 傳感變送器系統(tǒng)的信號(hào)采集主要使用傳感變送一體化設(shè)備，安裝在機(jī)組的預(yù)留接口上，通過傳感變送器將物理信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，系統(tǒng)使用的傳感變送器有轉(zhuǎn)速傳感變送器、壓力傳感變送器、溫度傳感變送器以及液位傳感變送器等。 ① 轉(zhuǎn)速傳感變送器轉(zhuǎn)速傳感變送器選用上海航振儀器儀表有限公司生產(chǎn)的HZ869正反轉(zhuǎn)速傳感變送器，HZ869正反轉(zhuǎn)速傳感變送器采用的是霍爾效應(yīng)原理，當(dāng)金屬齒經(jīng)過傳感器前端時(shí)，磁場(chǎng)發(fā)生變化，而霍爾元件能夠檢測(cè)到該變化，并將其轉(zhuǎn)換成交變電信號(hào)，經(jīng)過傳感器內(nèi)置電路的放大與整形后，以矩形脈沖信號(hào)輸出。該轉(zhuǎn)速傳感變送器測(cè)量頻率范圍寬，輸出信號(hào)精確穩(wěn)定，安裝簡(jiǎn)單，防油防水，已在電力、汽車、航空、紡織、石化等測(cè)速領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。 HZ869正反轉(zhuǎn)速傳感變送器 The pros and cons speed sensing transmitter HZ869② 壓力傳感變送器壓力監(jiān)測(cè)的介質(zhì)主要為液壓油、水和空氣。壓力傳感變送器的工作條件較為惡劣，要求能夠防油、防水和防震。本系統(tǒng)選用淄博西創(chuàng)測(cè)控技術(shù)有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為MC20A小巧型壓力傳感變送器。MC20A小巧型壓力變送器采用高性能的感壓芯片，配合先進(jìn)的電路處理和溫度補(bǔ)償技術(shù)，將壓力變化轉(zhuǎn)化為線性的電流或電壓信號(hào)。產(chǎn)品體積小巧，易于安裝，采用不銹鋼外殼隔離防腐，適于測(cè)量與接觸部分材質(zhì)相兼容的氣體和液體等介質(zhì)，它可以用來測(cè)量表壓、負(fù)壓和絕壓。 MC20A小巧型壓力傳感變送器 The pact pressure sensor transmitter MC20A③ 溫度傳感變送器溫度傳感變送器選用淄博西創(chuàng)測(cè)控技術(shù)有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為MCT80S小巧型一體化溫度變送器。MCT80S系列小巧型一體化溫度變送器采用進(jìn)口元件及不銹鋼材料封裝，它與電氣線路形成一體，體積小巧，應(yīng)用方便，它精度高，穩(wěn)定性好，耐振，適應(yīng)各種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的需要，該產(chǎn)品主要應(yīng)用于石油、化工、機(jī)電設(shè)備、制藥、食品及小型試驗(yàn)裝置等。MCT80S溫度變送器的工作原理為：熱電偶（阻）在工作狀態(tài)下所測(cè)得的熱電勢(shì)（電阻）的變化，經(jīng)過溫度變送器的電橋產(chǎn)生不平衡信號(hào)，經(jīng)放大后轉(zhuǎn)換成為420mA的直流電信號(hào)給工作儀表，工作儀表便顯示出所對(duì)應(yīng)的溫度值。 MCT80S小巧型一體化溫度變送器 The pact integrated temperature transmitters MCT80S ④ 液位傳感變送器液位傳感變送器選用淄博西創(chuàng)測(cè)控技術(shù)有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為MC20C投入式液位傳感變送器。MC20C投入式液位傳感變送器采用高性能的擴(kuò)散硅壓阻式壓力傳感器作為測(cè)量元件，經(jīng)過高可靠性的放大處理電路及精密溫度補(bǔ)償，將被測(cè)介質(zhì)的表壓或絕壓轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的電壓或電流信號(hào)。該液位傳感變送器體積小巧，使用安裝方便，直接投入水中即可測(cè)量出變送器末端到液面的液位高度。 MC20C投入式液位傳感變送器 The input type level sensor transmitter MC20C 交流變送器由于系統(tǒng)需要準(zhǔn)確得到柴油發(fā)電機(jī)的交流輸出電流與電壓這兩個(gè)參數(shù)，而普通的微型電壓與電流互感器已經(jīng)無法滿足這一要求，因此分別選用了山東淄博元星電子有限公司的HAT40ACS/A1交流電流變送器與HVT380VUS/A0交流電壓變送器對(duì)其進(jìn)行測(cè)量。 交流電流變送器HAT40ACS/A1 The AC current transducer HAT40ACS/A1 交流電壓變送器HVT380VUS/A0 The AC voltage transmitter HVT380VUS/A0 現(xiàn)場(chǎng)模塊現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組的實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)，本系統(tǒng)采用具有RS485接口的模塊化設(shè)備來獲取模擬信號(hào)，所使用的模塊分別為模擬量輸入模塊ADAM411測(cè)頻模塊ADAM5080、數(shù)字量輸入模塊ADAM4051以及RS485/RS232轉(zhuǎn)換模塊ADAM4520。下面將分別介紹它們的功能和特點(diǎn)。① 模擬量輸入模塊溫度、壓力等12路模擬量信號(hào)，由臺(tái)灣研華公司生產(chǎn)的模擬量輸入模塊ADAM4117采集獲取。 模擬量輸入模塊ADAM4117 The analog input module ADAM4117 ADAM4117是一個(gè)16位8通道模擬量輸入模塊，其中8通道是指8路差分模擬信號(hào)。它通過多路復(fù)用器選擇差分信號(hào)，通過信號(hào)調(diào)理和模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，傳送到微處理器，微處理器根據(jù)上位機(jī)的設(shè)置和要求，將采樣數(shù)據(jù)通過RS485總線傳送給上位機(jī)。此模塊可用于工業(yè)、商業(yè)等領(lǐng)域的模擬數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)，通過RS485總線實(shí)現(xiàn)高速度，遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)通訊。 ② 測(cè)頻模塊主推進(jìn)機(jī)組和柴油發(fā)電機(jī)組的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速3路信號(hào)由臺(tái)灣研華公司生產(chǎn)的測(cè)頻計(jì)數(shù)模塊ADAM5080采集獲取，該模塊帶有四個(gè)32位計(jì)數(shù)器通道，可計(jì)數(shù)也可測(cè)量頻率，提供TTL輸入與光隔離輸入兩種信號(hào)接口方式，可跳線設(shè)置，~1000Hz。 測(cè)頻模塊ADAM5080 The frequency measurement module ADAM5080③ 數(shù)字量輸入模塊現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組的運(yùn)行指示參數(shù)主要是數(shù)字量信號(hào)，使用的是臺(tái)灣研華公司生產(chǎn)的數(shù)字量輸入模塊ADAM4051，該模塊提供16路隔離數(shù)字量輸入通道，輸入支持干接點(diǎn)和濕接點(diǎn)。 數(shù)字量輸入模塊ADAM4051 The digital input module ADAM4051 ④ RS485/RS232轉(zhuǎn)換模塊本系統(tǒng)需要RS485/RS23