一种实时测控系统的设计与开发

关键词：测控系统；GPIB；VXI；RS232；实时 中图分类号：TP274 文献标识码：A Design and Development of a real - time Measurement and Controlling System XIE Gang, YU Zuo-jun, HUA Chen-quan (College of Information and Control Engineering, UPC DongYing 257061, China) Abstract: The real- time measurement & controlling system based on GPIB - VXI interface and RS232 serial interface is introduced, including hardware structure, software structure and the design frame of the measurement & controlling system. In real operation, It is showed that it has good performances, e.g. accu- rate measurement, flexible control, high integration and reliability. Key words: measurement and controlling system ; GPIB ; VXI ; RS232 ; real - time 1 引 言 本文介绍的一种实时测控系统，主要是对某大型物理模拟装置试验过程中的温度、差压、饱和度、产出液等过程量进行实时自动数据采集，同时对试验过程中的GPIB—VXI接口设备及RS232接口设备进行远程的计算机检测与协调控制。 该测控系统是次此套试验装置的中枢神经，对系统各个模块之间起到统一连接，协调控制的纽带作用，是试验工作得以开展的前提条件和实现试验自动化一体操作的核心平台。系统的建成将摆脱传统手工测量的落后局面，实现试验过程控制与测量自动化、智能化。不仅提高了该三维物理模拟装置的技术含量和整体自动化水平，而且为国内外建设同类装置提供了样本和蓝图，具有很高的参考价值。 该测控系统总体上由硬件和软件两部分组成：硬件是该系统的基础，包括各种信号检测与传送设备、计算机主控设备等，主要完成基于VXI总线的标准信号和基于串行通讯总线的非标准数据的采集的控制；软件是该系统的核心，它主要完成对各个硬件模块和试验进程的控制和调度，实现对数据的存储及后期数据处理，并提供友好的人机操作界面。 2 测控系统结构 2．1 硬件结构 图1为试验装置测控系统硬件结构图，从图可以看出，试验装置各种信号的测量与控制主要通过两种接口：GPIB - VXI接口，串行通讯接口。 2．1．1 基于GPIB - VXI接口 通过GPIB - VXI接口主要完成0～5V电压，4～20mA电流等标准模拟信号、开关信号、脉冲信号的采集与控制，基于此接口的系统主要由信号检测与传送模块、信号调理模块、HP数据采集系统、计算机主控模块组成。 (1)信号检测与传送模块 利用温度、压力、差压传感器，饱和度测量仪和流量计等检测设备将过程所需要的变量以及各动力泵的运行状态信息进行实时检测，并完成电信号转换和远距离传送。 (2)信号调理模块 完成远程设备各种接口的转换工作，并实现测试信号与标准测试仪器的负载匹配，保证满足数据采集的精度和可靠性，数据经数据调理模块直接送往HP数据采集系统的各个模块。 (3)HP数据采集系统 此高精度集成数据采集系统，可以完成各种标准信号的高速数据采集，由VXI主框架和即插即用的VXI仪器功能模块组成。系统采用B尺寸模块的1302 VXI主机箱，20个单独的插槽通过主机箱底部的VXI总线传输数据和控制命令。 HPEl306A命令模块通过VXI总线与计算机中的GPIB卡相连，完成GPIB接口与其他VXI框架中的一个或者VXI总线仪器之间的命令和数据通讯格式转换以及控制。HPEl326B 1／5数字万用表，配合两块E1345 16路多路转换器共同完成装置过程量信号的采集，采集最高频率可达到13KHz。2块HPEl364A C型开关模板完成20路电磁阀和3路RUSKA泵_的开关信号控制。HPEl332A为4通道脉冲计数板卡，采集流量计发出的流量脉冲计数信号。经过对两块E1345 16路多路转换器进行硬件电路改造，配合饱和度测试仪完成对28路(设计)饱和度的分时循环采集。 (4)计算机主控模块： 本系统的主控计算机采用了工业PC，选用了德国Kongtron公司的PCI - 749D工控机。由于网卡、串口、USB口的拓展，使得其有很强的远程通讯能力 2．1．2 基于串行通讯接口 通过串行通讯接口主要完成装置非标准信号的采集与控制，在此试验装置中，共由4个设备的操作需要通过工控机的串口进行。ISCO泵(组)、恒温箱、回压阀、饱和度测试仪。各个采用RS232通讯的设备端口设置如表1所示： 2．2 软件结构 系统软件结构在该监控系统的开发过程中。软件扮演着极其重要的角色。从功能上讲，他的涵盖面很广，从硬件设备的驱动程序到开发整套系统所需的各个开发环节在内，他们的层次性很清晰。具体结构如图2所示： (1)设备硬件层 主要包括基于GPIB - VXI接口的HP数据采集系统和基于串口的各个动力驱动，测量的物理设备。它是完成整个试验自动化的硬件基础。 (2)测试资源层 测试资源层是软件设计平台和仪器之间连接的桥梁，主要由仪器接口驱动和接口软件，控件组成。HP数据采集系统中的VXI总线仪器，均对应一个测试驱动软件，该软件按VISA要求编写，软件功能函数则完成对仪器测试功能的控制和测试数据的读写。VISA是一个独立于硬件设备的I／O控制库，通过它不同硬件接口(如：GPIB，VXI或 RS232等)连接的仪器设备可以集成到一个系统中，由一个软件、一套命令函数完成所有仪器设备的控制。 通过VB的MSComm通信控件，系统可以完成各串口设备监控，MSComm控件提供了标准的事件处理函数、过程、并通过属性的方法提供了串行通信口参数的设置，可以较容易地解决串口通信，实现对仪器和设备的远程计算机控制。 该部分还包含E1364、E1326、E1345、E1332的驱动程序和拓展的串口驱动程序。前者驱动程序负责完成对相应模块的初始化和各种配置，并实现对各种数据的读写。后者完成拓展串口的Windows底层封装和链接。 (3)应用开发层 应用开发层是一个软件开发平台，为了充分利用仪器之间的方便通信和强大功能及友好的人间界面，该软件利用VB和其他辅助工具共同开发， VB负责构建主题程序框架，Excel存储试验数据，其他工具完成外围辅助工作。 (4)用户应用层 用户应用层是软件系统的顶层，它实际上就是一个执行程序，实现对各种仪器模块的调度，包括初始化及各个模块子系统的配置，最后实现对现场数据的读取，设备的远程监控，并以各种方便的形式将数据显示出来，用来观察试验进程中各个信号的大小，变化趋势等。同时对数据进行保存，方便后期试验数据处理。 3 软件设计 该测控系统整个软件的设计采用模块式结构，便于软件的修改、阅读、分工、合作。其软件框图如图3所示： 软件负责接受从过程检测设备送来得实时数据和设备运行及过程状态生成实时数据库和历史数据库，提供显示画面和操作画面，试验操作人员通过它对整个系统设备的运行状态、数据进行监控和操作，同时进行参数调整、控制模式修改、系统功能调整、控制流程的更改等工作。软件内嵌了完整缜密的安全保护和报警措施，提供了再线的帮助系统，使得及时根据出现的试验运行情况进行相关处理。在软件开发的过程中，除了利用VB开发平台所提供的强大的功能以外，还结合一些ActiveX，COM，动态链接库等计算机软件应用技术来达到控制系统应用软件功能的要求。 5 结束语 经过在某装置上运行此实时测控系统，不仅可以监控试验的进程，而且在试验操作自动化的基础上快速的存储大量的数据，方便试验性能参数、工作状态的分析。同时系统中的软硬件设计为分散式和模块式结构，这样在系统某部分出现故障或者停止运行时，其他部分仍然可以保持正常运行状态，为实验的可靠性和成功率提供有力保证。同时整个试验装置的建成，为各个油田与此相关领域科研和国内探索相关问题都提供高水平的科研手段。 参考文献 [1] 邵钟武，蔡勤忠，马晓敏．数据采集系统[M]．东营：石油大学出版社，1998． [2] Agilent E1306A Command Module[M]. E1326B 5 1/2- DigitalMultimeter [M], E1345 16 - Channel Relay Multiplexer Modules[M], E1364A 16- Channel Form C Switch Modules [M], EI332A 4 - Channel Counter/Totalizer[M]. 2000. [3] 张雄飞，方方．Windows平台下数据采集串口通讯的实现[J]．计算机测量与控制，2001，9(4)：66-68． [4] 刘炳文．精通VisualBasic 6．0中文版[M]．北京：电子工业出版社，1999．