基于PROFIBUS－DP接口的多环境参数测控仪的研制

摘 要： 分析了化学参数测控仪表智能化、网络化、集成化的发展趋势，研究了水质环境参数中溶解氧、温度、PH值、电导率等的测量补偿算法和相关控制策略。介绍了测控仪的硬件组成原理、测控电路以及软件功能和流程。该测控仪已成功应用在水产养殖监控系统中。
关键词： PROFIBUS-DP 测控仪 环境参数

水质环境参数的检测控制与工农业生产及百姓生活密切相关。我国从上世纪50年代开始，已先后研制和生产了各种型号的工业PH计、DO计及电导率计等仪表。但普遍存在造价高、功能单一、无法和现场总线控制系统连接的问题。随着控制、计算机、通信和网络的不断发展，测控仪表正朝着智能化、网络化、集成化的方向发展。因此，研制一种带有现场总线接口，能够实现多种环境参数检测控制的通用型智能仪表，具有广泛的应用价值和市场前景。
1 多环境参数的检测原理和算法
多环境参数检测过程所用到的化学传感器，其输出多是非线性的，除了与被测水体的化学含量有关外，还与温度、气压及盐度等其他参数密切相关，且在被测溶液的作用下，传感器的输出会产生漂移。因此一般在测量前都需要进行温度补偿、零点及最大值的标定校正。此外，由于制造工艺因素，不同传感器的零点残余电流和最大量程电流存在一定的差异。在分析试验中分析不同传感器原理特性和多参数关系的基础上，本文总结出各参数的检测算法和实现方法。
1.1 溶解氧的测量
溶解氧测量采用YSI5739型传感器，其电极的阴极由4mm的黄金片组成，阳极即参比电极为银电极，二极的空间充以电解液，二端用具有通透选择性聚四氟乙烯薄膜覆盖。当对金电极与银电极间加0.7V左右的极化电压时，水中溶解氧透过薄膜，在阴极上还原，产生稳定的扩散电流。电流大小可用下列公式表示：
L=K·n·F·A·P_m·Cs/D_m
试验表明，在其他参数（温度、盐度、大气压）不变的情况下，扩散电流的大小与样品中氧分压成正比例关系，故测得电流值便可计算出溶解氧的含量。溶解氧传感器调理电路如图1所示。

调理电路的输出Uo饱和氧电压随温度而上升，相同温度下不同传感器的电压值也不尽相同，但同一传感器的饱和氧电压在不同温度下成确定的比例关系，公式表示为：

U_tn、K_tn为tn温度下的饱和溶氧电压和氧温系数。由关系式I=KCs和U=I₀C可知，在一定温度下，溶氧电压U正比于氧浓度O。溶氧量温度补偿关系如图2所示。

由图2可知：得出：
上式中：U_tx为tx温度下的饱和溶解氧电压，U_t0为t0温度时的校准饱和溶解氧电压。校准量U_t0用以表征不同传感器斜率特性。在测量中，将各温度下的K_tx、O_tx值存放在智能仪表EPROM中，U_t0由校准操作存放在E²PROM中，这样就可由检测到的U_x计算出溶解氧含量。另外，为了进一步提高溶解氧的测量精度，还要检测大气压和水质电导率，用于对溶解氧进行实时补偿。
1.2 PH值测量
PH值测量传感器选用上海雷磁E-201-C型塑壳可充式复合电极，该电极是玻璃电极和参比电极组合在一起的塑壳可充式复合电极，其测量范围在0～14PH，输出为电压信号，无需进行i-v的变换。PH值的信号调理电路如图3所示。

1.3 盐度（电导率）测量
盐度（电导率）是衡量水质的一项重要指标。当水环境遭受污染或富营养化威胁时，往往会导致水中离子浓度增加。对水中盐度动态变化过程的监测，可及时反映池水污染程度的变化，同时还可为精确测定溶氧提供补偿参数。本设计使用电导电极作为传感元件，通过测定水的电导率来计算盐度。其测量电路如图4所示。

测量时，将电导电极固定放置在水中，当振荡器输出一定频率的交变信号时，在插入电导池中的电导电极之间便形成交变电场，在电场的作用下，液体导电而产生电流Ix。测量放大器是一个高输入阻抗的运算放大器，根据运算放大器基本特性有：

上式表明，水的电导率δ_x与运算放大器的输出电压V1成正比，即与运算放大器的输入电流I_x成正比(K、Vs、R_F、γ均为常数)。精确测量出V₁值，便可得到被测溶液电导率δ_x，从而计算出水中的含盐量。在实际使用前，需进行标定，以确定电极电流I_x与盐度之间的比例因子，测控仪将自动把相应的校准系数存入E²PROM中。
2 测控仪总体硬件结构
测控仪由单片机系统＋SPC3实现，直接面向控制对象，用于对现场环境参数进行检测和控制，即对各传感器采集进来的参数如温度、溶氧量、大气压、盐度、PH值等的电压信号按特定算法进行校准、补偿运算，计算结果经LCD显示出来。测控仪通过SPC3采用RS485与主站进行双向通信，发送环境参数值，同时获取主站指令，调整PID参数，自动调节溶解氧和温度，关启电磁阀和水泵，使系统实现最优控制。测控仪总体结构如图5所示。

在设计中，为了加强可移植性和灵活性以及便于同其他总线相兼容，将通信接口分成SPC3通信板与测控仪表主板。智能仪表主板与SPC3通信板只要留出接口部分的接线即可。
3 智能从站通信接口芯片SPC3
本设计选用SIMENS公司的智能从站通信接口芯片SPC3，其内部结构示意图如图6所示。SPC3集成了DP协议中的MAC和FDL层，可以承担通信部分的微处理器负载，实现DP从站通信处理；SPC3通过它的双口RAM与微处理器交换数据，微处理器操作SPC3芯片就像操作它的外部RAM；SPC3的总线接口是一个可参数化的同步/异步接口，适合于Motorola和Intel的微控制器/处理器。DP通信的服务存取点由SPC3自动建立，用户通过访问不同BUF的内部数据即可得到各种报文信息； SPC3内部集成1个看门狗定时器，操作于3种不同的状态：波特率监测、波特率控制和DP控制。内部的UART实现串并数据流的相互转换，且SPC3可以自动标识总线的波特率(96Ｋ～12Ｍbps)。空闲定时器控制串行总线电缆上的总线定时。微序列器(Micro Sequencer，MS)控制整个SPC3的工作过程。内部集成了1.5ＫB格式化的双口RAM，用户程序通过对它的访问与SPC3交换数据。

4 多环境参数的控制策略
针对环境参数变化缓慢、时滞性大的特点，采用了模糊控制和自校正PI控制等控制策略。以水中溶解氧控制为例，溶解氧恒定过程中，供氧与耗氧持平，溶解氧可认为保持不变，是一个纯滞后过程；溶氧上升过程为一大时间常数的一阶惯性环节。因此，水池增氧的数学模型可等效为一个带纯滞后的一阶惯性环节，系统中其他控制和检测环节的时间常数和滞后时间常数相比，可忽略不计，均可等效为比例环节。因此，增氧的近似模型为：

由于水位、温度、放养量等参数的时变性，很难建立一个精确的数学模型对其进行控制。而模糊控制不需要了解系统的数学模型及参数，对于未知模型的系统具有很大的实用价值，因此本测控仪采用模糊控制策略来实现溶解氧控制。模糊控制器采用双输入单输出结构，分别用溶氧偏差E和溶解氧变化率EC作为输入变量,以调节变频器输出频率的控制量U作为输出变量。E、EC、U相应的论域分级为NL、NM、NS、ZO、PS、PM、PL，论域：E、EC为{-3.0，-1.5，-0.5，0，0.5，1.5，3.0}；U为{-5，-3，-1，0，1，3，5}。根据过程控制的成熟经验可以得到对应控制量的一系列语言规则：如 If E＝NB and EC＝NB then U＝PB，进一步归纳整理可确定系统溶解氧的模糊控制规则表如表1所示。

5 系统软件设计
测控仪软件是一个较复杂的程序。本设计中兼顾开发效率和代码运行速度，采用KEIL C语言和MCS-51汇编语言混合编程的方法。KEIL C语言是C语言在嵌入式系统中的应用，它提供了十分完备的规范化流程控制结构，易于实现程序设计的规范化和模块化。为了使从站软件结构清晰及易于调试和维护，整个程序按功能分成若干个模块，不同的模块完成不同的功能。对于不同的功能模块，分别指定相应的入口参数和出口参数。而经常使用的一些程序都编成函数，这样既有利于整个程序的编写和管理，又可增强可读性和可移植性。系统软件设计流程如图7所示。

5.1 多环境参数的测控软件设计
为了优化从站软件设计，对测控程序中一些实时性或运算能力要求很高的模块采用汇编语言编程，如参数实时控制、浮点数运算、数据采集、传感器校准、定时显示及E²PROM存取等，同时把这些模块嵌入到KEIL C程序中进行处理。针对一般参数测量仪校准操作繁琐的缺陷，采用24C02串行E²PROM，编制了传感器校准模块，既可避免每次开机校准，又可按使用情况进行自动标定和校准，使仪器长期获得正确补偿和校准，提高了仪器的测量精度。
5.2 PROFIBUS-DP的通信软件设计
由于SPC3集成了完整的PROFIBUS－DP协议，因此用户程序的主要任务就是根据SPC3产生的中断(中断服务流程如图7(b)所示)对SPC3接收到的主站发出的输出数据转存，编排要通过SPC3发给主站的数据，并根据要求编排外部诊断等。所有SPC3软件用KEIL C语言编程，其中SPC3初始化包括设置SPC3允许的中断、写入从站识别号和地址、设置SPC3方式寄存器、诊断缓冲区、参数缓冲区、配制缓冲区、地址缓冲区、初始长度，并根据以上初始值求出各个缓冲区的指针及输人输出缓冲区的指针。
6 应用举例
本测控仪曾在“水产工厂化养殖多环境因子的智能控制”项目中（江苏省“十五”攻关项目）进行了应用试验，用于对江苏环太集团水产河豚养殖场的水环境参数进行检测控制。现场在线测试配置如图8所示。

养殖现场测试和成果鉴定表明，本测控仪构成的系统在现场环境下运行稳定，实现了对溶解氧、PH值和温度等水产养殖环境参数的准确检测控制和PROFIBUS现场总线通信功能。另外，还可明显节约能源、降低养殖成本、减小噪声污染。
7 结束语
本文介绍了基于PROFIBUS－DP多环境参数的测控仪。它将多环境参数的自动检测、控制、现场总线通信功能融为一体，是一种适用于工农业生产和人民生活水质测控的低成本、通用化、多功能仪器。针对不同的工程场合的水质环境参数，本测控仪可形成多个品种和系列，可广泛应用于水产养殖、环境监测、生物化工以及工业水质处理等领域。
参考文献
1 唐济扬.现场总线(PROFIBUS)技术应用指南.中国现场总线(PROFIBUS)专业委员会，1998
2 冯冬青.模糊智能控制.北京：化学工业出版社，1998
3 徐爱钧.智能化测量控制仪表原理与设计.北京：北京航空航天大学出版社，2000