大型儀器設備運行狀態監控系統設計

付清林， 杜玉杰， 劉 浩， 張 勉， 田秀兵

(濱州學院 a. 光電工程系；b. 飛行學院， 山東 濱州 256603)

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大型儀器設備運行狀態監控系統設計

付清林a， 杜玉杰b， 劉 浩a， 張 勉a， 田秀兵a

(濱州學院 a. 光電工程系；b. 飛行學院， 山東 濱州 256603)

為了實現對大型儀器設備運行狀態的實時和遠程監控，設計了一款基于MSP430單片機的大型儀器設備運行狀態監控系統。系統采用MSP430單片機作為主控芯片，以電流互感器采集電流信號，通過單片機自帶的A/D轉換對信號進行處理，利用DS1302采集記錄大型儀器設備時間信息，利用DS18B20采集大型儀器設備運行時的溫度，并存儲到AT24C02中，通過WiFi無線傳輸到上位機以及通過CS8900A以太網來實現遠程監控。經過多次測試，該系統能夠滿足大型儀器設備使用機時、運行溫度等基本設備運行狀態的實時監控和遠程監控。

MSP430單片機； 大型儀器設備； 運行狀態； 監控

0 引 言

大型儀器設備是高校實驗室的重要資源，其配置水平在一定程度上反映的高校的科研實力和服務社會的能力[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儀器設備，但大型儀器設備使用狀況及產生的效益是各個高校關心的問題，在提高大型儀器設備利用率及運行監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]。本文設計了一款基于MSP430單片機的大型儀器設備運行狀態監控系統，可實現對大型儀器設備基本運行狀態的實時監控和遠程監控。

1 系統組成

本系統以MSP430F149單片機為核心，通過電流互感器及A/D轉換電路來檢測大型儀器的工作電流，利用DS1302實時時鐘電路來記錄儀器的開關機時間及運行時間，通過AT24C02芯片來存儲信息，并通過電流是否穩定來判斷大型儀器運行狀態是否正常；通過DS18B20溫度檢測電路來檢測儀器運行時的溫度；系統通過液晶顯示電路來顯示開關機時間、運行時間、運行狀態等信息；此外，該系統通過WiFi模塊電路及以太網電路來實現儀器狀態的實時監控和遠程監控。系統框圖如圖1所示。

圖1 系統框圖

2 硬件電路設計

大型儀器設備運行狀態監控系統硬件電路主要由微處理器、電流信號采集電路、計時電路、溫度檢測電路、信息存儲電路、液晶顯示電路、以太網電路等組成。電流信號采集電路用來采集大型儀器設備運行信號，溫度檢測電路對大型儀器設備運行溫度進行檢測，通過微處理器進行信息處理，同時將有關信息通過液晶顯示電路進行信息顯示，并通過以太網電路與局域網連接，實現對大型儀器設備運行狀態的遠程監控。

2.1 微處理器選擇

該系統的主控芯片為MSP430F149單片機，是一款16位的單片機，外圍設備豐富，有60KB+256字節FLASH、2KB的RAM，包括基本時鐘模塊、看門狗定時器、帶3個捕獲比較寄存器和PWM輸出的16位定時器、帶7個捕獲/比較寄存器和PWM輸出的16位定時器、2個具有中斷功能的8位并行端口、4個8位并行端口、模擬比較器、12位A/D轉換器、2個串行通信接口等模塊，具有運算能力強、低電壓、超低功耗、工作穩定等特點。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載能力較差。互感器采用超微晶鐵芯設計，超小型的體積，很容易安裝在各種測控裝置中，性價比高是此互感器的一個特點。硬件電路框圖如圖3所示。

2.3 計時電路

為了對大型儀器設備每次開機運行的時間、歷史總的運行時間進行統計，需要對每次開機運行時間進行計時并對總運行時間進行存儲，為了實現這一功能選用了DS1302時鐘芯片。DS1302時鐘芯片是一種高性能、低功耗、帶RAM的實時時鐘電路，同時提供了對后備電源進行涓細電流充電的能力，這樣即便是主控電路斷電，DS1302依然繼續工作。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半導體公司繼DS1820之后最新推出的一種改進型智能溫度傳感器，采用單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現微處理器與DS18B20的雙向通訊，測溫范圍為-55～+125 ℃,測量結果以9～12位數字量方式串行傳送, 支持多點組網功能，多個DS18B20可以并聯在唯一的三線上。由于DS18B20體積小，外圍電路簡單，便于安裝，每臺大型儀器設備采用多個DS18B20來采集溫度。其電路圖如圖5所示。

圖4 DS1302時鐘電路

圖5 DS18B20外圍電路

2.5 信息存儲電路

AT24C02是一個2K位串行CMOS E2PROM，內部含有256個8位字節，CATALYST公司的先進CMOS技術實質上減少了器件的功耗。AT24C02有一個8字節頁寫緩沖器，該器件通過I2C總線接口進行操作，有一個專門的寫保護功能，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行通信，接口信號線數量大幅度減少，包括電源和地在內的信號線僅有9條。LCD控制器/驅動器芯片已綁定到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 以太網電路

為了實現遠程監控，選用了CS8900A以太網芯片。CS8900A是CIRRUS LOGIC公司生產的低功耗、性能優越的16位以太網控制器，功能強大符合IEEE802.3以太網標準，并帶有ISA接口，片內4K字節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，將大型儀器設備運行狀態傳送到局域網絡，實現了對大型儀器設備運行狀態的遠程運行監控。

圖8 CS8900A外圍電路

3 軟件設計與實現

3.1 系統軟件流程圖

主程序流程圖如圖9所示，上電后首先對單片機、DS1302、AT24C02、Nokia5110等進行初始化，初始化完成后，電流互感器開始采集儀器的電流信息，并由單片機對采集的電流進行模/數轉換，轉換為數字量。當電流互感器剛檢測到電流時，給單片機一個中斷信號，開始計時，當所有的電流互感器采集的信息達到穩定即電流在一個很小范圍內變化時，再給單片機一個中斷信號，停止計時，此段時間即為開機時間，關機時間正好相反。當一起在運行的過程中，有一個或幾個電流互感器檢測到的電流不正常即電流變化很大時，則發出提示報警。

圖9 主程序流程圖

3.2 上位機及局域網瀏覽軟件實現

3.2.1 上位機設計

上位機界面采用LabVIEW進行編寫，主要是對每臺儀器的開機時間、關機時間以及每臺儀器總運行時間及運行溫度進行顯示，并自動生成Word表格進行記錄[13]。當儀器出現異常時，上位機還會提示報警。

3.2.2 局域網監控設計實現

局域網瀏覽監控是通過C語言編程，用一個交換機來連接電腦和CS8900A，對以太網開發板的IP、子網掩碼、網關設置等進行修改，修改后在web網頁中輸入網址就可以進行信息瀏覽，在網頁中實現對每臺儀器的開機時間、關機時間、運行溫度及儀器總運行時間等信息的顯示[14-15]。

4 結 語

設計了一款基于MSP430單片機的大型儀器設備運行狀態監控系統，實現了對大型儀器設備運行狀態的實時和遠程監控，可實現對大型儀器設備的開關機時間、運行時間及基本運行狀態進行監控，經過多次測試，該系統能夠滿足大型儀器設備使用機時等設備狀態的實時監控和遠程監控，系統運行穩定，具有較好的推廣應用價值。

[1] 程敬麗,樓建晴.美國大學大型儀器設備共享的管理與啟示[J]. 實驗室研究與探索,2013,32(2):168-199.

[2] 杜玉杰,趙衛紅,李桂林,等.地方高校實驗資源優化配置的實踐[J].實驗室研究與探索, 2010, 29(9):168-170.

[3] 解勝利，茍建霞.地方高校提高設備利用率，培養應用型人才[J]. 實驗室研究與探索,2011,30(11):411-413.

[4] 蔡 兵,劉姝伶,尹玲娜，等.高校大型儀器設備開放共享的實踐與探索[J]. 實驗室研究與探索,2014,33(2):259-263.

[5] 吳守輝，聞星火，薛 為,等.大型設備共享服務校級平臺建設探索和實踐[J].實驗技術與管理,2011,28(4):182-185.

[6] 王 森，余建潮，汪進前，等.基于全程管理模式的大型儀器設備管理研究與實踐[J].實驗技術與管理, 2012,29(1):198-200.

[7] 畢衛民，王連之.構建多元化共享服務體系提高大型儀器設備使用效益[J].實驗室研究與探索,2010,29(6):100-102.

[8] 余建潮.提高高校大型儀器設備使用效益的實踐與探索[J].實驗室研究與探索, 2014, 33(9):286-289.

[9] 周賢偉，韋 煒，覃伯平.無線傳感器網絡的時間同步算法研究[J]. 傳感技術學報, 2006,19(1):20-25.

[10] 朱曉榮，齊麗娜，孫 君,等.物聯網與泛在通信技術[M]. 北京：人民郵電出版社, 2010:11-120.

[11] 吳功宜.智慧的物聯網,感知中國和世界的技術[M]. 北京：機械工業出版社, 2010:2-90.

[12] 張 梅.網絡測量儀網絡數據包采集與分析的研究與實現[J]. 西安電子科技大學學報, 2011,9(1):15-20.

[13] 陳錫輝，張銀鴻.Labview8.0從入門到精通[M]. 北京：清華大學出版社, 2007:1-180.

[14] 王海濤，朱震宇.網絡測量方法和關鍵技術綜述[J].數字通信世界,2010(11):11-13.

[15] 李朝青.無線發送/接收IC芯片及其數據通信技術選編[M]. 北京：北京航空航天大學出版社, 2000:2-136.

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

國家級大學生創新訓練計劃項目資助(201310449105)；山東省高等學校教學改革立項項目資助(2012488)；山東省“十一五”教育科學規劃項目資助(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)，碩士生導師，山東省教學名師獎獲得者，主要從事光電信息技術、檢測技術與裝置的研究工作。

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

TP 391；G 642.0

A

1006-7167(2016)03-0271-04