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简析泵站现场控制的软件设计

[ 时间:2018-02-08 来源:http://www.kenflor.com 作者:佛山肯富来水泵厂 点击: ]

泵站现场控制单元的程序要完成各种数据的采集,命令的实行;GPRS模块接收到命令,传给单片机,单片机根据命令的不同内容控制开关量或者给数据采集模块或者摄像头发出数据采集命令,单片机得到相关开关量或者数据信息后传递给GPRS模块,然后GPRS模块发送给服务器。

 

佛山肯富来水泵厂对下位机程序的基本设计思路就是结构化设计,把系统安装功能分解成若干个模块,每个模块具有一定的独立性,但是彼此之间还有一定的联系,每个模块实现一个基本功能,这些模块综合构成了实现系统的基本功能。

 

系统首先对单片机、串口及外围电路的初始化,如单片机内部定时器、串口扩展芯片、外部接入的水位开关与霍尔传感器等,之后初始化GPRS模块并连接到GPRS网络。随后通过GPRS网络与相关远端服务器的地址信息发送连接请求,建立与远端服务器的通信通道,如果连接不成功,则重新连接。在主程序中,首先接受两个开关量的数据信息,如果接到水位开关和霍尔传感器开关的信号输入,则接受信息并发送相关警告信息给服务器端,没有收到信号输入,单片机继续待机。随时准备通过GPRS模块接收服务器端发来的命令,如果接受的是控制命令,单片机向继电器发出相关信号,控制继电器的开与关,不用向服务器返回数据;如果是数据采集命令,按照相应的命令向通过RS485线连接的各智能电表发出符合modbus通信协议的采集指令,接收到水泵相关数据后通过GPRS模块发送给远端服务器;如果是图片采集命令,就通过与摄像头连接的串口发送相关图片采集指令,接收到二进制的图片数据后通过GPRS模块发送给远端服务器;流程图如图1所示。

图1:下位机软件总体流程

下位机软件总体流程

现场控制单元即下位机开发程序采用单片机C语言编写,开发环境采用KEILMDK,实现本系统下位机软件设计。包括uVision4集成开发环境和keilMDK针对嵌入式处理器的开发工具,支持stm32处理器,且它包括以下特点:

1、可以设置软件启动代码,芯片档案内置有丰富的启动代码文件;

2、设备模拟功能十分强大,可以仿真整个目标硬件,包括快速指令集、外部信号和10口、中断过程、片内外围设备(ADC、DAC、EBI、Timers、UART、CAN、I2C)等,能够让软硬件同时进行开发,缩短开发周期;

3、软件内部带有性能分析器,软件开发人员可以利用其查看代码覆盖情况、程序运行时间、函数调用次数等功能,对水泵优化能够起到关键作用;软件自带RealView编辑器,能够使代码容量小,执行效率高,系统成本低。

 

1、主程序设计

给下位机上电后,下位机内部自动开始初始化,主要是MCU初始化和串口的初始化,通过设定MCU内部资源和与外部相关部件连接的管脚相关寄存口及相关串口控制相应信号单元,主要包括4个10口和两个USART串行接口,最后是GPRS模块与摄像头的初始化。

 

2、通信程序设计

主要是通过GPRS网络实现下位机与远端服务器数据交换,下位机端主要是通过利用与单片机USART串口连接的GPRS模块接收水泵数据以及发送数据,采用TCP/IP协议,有人GPRSDTU内部已经内置有TCP/IP协议,只需简单配置GPRS模块的端口号、远端服务器的IP地址和工作模式等参数。下位机初始化以及GPRS模块参数初始化后,向远端服务器发起连接请求,如果连接不成功,再向服务器发送请求。

 

3、两路开关量信号采集程序

两路开关量主要是指液位浮球开关和霍尔传感器开关,当它们产生信号时,单片机能够采集到产生的信号。浮球开关上的浮球随着出水池水位变化,到达浮球限制顶端即限定的出水池最高水位时,浮球开关会通过与MCU连接的10口传递给单片机一个电子信号,下位机根据这个信号,向远端服务器发送出水池水位达到上限的警报信息。霍尔传感器主要是安装在泵站的门口处,在门上和霍尔传感器相对应的位置,安装有一个小磁铁,当小磁铁和霍尔传感器一端相对应时,霍尔传感器不产生信号;如果小磁铁与霍尔传感器离开时,霍尔传感器给单片机发出相应电子信号,下位机根据信号,向远端服务器发送泵站门已经被打开的警报信息。

 

4、继电器程序设计

单片机通过10口与继电器连接,当给继电器模块一个低电平时,继电器闭合,打开控制电路;当给继电器模块高电平时,继电器断开,关闭控制电路,在系统中继电器的控制电路就是水泵的开关电路,以此实现继电器控制水泵开关的功能。当下位机接收到服务器的指定控制命令时,单片机向继电器模块传递一个高电平或者低电平。

 

5、数据采集程序

系统主要要采集的数据有水泵的电流和电量,泵前水深,水泵的瞬时流量和累计流量等,单片机没有直接采集这些数据,主要是通过读取相关数据采集智能仪器,有智能电表、智能液位测量仪和电磁流量计,这些仪器也是由单片机控制的数据采集系统,单片机之间可以实现数据交换,所以数据采集程序也是一个单片机通信程序。下位机的MCU与相关数据采集智能仪器之间通过RS485总线连接,采用ModbusRTU通信协议,实现之间数据交换。

6、图像采集程序

 

图片采集主要通过与单片机USART连接的摄像头完成,当单片机接到摄像头采集命令后,向摄像头发送相关指令,摄像头完成拍照产生图片并压缩图片,传回给单片机,单片机再通过GPRS网络发送给远程服务器,实现现场图片采集功能。由于图片一般数据较大,达到3K以上,而GPRS网络一般传输速度较慢,可能需要几十秒的时间,所以在执行图片采集命令后,一般要隔一段时间再发送命令。

 

本文的主要内容是系统下位机的程序设计,采用C语言编程,采用KEILMDK开发环境。程序设计包括系统主程序、两路开关量信号采集程序、继电器控制程序、水泵数据采集程序以及图片采集程序。系统主程序包括系统初始化和GPRS模块初始化,MCU与相应模块波特率相同,对MCU相关串口与中断设置。两路开关量信号采集程序主要是接收相关传感器信号,然后发送报警信息给远端服务器。继电器控制程序主要是MCU接收并解读远端服务器命令,根据相关命令控制继电器开与关。数据采集程序主要是接收相关数据采集命令,随后把符合Modbus通信协议的数据采集指令通过RS485口发送给相应智能数据采集模块,接到传回的数据后,解析数据并发送给服务器。图片采集程序包括接收到图片命令后,通过相应串口发送命令给摄像头拍照指令,摄像头完成拍照后传回图片信息,MCU再把信息发送给服务器。

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