实验设备运行状况监测系统的设计与实现

2．2 数据采集
数据采集是指采集设备用电电流大小。电流互感器将流过设备的大电流变换为5～20 mA小电流后，调节所连接的负载，可转换为0～5 V电压信号。设备在开机、关机状态时，电流不同，每种状态对应特定电压阈值。阈值判断有两种方式：比较器、A／D转换。
1)比较器 比较器为常见的集成运算放大器LM324。同相端连接负载两端的电压信号，反相端连接参考电压，当同相端输入电压大于反相端电压时，运算放大器输出端CMP为高电平，反之输出端CMP为低电平，控制器通过采集运算放大器输出CMP，判断设备工作状况。可以通过调整R1，R2阻值，改变参考电压大小，适应不同设备的工作状态，一般用滑动变阻器代替R1，R2。图5所示为比较器方式下的原理图。

2)A／D转换 A／D转换和比较器方式原理上一样，都是获取转换后的直流电压(转换详见外围电路一节)大小。二者区别在于比较器方式是通过输出的高低电平判断设备工作情况，不需了解确切的电压值，A／D方式则将电压转换为数字量，然后和阈值比较，做出判断。
从上面可以看出，两种方式都可以实现设备工作状态的判断，但比较器方式明显不具备通用性；当更换设备时，根据分压计算R1，R2后，才能调节，而且可调电阻寿命有限；电流波动时，比较器输出电平频繁改变。A／D转换的方式则比较灵活，更换设备后，可重新下载电流阈值(不是整个程序)。因此，系统采用A／D方式采集数据。
2．3 外围电路
外围电路也是系统的重要组成部分，主要包括峰值检波、实时时钟、存储器。
1)峰值检波
由于电流互感器输出信号为交流信号，不管采用何种方式采集数据，都需要将其转换为直流信号，峰值检波就是解决将交流信号转换为直流信号的电路，且交流信号峰值电压和转换后的直流信号电压相同。电压采集完毕后，对电容放电，进行下一次峰值检波。其原理是利用二极管的单向导电性以及电容储能作用。图6所示为峰值检波原理图。

由于电流互感器输出为交流信号，如果运放大器放采用单极性电源供电，峰值检波效果不好，因此，采用正负9 V供电。此外，运放放大器采用9 V供电，还可以避免因输入信号过大而饱和。二级运放输出连接5 V稳压管，防止电压过大，烧毁单片机A／D管脚。
2)实时时钟和存储器
当中位机或者上位机未工作时，电流监测模块需要将相关数据暂存起来，在中位机和上位机下次上电工作时，再发送数据。因此，电流监测模块需要存储带有时间标识的数据，系统分别采用AT24C02和DS1302作为存储器和时钟芯片。图7为实时时钟和存储器电路，图中Bat为电池，在设备断电时给时钟供电，保证时间的持续性。

2．4 通信接口
系统把从电流检测模块所采集的数据发送给上位机管理系统，需通过Zigbee和485总线两种通信方式。系统所采用的Zigbee数据接口为TTL型UART，可以和控制器直接相连，因此不再详细介绍。485作为一种总线标准，具有传输距离远，可挂接多个负载的特点，但相比于UAR T，外围电路也稍显复杂。图8为485总线接口原理图。中位机数据发送端转换为485电平后，连接图中A、B引脚。

3 软件及协议设计
软件作为系统的灵魂，直接关系着系统的可靠性、高效性、易用性，实验设备运行状况监测系统软件包括控制器程序设计，中位机程序设计，以及上位机管理系统设计。中位机作为数据转发单元，只需将收到数据按照数据包目的地进行转发即可。
3．1 软件设计
1)控制器程序 控制器主要负责数据采集、数据处理、数据存储、时钟校正、数据发送等功能。产生定时中断后，控制器调用A／D转换程序采集电压信号，并根据中位机或上位机运行状态决定直接发送还是存储起来(调用IIC写程序)，等待时机发送(调用IIC读程序)。产生串口中断后，控制器首先解析数据包内容，根据标识码判断需要校正时间，更新设备不同状况下电流(转换后为电压)的阈值，或是获知管理系统的运行状态。
2)管理系统 管理系统亦即运行于上位机上的软件，基于Visual Basic程序开发平台，负责数据接收，设备管理，报表生成等功能。管理系统可以实时的显示设备当前运行状态，也可以了解一段时间内设备运行状态时，查看历史数据或给电流监测模块发送命令更新数据。管理系统在数据库中为每个实验室建立一张数据表，存储设备的状态信息。系统收到数据后，判定属于哪个实验室，然后存入相应的数据表中，并判断是历史数据还是实时数据，如果是实时数据则会通过状态显示区不同颜色指示设备状态。系统还可以定期对数据做报表，方便相关人员查看。管理系统如图9所示。

3．2 协议设计
协议是衔接下位机、上位机软件的支架，只有遵循协议，进入通信链路的数据，才可以被识别并响应。协议具体如下。
1)电流监测模块通过中位机向管理系统发送的数据包。共有3种类型：电流监测模块发送数据时，而中位机或上位机未工作时发送的数据包A；电流监测模块实时发送数据的数据包B；对管理系统的确认数据包C。长度为20字节、8字节和7字节，分别如表1，表2，表3所示。