2 智能監控儀的硬件設計
　　為了提高智能監控儀的可靠性和性價比，選用Philips公司的P87C591作為微型控制器。P87C591自帶CAN總線控制器，不占用微處理器的端口資源，大大簡化了接口電路的設計，減少了程序的復雜程度，提高了系統的穩定性和可靠性。
2.1 CAN通信模塊
　　CAN總線通信接口電路主要由P87C591的片內CAN驅動器SJA1000、光電耦合器6N137、CAN收發器PCA82C250組成。PCA82C250芯片具有高速穩定的差動發送和接收能力。為了提高抗干擾能力，CAN驅動器和收發器之間的光電隔離電路采用了雙路隔離電源模塊供電^[2]。CAN通信接口電路如圖2所示。

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2.2 信號采集模塊
　　該模塊用來檢測電機的運行狀態，包括鉑電阻溫度傳感器、電流互感器、電極式液位傳感器。分別用來檢測電機三相定子的溫度、三相主電流和電泵腔內的水位，可以有效地監測潛水電泵的過流、過熱、缺相、短路、滲漏等異常現象。
　　電流互感器選用武漢華意電子有限公司的HYH-SK-7電量傳感器，其輸入為0～100A，輸出為0～5V信號，可以直接與微型控制器P87C591模擬信號輸入端口相連；電極式液位開關輸出的是開關量信號，經過光電隔離后與P87C591的數字量輸入口相連即可；溫度傳感器選用鉑電阻PT100，為了消除長線誤差和提高測量精度，采用的是4線制基于比率法的測溫接口電路；為了實現測量三相定子溫度的目的，采用了基于ICL7109和模擬開關4051的改進型測溫電路^[3]，其原理如圖3所示。

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2.3 電機控制模塊
?　微處理器判斷電機定子溫度、電流、液位中的任一項值超出正常值范圍時，都會通過過零觸發型交流固態繼電器(SSR）觸發相應的異常處理電路，使電機得到保護。
2.4 參數設置模塊
?　報警電流、報警溫度、停機電流、停機溫度、監控儀地址、波特率等信息通過參數設置模塊存儲于基于X25045[4]的E2PROM中，實現監控儀工作參數的現場設定。下次使用時，所有參數從X25045芯片中直接讀出，而無需用戶再次輸入這些參數，使監控儀具有掉電保護功能。
2.5　狀態顯示模塊
　　采用工業上常用的七段數碼管（LED）實時顯示電機運行過程中定子的溫度和電流值。共有9個共陽極數碼管。正常模式下顯示三路溫度，設置模式下，顯示停機溫度、報警溫度和CAN網絡站號。與液晶顯示器(LCD)相比，具有抗干擾能力強、成本低、亮度高等特點。CD4094是帶三態鎖存功能的8位移位寄存器。P87C591的串行口工作在方式0下，TXD為CD4094提供位移時鐘，RXD輸出顯示數據，P1.7控制是否允許CD4094輸出并行數據。
3 智能監控儀的軟件設計
　　智能監控儀的軟件設計與硬件設計相一致，也遵循模塊化的設計原則，這使控制軟件具有易讀、易擴展和易維護的優點。通過單片機C51語言編寫相應的軟件模塊實現智能監控儀的各項功能。軟件的各個功能模塊之間通過入口和出口參數相互聯系，組合靈活方便，減少了調試時間，縮短了開發周期。智能監控儀的軟件結構流程如圖4所示。

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3.1 數據采集" title="數據采集">數據采集程序設計
　　數據采集程序處理由傳感器組件采集到的現場信號，包括：定子工作溫度、定子工作電流、電泵腔內的水位。液位信號為開關量，處理相對簡單；溫度和電流為模擬量信號，處理方法基本一致，所以只討論溫度信號的處理方法。溫度信號采集采用中斷的方式實現，其程序流程如圖5所示。

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　　為了提高抗干擾能力，提高采集數據的準確性，在A/D數據采樣中輔以一階慣性濾波法[5]實現軟件數字濾波，把干擾降低到最低程度，使監控儀運行更加準確、可靠，提高整體穩定性。
3.2 通信程序設計
　　智能監控儀的通信采用CAN總線2.0A協議^[6]，通信模塊的軟件主要由初始化子程序" title="子程序">子程序、報文接收子程序、報文發送子程序三部分組成。其中初始化子程序是實現CAN總線通信的關鍵，它主要完成CAN控制器工作方式的選擇，即對系統中的CAN控制器控制段中的寄存器進行設置。初始化過程是在CAN控制器復位模式下完成的[7]，通信程序的初始化流程如圖6(a)所示。

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　　智能監控儀與計算機之間的數據交換是通過發送程序和接收程序實現的。報文發送時只需將電機狀態數據送入SJA1000的發送緩沖區中，然后啟動請求發送。報文發送子程序流程如圖6(b)所示，監控節點采用定時中斷的方式主動向監控計算機發送數據。這是利用了CAN總線可以采用多主機方式通信的特點。由于實時監控功能是由各個控制節點完成，而監控計算機主要起到管理功能，所以采用了定時上傳數據的方法，而沒有實時上傳所有傳感器采集到的數據，從而減輕了總線負擔。正在等待的報文會從存儲器復制到發送緩沖器后，置位命令寄存器TR標志產生發送請求，發送過程由SJA1000獨立完成。基于SJA1000的報文接收有兩種方式：中斷方式和查詢方式。為了保證接收報文的準確性，選擇實時性較高的中斷方式。在中斷方式下，如果SJA1000已接收一個報文，并且報文已通過驗收濾波器并放在接收FIFO，則會產生一個接收中斷，通知微處理器有報文已經接收。報文接收子程序流程如圖6(c)所示，接收緩沖區用來存放CAN總線上發來的數據，CPU讀取數據后接收緩沖區將被清空，等待接收新的數據。
4 測試實驗
4.1 數據采集實驗
　　數據采集實驗包括溫度采集與顯示、電流采集與顯示、液位檢測與顯示三個部分。溫度采集實驗的目的是為鉑電阻的非線性校正提供實測數據和檢測顯示電路的工作狀況。非線性校正可以用硬件、軟件兩種校正方法。本文采用軟件方法對鉑電阻進行非線性校正，不但節省了大量的硬件開支，使測量電路簡單，而且精度也可以大大提高。由于鉑電阻-溫度曲線的曲率和斜率的變化都較小，所以采用了等距離分段的“線性插值法”實現鉑電阻的非線性校正。
4.2 單機測試實驗
　　單機測試實驗主要內容有：顯示功能、參數設置功能、故障報警功能、停機功能、自啟動功能等。在現場進行單機測試實驗時，出現了異常，每次剛剛啟動電源，控制系統就自動斷開電路。其原因是控制系統軟件中沒有考慮到電機啟動電流的問題。電機的啟動電流可以大出正常工作電流的1.5～2倍，而控制系統設置的“報警電流”及“停機電流”都是針對正常工作狀態的，所以電機啟動時，系統認為已經達到了“停機電流”，便斷開了電路。為此修改了軟件程序，在電流值從0變化到非0后的10秒鐘內不發出控制指令，可以避開啟動電流。
4.3 聯網測試實驗
　　聯網測試實驗的主要內容有：(1)上位機" title="上位機">上位機顯示各個監控儀的工作情況。(2)上位機廣播設置所有監控儀的工作參數，以及設置某個具體監控儀的工作參數。(3)對于工作過程中新加入或退出的泵站，上位機系統可以自動檢測到。(4)上位機可以把當天的工作情況記錄到一個日志文件中。(5)數據傳輸的實時性。聯網測試的網絡組建如圖7所示。

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　　本文設計了具有CAN總線通信接口的潛水電泵智能監控儀，經過現場測試實驗，能夠實時顯示潛水電機的工作溫度和定子電流；可以對潛水電機運行過程中出現的過流、過熱、短路、滲漏情況做出處理，對電機起到了保護作用；現場智能監控儀與上位監控計算機之間的數據通信穩定可靠，監控計算機實時顯示潛水電泵的運行狀態數據，并以數據文件的形式保存，便于查詢；可以通過參數設置模塊現場修改智能監控儀的參數。實驗結果表明，該監控儀具有適用性和可靠性，開發過程中所提出的技術方案和實現方法可以在溫控控制系統及分布式監控系統的設計中推廣應用。