隨著工業(yè)液位測(cè)量系統(tǒng)的自動(dòng)化程度不斷提高，大量的智能儀表得到廣泛應(yīng)用，越來(lái)越多的工控設(shè)備具備了與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信的功能。工控監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中存在多系統(tǒng)、多通信協(xié)議并存的喜愛(ài)你想，使得工控應(yīng)用軟件的開發(fā)收到限制，每次開發(fā)新的應(yīng)用程序時(shí)，都要深入理解現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，重新編寫相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，耗費(fèi)了巨大的人力、物力，開發(fā)過(guò)程也因此變得繁瑣、開飯拿度增大、周期邊長(zhǎng)。OPC（OLE for Process Control，用于過(guò)程控制的OLE）規(guī)范的出線很好的解決了這一問(wèn)題。OPC規(guī)范是一系列規(guī)范的集合，具有OPC DA規(guī)范、OPC A&E規(guī)范、OPC XML-DA規(guī)范等。在這些規(guī)范中，OPC DA規(guī)范是其它所有規(guī)范的基礎(chǔ)，也是應(yīng)用泛的OPC服務(wù)器。OPC DA規(guī)范基于微軟的COM/DCOM技術(shù)，為工業(yè)控制軟件設(shè)計(jì)的一套標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)象、接口和屬性集，通過(guò)這一套標(biāo)準(zhǔn)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換方式的標(biāo)準(zhǔn)化。目前市場(chǎng)上的液位測(cè)量?jī)x雖然都能夠?qū)崿F(xiàn)基本的液位測(cè)量，但不具備專門的OPC接口對(duì)外發(fā)布數(shù)據(jù)，因此，本文提出一種基于OPC接口的磁致伸縮液位計(jì)液位測(cè)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)OPC服務(wù)器實(shí)現(xiàn)了液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)的對(duì)挖統(tǒng)一接口，真正消除了傳統(tǒng)液位測(cè)量?jī)x彼此孤立、數(shù)據(jù)脫節(jié)的現(xiàn)象，應(yīng)用軟件只需具備O P C 客戶端，就可以不用管設(shè)備上數(shù)據(jù)傳輸?shù)母袷健f(xié)議，即可正確獲取O P C 服務(wù)器上的數(shù)據(jù)。
1 磁致伸縮液位測(cè)量?jī)x總體設(shè)計(jì)
磁致伸縮液位測(cè)量系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖。本系統(tǒng)采用 A R M Cortex-M 4 系列T M 4 C 1294N C P D T I 芯片作為主控制器，主系統(tǒng)頻率可達(dá)120M H z ，能夠提供足夠的時(shí)間分辨率捕獲回波信號(hào)，保證了液位測(cè)量數(shù)據(jù)的精度。激勵(lì)脈沖電路部分設(shè)計(jì)了三極管射極跟隨緩沖電路，定時(shí)產(chǎn)生幅值較大的脈沖電流信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)傳感器工作。信號(hào)處理電路部分對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行采集處理，過(guò)濾干擾信號(hào)，放大有用信號(hào)以供處理器捕獲。觸摸屏米用迪文公司的D G U S 屏，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中參數(shù)的設(shè)定，數(shù)據(jù)標(biāo)定等工作。數(shù)據(jù)外部存儲(chǔ)采用S D 卡，采用SPI方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫。同時(shí)設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)上下限報(bào)警功能，控制外部泵、閥開關(guān)。一個(gè)測(cè)量周期完成后，通過(guò)Modbus T C P 協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送至O P C 服務(wù)器上，O P C 服務(wù)器收到數(shù)據(jù)后，將以O(shè) P C D A 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)布，以供其他帶有O P C 客戶端的應(yīng)用程序直接訪問(wèn)，獲取數(shù)據(jù)。
1 . 1 磁致伸縮位移傳感器測(cè)量原理
該傳感器利用波導(dǎo)絲的磁致伸縮效應(yīng)開發(fā)而成，傳感器結(jié)構(gòu)如圖2 所示，由電子倉(cāng)、波導(dǎo)絲、探測(cè)桿、活動(dòng)磁鐵、阻尼器等組成。當(dāng)在電子倉(cāng)內(nèi)的感應(yīng)線圈上施加電流激勵(lì)脈沖信號(hào)時(shí)，波導(dǎo)絲上產(chǎn)生瞬時(shí)電流，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，波導(dǎo)絲周圍瞬時(shí)產(chǎn)生磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)與活動(dòng)磁鐵周圍的磁場(chǎng)相遇，產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)波，扭轉(zhuǎn)波迅速向兩端傳播，一端被阻尼器吸收，另一端被感應(yīng)線圈檢測(cè)[4]。扭轉(zhuǎn)波傳播的速度已知，根據(jù)波導(dǎo)絲材質(zhì)而定，一般為2800m / s [5]。傳播時(shí)間通過(guò)感應(yīng)線圈采集信號(hào)的時(shí)間間隔得出。
1 . 2 信號(hào)處理電路
兩級(jí)信號(hào)放大電路。由于扭轉(zhuǎn)波經(jīng)過(guò)感應(yīng)線圈變換后的回波信號(hào)會(huì)發(fā)生衰減，幅值較小（約2m V ) 、頻率較高、并且極易被噪聲淹沒(méi)。選用M A X I M 公司的具有高輸入阻抗、高帶寬、穩(wěn)定的放大倍數(shù)和帶寬增益積為200M H z 的雙通道運(yùn)算放大器M A X 4453[6]。考慮到傳感器的工作環(huán)境比較惡劣，存在外部擾動(dòng)、噪聲干擾、共模干擾等，因此采用雙端輸入，單端輸出的差動(dòng)放大電路和同相放大電路對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行多級(jí)放大。差動(dòng)放大電路放大差模信號(hào)，抑制共模信號(hào)，同相放大電路則繼續(xù)對(duì)回波信號(hào)的幅值進(jìn)行放大。經(jīng)過(guò)兩級(jí)放大后，又串接兩級(jí)同相放大電路，總閉環(huán)增益可達(dá)1100倍，回波信號(hào)的可檢測(cè)性大大提高，使得傳感器的穩(wěn)定性也大大增強(qiáng)。
2 O P C 服務(wù)器設(shè)計(jì)
O P C 通信采用客戶服務(wù)器模型，建立了一套在硬件供應(yīng)商和軟件開發(fā)商之間數(shù)據(jù)交互遵循的標(biāo)準(zhǔn)。 基于O P C 客戶/服務(wù)器模型的磁致伸縮液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖。軟件開發(fā)商無(wú)需了解工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)儀表傳輸數(shù)據(jù)遵循的協(xié)議，只要具備了O P C 客戶端接口，即可訪問(wèn)到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)每個(gè)儀表的測(cè)量數(shù)據(jù)，進(jìn)行相應(yīng)的應(yīng)用軟件的開發(fā)，使得用戶從開發(fā)底層中脫離出來(lái)，方便了開發(fā)過(guò)程，提高了開發(fā)效率。
O P C 服務(wù)器由三層邏輯對(duì)象構(gòu)成: O P C 服務(wù)器對(duì)象、O P C 組對(duì)象和O P C 項(xiàng)對(duì)象。其中O P C 服務(wù)器對(duì)象和O P C 組對(duì)象是標(biāo)準(zhǔn)的C O M 對(duì)象，提供了一組標(biāo)準(zhǔn)的C O M 接口，O P C 客戶端就是通過(guò)這些接口與O P C 服務(wù)器取得通信[7]。O P C 項(xiàng)對(duì)象是客 戶端與服務(wù)器數(shù)據(jù)交互的基本單元。O P C 接口的開發(fā)方式主要有三種：（1)借助M F C 軟件對(duì)C O M 的支持進(jìn)行開發(fā)；（2 ) 通過(guò)A T L的方式進(jìn)行開發(fā)；（3 ) 通過(guò)第三方提供的開發(fā)包進(jìn)行開發(fā)。通過(guò)比較分析，前兩種開發(fā)方式涉及許多底層的Windows A P I，開發(fā)難度較大，開發(fā)周期也較長(zhǎng)，并且遵循的是O P C 服務(wù)器同意標(biāo)準(zhǔn)，在實(shí)現(xiàn)上有很多相似之處，這無(wú)疑是一種冗余勞動(dòng)。因此本文采用第三種開發(fā)方式，即通過(guò)O P C 服務(wù)器開發(fā)工具進(jìn)行O P C 服務(wù)器的開發(fā)。
本文米用FactorySoft公司提供的FSServer. dll開發(fā)包進(jìn)行開發(fā)，在V C + + 6 . 0 環(huán)境下創(chuàng)建基于對(duì)話框的M F C 應(yīng)用程序，在程序中調(diào)用FSServer. dll的函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)O P C 服務(wù)器的建立。服務(wù)器需手動(dòng)注冊(cè)啟動(dòng)，運(yùn)行G U I D G E N . e x e程序產(chǎn)生一個(gè)G U I D賦值到程序中相應(yīng)的位置，如下所示為生成的一個(gè)G U I D 。CLSID CLSID_OPCServer ={0xb61b9100, 0x3059, 0x11d 1 ， { 0x8d ， 0x5a ，0x2 6，0x5 1，0xe9 ，0x0 ，0x0 ，0x8 } }；在工程文件函數(shù)初始化中，可判斷O P C 服務(wù)器是否完成啟動(dòng)，其中部分初始化代碼如下所示：
AfxEnableControlContainer();
OleInitialize(N U L L ) ；
if ( ! StartFSServer ( m _ hInstance， & C L S I D _
OPCServer) )
return F A L S E ；
if( F A I L E D ( RegisterServer( ) ) )
AfxMessageBox ( _ T ( " RegisterServer
Failed" ) ) ；
SetCallbackObject( new ShellCallback ) ；
O P C 服務(wù)器啟動(dòng)完成后，在callback. c p p 文件中繼續(xù)建立O P C 組對(duì)象、項(xiàng)對(duì)象。這些對(duì)象一旦在O P C 服務(wù)器中建立起來(lái)后，在O P C 客戶端啟動(dòng)連接時(shí)，會(huì)自動(dòng)按照O P C D A 數(shù)據(jù)傳輸方式生成對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)項(xiàng)。再將傳輸協(xié)議中對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)放到相應(yīng)的項(xiàng)中，就完成了 O P C 服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)的獲取、發(fā)布。添加、建立O P C 服務(wù)器中的組、項(xiàng)的代碼如下：
// create a static tree of tags
Branch * pBranch = new Branch(" Data" ) ；
m _root. AddBranch( pBranch ) ；
ShellTag* pTag_Shift = new ShellTag(" Shift" ，
pBranch) ；
pTag_Shift - > m_nativeType = V T _ R 8 ；/
this tag returns a Short
pTag_Shift - > m_type = 2 0 ；
pBranch - > AddTag( pTag_Shift ) ；
3 M o d b u s T C P 設(shè)計(jì)
以太網(wǎng)通信技術(shù)現(xiàn)已發(fā)展成熟，由于其可靠的傳輸，方便的配置，高效的通信速度，使得該技術(shù)在工業(yè)測(cè)量控制領(lǐng)域被越來(lái)越多地采用，T C P / I P協(xié)議運(yùn)用逐漸增多，方便了設(shè)備之間、設(shè)備與監(jiān)控平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)傳輸。T C P / I P 協(xié)議是Internet的基本協(xié)議，規(guī)定了設(shè)備接入Internet的方式和設(shè)備間傳輸數(shù)據(jù)的方式[8]。M o d b u s協(xié)議是工業(yè)上的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，基于M o d b us協(xié)議的設(shè)備一般采用主從技術(shù)進(jìn)行通信， 主機(jī)既能以單播的形式和網(wǎng)絡(luò)中的叢機(jī)單獨(dú)通信，也可以用廣播的形式和所有叢機(jī)通信[9]。當(dāng)叢機(jī)收到主機(jī)的一份單播報(bào)文，并且設(shè)備地址與本機(jī)一致時(shí)，叢機(jī)根據(jù)功能碼返回一份相應(yīng)的報(bào)文。
Modbus T C P 是M o d b u s協(xié)議和T C P / I P協(xié)議在工業(yè)應(yīng)用中的結(jié)合，液位測(cè)量?jī)x的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸部分設(shè)計(jì)了 Modbus T C P 數(shù)據(jù)傳輸功能。T C P / I P協(xié)議是眾多網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的組合，為了能夠滿足多種協(xié)議功能的需求致使T C P / I P 協(xié)議棧包含眾多的協(xié)議，規(guī)模龐大。由于本系統(tǒng)中并不需要使用所有的網(wǎng)絡(luò)通信功能，因此對(duì)T C P / I P 協(xié)議棧進(jìn)行精簡(jiǎn)，設(shè)計(jì)的滿足需要有節(jié)約資源的協(xié)議棧。鏈路層包含了設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序以及相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)接口卡；網(wǎng)絡(luò)層包含了 A R P 、IP、I C M P 三種協(xié)議，其中A R P 用于I P 地址向M A C 的映射轉(zhuǎn)換，I P 是核心協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的統(tǒng)一編址，使不同的網(wǎng)絡(luò)和不同的設(shè)備能夠互聯(lián)，I C M P 為網(wǎng)絡(luò)控制報(bào)文協(xié)議，顯示目的主機(jī)、端口、網(wǎng)絡(luò)是否可達(dá)等情況，主要用于判斷網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài);運(yùn)輸層主要為兩臺(tái)主機(jī)提供端到端的通信，這里設(shè)計(jì)了面向連接的可靠的T C P 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，主要負(fù)責(zé)將一臺(tái)主機(jī)生成的字節(jié)流無(wú)差錯(cuò)地發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)上的其他主機(jī)上;應(yīng)用層負(fù)責(zé)處理特定的應(yīng)用程序細(xì)節(jié)，實(shí)現(xiàn)M o d b u s協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸。
4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
O P C 客戶端成功訪問(wèn)O P C 服務(wù)器后顯示的數(shù)據(jù)，O P C 服務(wù)器中建立了三個(gè)被訪問(wèn)的數(shù)據(jù)項(xiàng):位移（Shift) 、周期捕獲脈沖數(shù)（Count) 、環(huán)境溫度（T E M P ) 。O P C 服務(wù)器周期性訪問(wèn)到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量數(shù)據(jù)，并存放到建立的數(shù)據(jù)項(xiàng)中。O P C 客戶端成功連接后，當(dāng)O P C 服務(wù)器項(xiàng)中數(shù)據(jù)有所變化，O P C 戶端中數(shù)據(jù)也即可作出相應(yīng)的改變。實(shí)驗(yàn)測(cè)量的為2m 的位移，實(shí)際測(cè)得的數(shù)據(jù)為1.991m ，在測(cè)量時(shí)間內(nèi)，數(shù)據(jù)有1 3 7次變化，溫度有5 0 次的改變。從測(cè)量結(jié)果來(lái)看，能保證測(cè)量精度。同時(shí)應(yīng)用程序的開發(fā)人員，也無(wú)需耗費(fèi)較多的時(shí)間去編寫深入底層的數(shù)據(jù)獲取解析協(xié)議，通過(guò)O P C 客戶端即可訪問(wèn)到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)。
5 結(jié)束語(yǔ)
本文設(shè)計(jì)了一款基于O P C 服務(wù)器的磁致伸縮液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。采用A R M Cortex-M 4 系列T M 4 C 1294N C P D T I 芯片作為主控制器，實(shí)現(xiàn)了 M o d busTcp 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議 ，并在 FactorySoft 公司推出的FSServer. dll開發(fā)包的基礎(chǔ)上完成了 O P C 服務(wù)器的設(shè)計(jì)。克服了傳統(tǒng)的液位測(cè)量?jī)x表的缺陷，實(shí)現(xiàn)了儀表的智能化、網(wǎng)絡(luò)化和規(guī)范化，滿足了當(dāng)前工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)液位測(cè)量的發(fā)展需要，具有較高的實(shí)用價(jià)值和推廣意義。
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