??? 摘??要： 分析了化學參數測控儀表智能化、網絡化、集成化的發展趨勢，研究了水質環境參數中溶解氧、溫度、PH值、電導率等的測量補償算法和相關控制策略。介紹了測控儀的硬件組成原理、測控電路以及軟件功能和流程。該測控儀已成功應用在水產養殖監控系統中。
??? 關鍵詞： PROFIBUS-DP? 測控儀? 環境參數
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??? 水質環境參數的檢測控制與工農業生產及百姓生活密切相關。我國從上世紀50年代開始，已先后研制和生產了各種型號的工業PH計、DO計及電導率計等儀表。但普遍存在造價高、功能單一、無法和現場總線控制系統連接的問題。隨著控制、計算機、通信和網絡的不斷發展，測控儀表正朝著智能化、網絡化、集成化的方向發展。因此，研制一種帶有現場總線接口，能夠實現多種環境參數檢測控制的通用型智能儀表，具有廣泛的應用價值和市場前景。
1? 多環境參數的檢測原理和算法
??? 多環境參數檢測過程所用到的化學傳感器，其輸出多是非線性的，除了與被測水體的化學含量有關外，還與溫度、氣壓及鹽度等其他參數密切相關，且在被測溶液的作用下，傳感器的輸出會產生漂移。因此一般在測量前都需要進行溫度補償、零點及最大值的標定校正。此外，由于制造工藝因素，不同傳感器的零點殘余電流和最大量程電流存在一定的差異。在分析試驗中分析不同傳感器原理特性和多參數關系的基礎上，本文總結出各參數的檢測算法和實現方法。
1.1 溶解氧的測量
??? 溶解氧測量采用YSI5739型傳感器，其電極的陰極由4mm的黃金片組成，陽極即參比電極為銀電極，二極的空間充以電解液，二端用具有通透選擇性聚四氟乙烯薄膜覆蓋。當對金電極與銀電極間加0.7V左右的極化電壓時，水中溶解氧透過薄膜，在陰極上還原，產生穩定的擴散電流。電流大小可用下列公式表示：
??? L=K·n·F·A·Pm·Cs/Dm
??? 試驗表明，在其他參數（溫度、鹽度、大氣壓）不變的情況下，擴散電流的大小與樣品中氧分壓成正比例關系，故測得電流值便可計算出溶解氧的含量。溶解氧傳感器調理電路如圖1所示。
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??? 調理電路的輸出Uo飽和氧電壓隨溫度而上升，相同溫度下不同傳感器的電壓值也不盡相同，但同一傳感器的飽和氧電壓在不同溫度下成確定的比例關系，公式表示為：
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??? Utn、Ktn為tn溫度下的飽和溶氧電壓和氧溫系數。由關系式I=KCs和U=I0C可知，在一定溫度下，溶氧電壓U正比于氧濃度O。溶氧量溫度補償關系如圖2所示。
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??? 由圖2可知：
得出：
??? 上式中：Utx為tx溫度下的飽和溶解氧電壓，Ut0為t0溫度時的校準飽和溶解氧電壓。校準量Ut0用以表征不同傳感器斜率特性。在測量中，將各溫度下的Ktx、Otx值存放在智能儀表EPROM中，Ut0由校準操作存放在E2PROM中，這樣就可由檢測到的Ux計算出溶解氧含量。另外，為了進一步提高溶解氧的測量精度，還要檢測大氣壓和水質電導率，用于對溶解氧進行實時補償。
1.2 PH值測量
??? PH值測量傳感器選用上海雷磁E-201-C型塑殼可充式復合電極，該電極是玻璃電極和參比電極組合在一起的塑殼可充式復合電極，其測量范圍在0～14PH，輸出為電壓信號，無需進行i-v的變換。PH值的信號調理電路如圖3所示。
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1.3 鹽度（電導率）測量
??? 鹽度（電導率）是衡量水質的一項重要指標。當水環境遭受污染或富營養化威脅時，往往會導致水中離子濃度增加。對水中鹽度動態變化過程的監測，可及時反映池水污染程度的變化，同時還可為精確測定溶氧提供補償參數。本設計使用電導電極作為傳感元件，通過測定水的電導率來計算鹽度。其測量電路如圖4所示。
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??? 測量時，將電導電極固定放置在水中，當振蕩器輸出一定頻率的交變信號時，在插入電導池中的電導電極之間便形成交變電場，在電場的作用下，液體導電而產生電流Ix。測量放大器是一個高輸入阻抗的運算放大器，根據運算放大器基本特性有：
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??? 上式表明，水的電導率δx與運算放大器的輸出電壓V1成正比，即與運算放大器的輸入電流Ix成正比(K、Vs、RF、γ均為常數)。精確測量出V1值，便可得到被測溶液電導率δx，從而計算出水中的含鹽量。在實際使用前，需進行標定，以確定電極電流Ix與鹽度之間的比例因子，測控儀將自動把相應的校準系數存入E2PROM中。
2? 測控儀總體硬件結構
??? 測控儀由單片機系統＋SPC3實現，直接面向控制對象，用于對現場環境參數進行檢測和控制，即對各傳感器采集進來的參數如溫度、溶氧量、大氣壓、鹽度、PH值等的電壓信號按特定算法進行校準、補償運算，計算結果經LCD顯示出來。測控儀通過SPC3采用RS485與主站進行雙向通信，發送環境參數值，同時獲取主站指令，調整PID參數，自動調節溶解氧和溫度，關啟電磁閥和水泵，使系統實現最優控制。測控儀總體結構如圖5所示。
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??? 在設計中，為了加強可移植性和靈活性以及便于同其他總線相兼容，將通信接口分成SPC3通信板與測控儀表主板。智能儀表主板與SPC3通信板只要留出接口部分的接線即可。
3? 智能從站通信接口芯片SPC3
??? 本設計選用SIMENS公司的智能從站通信接口芯片SPC3，其內部結構示意圖如圖6所示。SPC3集成了DP協議中的MAC和FDL層，可以承擔通信部分的微處理器負載，實現DP從站通信處理；SPC3通過它的雙口RAM與微處理器交換數據，微處理器操作SPC3芯片就像操作它的外部RAM；SPC3的總線接口是一個可參數化的同步/異步接口，適合于Motorola和Intel的微控制器/處理器。DP通信的服務存取點由SPC3自動建立，用戶通過訪問不同BUF的內部數據即可得到各種報文信息； SPC3內部集成1個看門狗定時器，操作于3種不同的狀態：波特率監測、波特率控制和DP控制。內部的UART實現串并數據流的相互轉換，且SPC3可以自動標識總線的波特率(96Ｋ～12Ｍbps)。空閑定時器控制串行總線電纜上的總線定時。微序列器(Micro Sequencer，MS)控制整個SPC3的工作過程。內部集成了1.5ＫB格式化的雙口RAM，用戶程序通過對它的訪問與SPC3交換數據。
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4? 多環境參數的控制策略
??? 針對環境參數變化緩慢、時滯性大的特點，采用了模糊控制和自校正PI控制等控制策略。以水中溶解氧控制為例，溶解氧恒定過程中，供氧與耗氧持平，溶解氧可認為保持不變，是一個純滯后過程；溶氧上升過程為一大時間常數的一階慣性環節。因此，水池增氧的數學模型可等效為一個帶純滯后的一階慣性環節，系統中其他控制和檢測環節的時間常數和滯后時間常數相比，可忽略不計，均可等效為比例環節。因此，增氧的近似模型為：
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??? 由于水位、溫度、放養量等參數的時變性，很難建立一個精確的數學模型對其進行控制。而模糊控制不需要了解系統的數學模型及參數，對于未知模型的系統具有很大的實用價值，因此本測控儀采用模糊控制策略來實現溶解氧控制。模糊控制器采用雙輸入單輸出結構，分別用溶氧偏差E和溶解氧變化率EC作為輸入變量,以調節變頻器輸出頻率的控制量U作為輸出變量。E、EC、U相應的論域分級為NL、NM、NS、ZO、PS、PM、PL，論域：E、EC為{-3.0，-1.5，-0.5，0，0.5，1.5，3.0}；U為{-5，-3，-1，0，1，3，5}。根據過程控制的成熟經驗可以得到對應控制量的一系列語言規則：如 If E＝NB and EC＝NB then U＝PB，進一步歸納整理可確定系統溶解氧的模糊控制規則表如表1所示。
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5? 系統軟件設計
??? 測控儀軟件是一個較復雜的程序。本設計中兼顧開發效率和代碼運行速度，采用KEIL C語言和MCS-51匯編語言混合編程的方法。KEIL C語言是C語言在嵌入式系統中的應用，它提供了十分完備的規范化流程控制結構，易于實現程序設計的規范化和模塊化。為了使從站軟件結構清晰及易于調試和維護，整個程序按功能分成若干個模塊，不同的模塊完成不同的功能。對于不同的功能模塊，分別指定相應的入口參數和出口參數。而經常使用的一些程序都編成函數，這樣既有利于整個程序的編寫和管理，又可增強可讀性和可移植性。系統軟件設計流程如圖7所示。
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5.1 多環境參數的測控軟件設計
??? 為了優化從站軟件設計，對測控程序中一些實時性或運算能力要求很高的模塊采用匯編語言編程，如參數實時控制、浮點數運算、數據采集、傳感器校準、定時顯示及E2PROM存取等，同時把這些模塊嵌入到KEIL C程序中進行處理。針對一般參數測量儀校準操作繁瑣的缺陷，采用24C02串行E2PROM，編制了傳感器校準模塊，既可避免每次開機校準，又可按使用情況進行自動標定和校準，使儀器長期獲得正確補償和校準，提高了儀器的測量精度。
5.2 PROFIBUS-DP的通信軟件設計
??? 由于SPC3集成了完整的PROFIBUS－DP協議，因此用戶程序的主要任務就是根據SPC3產生的中斷(中斷服務流程如圖7(b)所示)對SPC3接收到的主站發出的輸出數據轉存，編排要通過SPC3發給主站的數據，并根據要求編排外部診斷等。所有SPC3軟件用KEIL C語言編程，其中SPC3初始化包括設置SPC3允許的中斷、寫入從站識別號和地址、設置SPC3方式寄存器、診斷緩沖區、參數緩沖區、配制緩沖區、地址緩沖區、初始長度，并根據以上初始值求出各個緩沖區的指針及輸人輸出緩沖區的指針。
6? 應用舉例
??? 本測控儀曾在“水產工廠化養殖多環境因子的智能控制”項目中（江蘇省“十五”攻關項目）進行了應用試驗，用于對江蘇環太集團水產河豚養殖場的水環境參數進行檢測控制。現場在線測試配置如圖8所示。
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??? 養殖現場測試和成果鑒定表明，本測控儀構成的系統在現場環境下運行穩定，實現了對溶解氧、PH值和溫度等水產養殖環境參數的準確檢測控制和PROFIBUS現場總線通信功能。另外，還可明顯節約能源、降低養殖成本、減小噪聲污染。
7? 結束語
??? 本文介紹了基于PROFIBUS－DP多環境參數的測控儀。它將多環境參數的自動檢測、控制、現場總線通信功能融為一體，是一種適用于工農業生產和人民生活水質測控的低成本、通用化、多功能儀器。針對不同的工程場合的水質環境參數，本測控儀可形成多個品種和系列，可廣泛應用于水產養殖、環境監測、生物化工以及工業水質處理等領域。
參考文獻
1?? 唐濟揚.現場總線(PROFIBUS)技術應用指南.中國現場總線(PROFIBUS)專業委員會，1998
2?? 馮冬青.模糊智能控制.北京：化學工業出版社，1998
3?? 徐愛鈞.智能化測量控制儀表原理與設計.北京：北京航空航天大學出版社，2000