基于OPC的磁致伸缩液位测量仪的研究与设计

基于OPC的磁致伸缩液位测量仪的研究与设计
作者：杨星红；仇春春；尹涛




      随着工业液位测量系统的自动化程度不断提高，大量的智能仪表得到广泛应用，越来越多的工控设备具备了与计算机进行通信的功能。工控监测系统中存在多系统、多通信协议并存的喜爱你想，使得工控应用软件的开发收到限制，每次开发新的应用程序时，都要深入理解现场设备的数据传输协议，重新编写相应的驱动程序，耗费了巨大的人力、物力，开发过程也因此变得繁琐、开饭拿度增大、周期边长。OPC（OLE for Process Control，用于过程控制的OLE）规范的出线很好的解决了这一问题。OPC规范是一系列规范的集合，具有OPC DA规范、OPC A&E规范、OPC XML-DA规范等。在这些规范中，OPC DA规范是其它所有规范的基础，也是应用最广泛的OPC服务器。OPC DA规范基于微软的COM/DCOM技术，为工业控制软件设计的一套标准的对象、接口和属性集，通过这一套标准，可以实现数据交换方式的标准化。目前市场上的液位测量仪虽然都能够实现基本的液位测量，但不具备专门的OPC接口对外发布数据，因此，本文提出一种基于OPC接口的磁致伸缩液位计液位测量监测系统。该系统通过OPC服务器实现了液位监测系统测量数据的对挖统一接口，真正消除了传统液位测量仪彼此孤立、数据脱节的现象，应用软件开发者只需具备O P C 客户端，就可以不用管设备上数据传输的格式、协议，即可正确获取O P C 服务器上的数据。

1 磁致伸缩液位测量仪总体设计

      磁致伸缩液位测量系统总体设计框图。本系统采用 A R M Cortex-M 4 系列T M 4 C 1294N C P D T I 芯片作为主控制器，主系统频率可达120M H z ，能够提供足够的时间分辨率捕获回波信号，保证了液位测量数据的精度。激励脉冲电路部分设计了三极管射极跟随缓冲电路，定时产生幅值较大的脉冲电流信号，以驱动传感器工作。信号处理电路部分对回波信号进行采集处理，过滤干扰信号，放大有用信号以供处理器捕获。触摸屏米用迪文公司的D G U S 屏，实现系统中参数的设定，数据标定等工作。数据外部存储采用S D 卡，采用SPI方式进行数据的读写。同时设计了数据上下限报警功能，控制外部泵、阀开关。一个测量周期完成后，通过Modbus T C P 协议将数据发送至O P C 服务器上，O P C 服务器收到数据后，将以O P C D A 标准进行数据发布，以供其他带有O P C 客户端的应用程序直接访问，获取数据。

1 . 1 磁致伸缩位移传感器测量原理

       该传感器利用波导丝的磁致伸缩效应开发而成，传感器结构如图2 所示，由电子仓、波导丝、探测杆、活动磁铁、阻尼器等组成。当在电子仓内的感应线圈上施加电流激励脉冲信号时，波导丝上产生瞬时电流，根据电磁感应原理，波导丝周围瞬时产生磁场，该磁场与活动磁铁周围的磁场相遇，产生扭转波，扭转波迅速向两端传播，一端被阻尼器吸收，另一端被感应线圈检测[4]。扭转波传播的速度已知，根据波导丝材质而定，一般为2800m / s [5]。传播时间通过感应线圈采集信号的时间间隔得出。

1 . 2 信号处理电路

       两级信号放大电路。由于扭转波经过感应线圈变换后的回波信号会发生衰减，幅值较小（约2m V ) 、频率较高、并且极易被噪声淹没。选用M A X I M 公司的具有高输入阻抗、高带宽、稳定的放大倍数和带宽增益积为200M H z 的双通道运算放大器M A X 4453[6]。考虑到传感器的工作环境比较恶劣，存在外部扰动、噪声干扰、共模干扰等，因此采用双端输入，单端输出的差动放大电路和同相放大电路对回波信号进行多级放大。差动放大电路放大差模信号，抑制共模信号，同相放大电路则继续对回波信号的幅值进行放大。经过两级放大后，又串接两级同相放大电路，总闭环增益可达1100倍，回波信号的可检测性大大提高，使得传感器的稳定性也大大增强。

2 O P C 服务器设计

       O P C 通信采用客户服务器模型，建立了一套在硬件供应商和软件开发商之间数据交互遵循的标准。 基于O P C 客户/服务器模型的磁致伸缩液位监测系统框图。软件开发商无需了解工业现场各个仪表传输数据遵循的协议，只要具备了O P C 客户端接口，即可访问到工业现场每个仪表的测量数据，进行相应的应用软件的开发，使得用户完全从开发底层中脱离出来，方便了开发过程，提高了开发效率。

       O P C 服务器由三层逻辑对象构成: O P C 服务器对象、O P C 组对象和O P C 项对象。其中O P C 服务器对象和O P C 组对象是标准的C O M 对象，提供了一组标准的C O M 接口，O P C 客户端就是通过这些接口与O P C 服务器取得通信[7]。O P C 项对象是客 户端与服务器数据交互的基本单元。O P C 接口的开发方式主要有三种：（1)借助M F C 软件对C O M 的支持进行开发；（2 ) 通过A T L的方式进行开发；（3 ) 通过第三方提供的开发包进行开发。通过比较分析，前两种开发方式涉及许多底层的Windows A P I，开发难度较大，开发周期也较长，并且遵循的是O P C 服务器同意标准，在实现上有很多相似之处，这无疑是一种冗余劳动。因此本文采用第三种开发方式，即通过O P C 服务器开发工具进行O P C 服务器的开发。

       本文米用FactorySoft公司提供的FSServer. dll开发包进行开发，在V C + + 6 . 0 环境下创建基于对话框的M F C 应用程序，在程序中调用FSServer. dll的函数来实现O P C 服务器的建立。服务器需手动注册启动，运行G U I D G E N . e x e程序产生一个G U I D赋值到程序中相应的位置，如下所示为生成的一个G U I D 。CLSID CLSID_OPCServer ={0xb61b9100, 0x3059, 0x11d 1 ， { 0x8d ， 0x5a ，0x2 6，0x5 1，0xe9 ，0x0 ，0x0 ，0x8 } }；在工程文件函数初始化中，可判断O P C 服务器是否完成启动，其中部分初始化代码如下所示：

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 服务器启动完成后，在callback. c p p 文件中继续建立O P C 组对象、项对象。这些对象一旦在O P C 服务器中建立起来后，在O P C 客户端启动连接时，会自动按照O P C D A 数据传输方式生成对应数据项。再将传输协议中对应的数据放到相应的项中，就完成了 O P C 服务器对数据的获取、发布。添加、建立O P C 服务器中的组、项的代码如下：

// 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 设计

       以太网通信技术现已发展成熟，由于其可靠的传输，方便的配置，高效的通信速度，使得该技术在工业测量控制领域被越来越多地采用，T C P / I P协议运用逐渐增多，方便了设备之间、设备与监控平台之间的数据传输。T C P / I P 协议是Internet的基本协议，规定了设备接入Internet的方式和设备间传输数据的方式[8]。M o d b u s协议是工业上的事实标准，基于M o d b us协议的设备一般采用主从技术进行通信， 主机既能以单播的形式和网络中的丛机单独通信，也可以用广播的形式和所有丛机通信[9]。当丛机收到主机的一份单播报文，并且设备地址与本机一致时，丛机根据功能码返回一份相应的报文。

       Modbus T C P 是M o d b u s协议和T C P / I P协议在工业应用中的结合，液位测量仪的网络数据传输部分设计了 Modbus T C P 数据传输功能。T C P / I P协议是众多网络协议的组合，为了能够满足多种协议功能的需求致使T C P / I P 协议栈包含众多的协议，规模庞大。由于本系统中并不需要使用所有的网络通信功能，因此对T C P / I P 协议栈进行精简，设计的满足需要有节约资源的协议栈。链路层包含了设备驱动程序以及相应的网络接口卡；网络层包含了 A R P 、IP、I C M P 三种协议，其中A R P 用于I P 地址向M A C 的映射转换，I P 是核心协议，实现了对网络设备的统一编址，使不同的网络和不同的设备能够互联，I C M P 为网络控制报文协议，显示目的主机、端口、网络是否可达等情况，主要用于判断网络的状态;运输层主要为两台主机提供端到端的通信，这里设计了面向连接的可靠的T C P 数据传输协议，主要负责将一台主机生成的字节流无差错地发送到互联网上的其他主机上;应用层负责处理特定的应用程序细节，实现M o d b u s协议的数据传输。

4 实验验证

        O P C 客户端成功访问O P C 服务器后显示的数据，O P C 服务器中建立了三个被访问的数据项:位移（Shift) 、周期捕获脉冲数（Count) 、环境温度（T E M P ) 。O P C 服务器周期性访问到工业现场的测量数据，并存放到建立的数据项中。O P C 客户端成功连接后，当O P C 服务器项中数据有所变化，O P C 户端中数据也即可作出相应的改变。实验测量的为2m 的位移，实际测得的数据为1.991m ，在测量时间内，数据有1 3 7次变化，温度有5 0 次的改变。从测量结果来看，能保证测量精度。同时应用程序的开发人员，也无需耗费较多的时间去编写深入底层的数据获取解析协议，通过O P C 客户端即可访问到工业现场的实时测量数据。

5 结束语

       本文设计了一款基于O P C 服务器的磁致伸缩液位监测系统。采用A R M Cortex-M 4 系列T M 4 C 1294N C P D T I 芯片作为主控制器，实现了 M o d busTcp 网络通信协议 ，并在 FactorySoft 公司推出的FSServer. dll开发包的基础上完成了 O P C 服务器的设计。克服了传统的液位测量仪表的缺陷，实现了仪表的智能化、网络化和规范化，满足了当前工业现场对液位测量的发展需要，具有较高的实用价值和推广意义。





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