基于 CAN 总线和CVI 的太阳能新风监控系统

摘 要：太阳能新风监控系统是一种典型的分布式测控系统，针对现有监控系统不能满足分布式测量需求的问题，提出了将现场总线技术和虚拟仪器技术结合起来，设计一种新型的智能化监控系统。该系统不仅能够以较高精度完成测量，同时还能够实时传输和显示测量数据，实时控制改变系统工作模式。监控系统具有良好的实时性，较强的抗干扰能力和可靠性。该系统可运行于单体建筑和群体建筑的新风系统，在建筑智能化上有着广阔的应用前景。

关键词：CAN 总线；LabWindows/CVI；模拟量测量;太阳能监控系统;智能化监控系统

中图分类号：TP336 文献标识码：A

1．引言

太阳能新风系统是一个新兴的研究课题，系统应用于冬季辅助供暖系统中，实现房间有组织的通风换气，用太阳能来加热新风，使新风具有承担部分室内采暖负荷的能力，实现可再生能源直接应用于空调供暖系统的节能目的。

为了监测太阳能新风系统的工作情况和控制工作模式，需要一套相应的监控系统。传统的监控系统是在测量现场或者监控机房设置仪表和显示设备来监测系统的工作状况。但是对于太阳能新风系统而言，测点分布广，控制量多，传统的监控系统不能适应分布式测控的要求。于是提出了将现场总线技术和虚拟仪器技术结合，设计一种新型的监控系统，从而满足单体建筑甚至群体建筑的太阳能新风系统集中监控的要求，实现监控的网络化和智能化。

2．太阳能新风监控系统结构设计

监控系统的组成包括三部分：测量参数的获取、传输和系统监控软件。

(1) 测量参数的获取：在太阳能新风系统中，需要测量关键点的温度、压力和流量，并且需要根据这些参量来控制系统中阀门的状态。为获取这些参数，监控系统需要有相应的传感器。

(2) 测量参数的传输：在该系统中，测量的参数多，而且测点分布在系统的各个位置，如果将测量信号直接传输，经过了一定距离的传输之后，信号必然受到干扰，从而影响了测量的精度。为降低信号在传输中引入的误差，系统采用CAN 总线连接各个传感器和执行器。CAN 总线在测量现场将测量参数转换成CAN 信号之后再传输到监控计算机上。

(3) 系统监控软件：监控软件要完成测量参数的显示、报警和对执行器的控制。系统测量的参数将作为控制执行器的依据，决定系统应当工作在何种模式下，从而控制系统转换模式。日常测量的数据通过软件保存到Excel 数据表格中，以备故障诊断。

3．监控系统硬件设计

3.1 系统参数测量方案

3.1.1 温度参数测量

太阳能新风监控系统中，温度是一个关键参数，被用来控制整个系统的工作模式，所以温度测量的准确程度影响到整个系统的好坏。系统主要测量管道中的水温，在工作状态下，水温基本处于20℃到70℃之间。温度传感器选用铂电阻PT100，铂电阻测量精度高，性能稳定，而且结构简单，便于安装和调试。电阻传感器的连接采用三线制，三线制能够有效降低由于测量导线电阻引起的误差[5]。但是在现场，测量信号往往需要经过较长距离的传输，为了进一步降低误差，在铂电阻传感器之后，加上隔离信号变送器，将测量到的电阻值转换为电压值进行传输。信号经过隔离变送器后传送到CAN 节点。

3.1.2 压力参数测量

压力在监控系统中是一个报警参数，当压力值低于或高于一定值时，表示部分管道发生卡堵，系统存在故障，提醒工作人员注意。压力的测量采用西门子的压力传感器QBE 系列，该系列传感器常用于暖通空调系统中，采用了压阻测量原理，内置信号调理电路，直接输出0-10V 的电压值。同时该传感器采用了一体成型制造技术，并且带有外螺纹，方便了工程中的安装。传感器采得的电压信号直接送到CAN 节点，以便和上位机通信。

3.2 执行器控制方案

在太阳能新风监控系统中，执行器是电动调节阀和电动开关阀，通过控制阀门的开闭，改变管道的流向，从而控制系统工作在不同的模式下。电动调节阀由电压控制，输入2-10V，该电压通过CAN节点直接输出模拟量。电动调节阀还有一个反馈电压输出，输出电压2-10V，该电压用来监测阀门当前的开度，该信号直接送回CAN 节点。电动开关阀由高低电平直接驱动，并且也有一个反馈的开关量，提示阀门的当前状态，阀门通过一个数字开关量输入输出的CAN 节点控制。

3.3 CAN 总线通信系统设计

太阳能新风系统主要用于解决房间冬季采暖的问题，对于监控系统而言，具有系统庞大，传感器和执行器多等特点。特别是传感器和执行器往往分布于系统的各个部分，如果直接连接，不仅会增加电缆数量，提高施工的难度，同时被测量在经过长距离的传输之后很可能会引入误差，导致测量的不准确。所以为了适应这种分布式测控系统的要求，采用了CAN 总线技术。

CAN 总线是一种实时控制的串行通信网络，具有高性能、高可靠性、实时性易于实现等优点，所以十分适合分布式测控系统中各个节点之间的通信。从OSI 网络模型的角度来看，现场总线网络一般只实现了物理层、数据链路层和应用层。但是CAN 总线仅仅定义了物理层和数据链路层，在实际应用中还需要建立一个高层协议，即基于CAN 总线的应用层协议，能够在CAN 网络中实现统一的通讯模式，执行网络管理功能，以及提供设备功能描述方式[1]。

太阳能新风监控系统采用了基于CAN 2.0b 版本的CANI/O应用协议，是一种简单可靠的CAN 应用层协议，适合于CAN 的一般应用场合。相应地，CAN 通信网络中的主站节点和从站节点也选用了基于CANI/O协议的模块。系统中应用的模块如表1 所示。

表1 系统中使用的CANI/O 模块

Tab1 CANI/O Modules Used in System

监控系统的主要模块如图1 所示。系统设计了一主多从多个节点，主站节点采用了ACUSB 模块，主要负责从站节点和监控计算机之间的通讯。从站节点采用了不同的功能模块，连接系统中的各个传感器和执行器，完成测量执行终端和主站节点之间通信。 

图1 监控系统简化模型

Fig.1 Model of Monitoring System

4．监控软件和人机界面开发

4.1 开发工具选择

与传统软件相比，虚拟仪器基于软件平台，可自由定制仪器操作面板，可按需定制仪器功能，能够方面地改进和扩展系统功能[4]。正是因为虚拟仪器的这些优点，可以让监控显示系统的开发大大简化。本着简洁化，可视化的原则，在监控软件开发工具上选择了NI 公司基于ANSI C 的集成开发环境LabWindows/CVI，该软件不仅具有图形化的编程界面，还能够将C 语言平台与数据采集，分析和显示等测控工具结合起来[3]。

4.2 监控软件流程设计

监控软件要实现测量参数的实时显示，系统报警和系统工作模式的控制。软件设计流程如图2 所示。

LabWindows/CVI 采用事件驱动和回调函数方式，在编程中设置了一个定时器，监控软件会在定时器的控制下自动循环。当监控软件启动，程序首先初始化CANI/O主站和各个从站，当初始化成功之后，程序进入定时器控制下的自动循环过程。当定时器时间到，程序读取各个CANI/O（1）节点的测量参数，并且判断数据是否存在异常。如果异常则在数据显示的同时点亮报警灯，提醒工作人员系统故障。如果数据正常，则将被测量显示到监控界面上。然后判断系统工作模式是否发生改变，当发生改变时将数据发送到CANI/O（2）和CANI/O（3），控制电动调节阀和电动开关阀的状态。如果程序不退出就一直在定时器的控制下工作。

图2 监控软件流程图

Fig.2 Flow Chart of Monitoring Software

4.3 人机界面设计

监控系统人机界面模拟了新风系统的实际管路，在模拟系统中标明了传感器的位置，并且显示测量数据。故障发生时，能够通过模拟系统，很快找到故障的位置。监控软件人机界面如图3 所示。人机界面主要包括了CANI/O 通信控制部分，被测量显示部分和系统模式控制部分，通过面板上的各个按钮能实现相应的功能。当系统工作时，传感器采集到的数据能够实时显示在面板上。参数超出合理范围时，面板上的告警灯亮起，提示故障。监控系统通过模式控制切换太阳能新风系统的工作模式，使其工作在最合理最节能的情况下。

图3 监控系统人机界面

Fig.3 User Interface

5．总结

本文在分析了太阳能新风监控系统的特点之后，提出了将现场总线技术和虚拟仪器技术结合起来，构建一种适合于太阳能新风系统的新型监控方案。首先，分析了系统所要测量的关键参量，确定了相应的测量方法。其次，阐述了CAN 总线的技术特点，以及应用于监控系统的优势，并确定了使用CANI/O 协议和CANI/O模块来组成CAN 通信网络。然后，在监控显示部分应用了虚拟仪器技术，在计算机上直接设计仪器监控界面，不仅可以简化硬件系统，还能按需设计监控功能。CAN 总线技术和CVI 的应用不仅提高了监控系统的可靠性和测量精度，而且让系统的构建更具有灵活性，使得监控系统的实用性大大提高。