摘要：由于缺乏對污染處理設(shè)施運行狀況和污染排放指標監(jiān)控手段，影響了環(huán)保部門監(jiān)督管理力度。我們研制開發(fā)了系列化的環(huán)保設(shè)備運行監(jiān)測系統(tǒng)。本系統(tǒng)工作穩(wěn)定、記錄數(shù)據(jù)準確、存儲容量大、組網(wǎng)方便，已被多家環(huán)保監(jiān)理部門采用，取得了良好的社會效益和經(jīng)濟效益。
　　
　　1、系統(tǒng)組成及主要功能
　　
　　環(huán)保設(shè)備運行監(jiān)測系統(tǒng)由環(huán)保設(shè)備運行記錄儀、讀碼器和管理計算機組成。記錄儀安裝于環(huán)保設(shè)備運行現(xiàn)場,全天候監(jiān)測并記錄環(huán)保設(shè)備的運行狀況和主要污染物排放指標;讀碼器用于控制和操作記錄儀的運行及對記錄儀進行數(shù)據(jù)讀取;管理計算機用于對原始數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、報表、存儲及查詢。記錄儀既可單機運行,也可組成區(qū)域性環(huán)保監(jiān)測網(wǎng),如圖1所示。　　
　　記錄儀是整個系統(tǒng)的核心,其主要功能如下：
　　
　　（1）記錄儀共8個數(shù)據(jù)采集通道,可接受來自現(xiàn)場儀表或傳感器輸出的4～20mA（或0～10mA）的電流信號。每一通道可根據(jù)監(jiān)視對象自由設(shè)定為開關(guān)量通道（實時記錄環(huán)保設(shè)備開機/關(guān)機運行情況）、累積量通道（如對排放的污水流量進行累積）或瞬時量通道（記錄排放污染物濃度）。
　　
　　（2）記錄儀能產(chǎn)生本身的運行記錄（記錄儀上電/掉電時間）。
　　
　　（3）可通過讀碼器或管理計算機設(shè)定被監(jiān)測環(huán)保設(shè)備的工作電流范圍,對被監(jiān)測環(huán)保設(shè)備的工作電流發(fā)出超限報警。
　　
　　（4）記錄儀提供了與管理計算機和讀碼器通訊的標準RS-232接口。
　　
　　（5）記錄儀內(nèi)置通用MODEM及MODEM控制器,可與管理計算機遠程通訊。
　　
　　2、硬件設(shè)計
　　
　　根據(jù)功能要求和記錄儀的工作特點,我們在設(shè)計時主要從記錄儀運行可靠性、記錄數(shù)據(jù)準確性及數(shù)據(jù)存儲容量三個方面考慮。記錄儀采用ATMEL公司的AT89C52單片機,片內(nèi)集成了8KFLASH程序存儲器,不需外擴程序存儲器,提高了系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性。圖2給出了記錄儀的結(jié)構(gòu)框圖。　　
　　2.1數(shù)據(jù)采集通道
　　
　　數(shù)據(jù)采集通道A/D轉(zhuǎn)換器選用了美國TI公司的高性能10位串行A/D轉(zhuǎn)換器TLC1549,該A/D轉(zhuǎn)換器為CMOS工藝,采樣頻率可達40kHz，具有較寬的工作電壓范圍（3～6V，典型值為5V）,功耗低,與單片機接口簡單,占用資源少（三線接口）。
　　
　　2.2實時時鐘
　　
　　為了能準確記錄環(huán)保設(shè)備的開機/關(guān)機時間,記錄儀采用了廣泛應用于各類工控儀表中的DALLAS日歷芯片DS12887。DS12887內(nèi)置電池和晶振,可直接掛在單片機數(shù)據(jù)總線上,運行穩(wěn)定性好、精度高,免維護時間可達10年以上,滿足了記錄儀對時間的要求。并且其內(nèi)部有可掉電記憶的114字節(jié)RAM,為記錄儀的掉電系統(tǒng)維護提供了方便。
　　
　　2.3大容量閃速存儲器
　　
　　記錄儀要求具有掉電記憶的大容量數(shù)據(jù)存儲器,通過比較測試,選用TI公司的閃速存儲器FLASH-MEMORYTMS29F040（512KB8-bitEEPROM）。記錄儀除具有擴展512KB的閃速存儲器外,還有多個I/O接口芯片,所需地址空間已超出51系列單片機常規(guī)64KB片外RAM空間。64KB的空間是由16根地址線決定的,它由P0口提供低8位,P2口提供高8位。要想擴大空間,只有增加地址線,如可將P1口線當作地址線。本系統(tǒng)中,擴展512KB的閃速存儲器需增加3根地址線,而P1口線僅有P1.7可用。為此我們采用了圖3所示的線選方法,實現(xiàn)了超大容量存儲器擴展。　　
　　圖3中的日歷芯片DS12887、并行輸出口74HC377（1、2、3）的地址與閃速存儲器TMS29F040的地址重疊,但當置P1.7為“1”時,閃速存儲器TMS29F040的片選信號無效,此時CPU可對上述I/O接口芯片操作。并行輸出口74HC377（1）的輸出Q0、Q1、Q2作為閃速存儲器TMS29F040的高三位地址A16、A17、A18,輸出Q3、Q4、Q5作為采樣通道多路模擬開關(guān)的通道地址A、B、C。當CPU對閃速存儲器TMS29F040操作時,先置P1.7為“1”,通過并行輸出口74HC377（1）的Q0、Q1、Q2輸出閃速存儲器TMS29F040的高3位地址A16、A17、A18,然后清P1.7為“0”,選中閃速存儲器TMS29F040,即可按常規(guī)方式進行編程。程序如下:
　　
　　SETBP1.7
　　
　　MOVA,#add;#add為閃速存儲器TMS29F040的高3位地址。
　　
　　MOVDPTR,#0FDFFH;FDFFH為并行輸出口74HC377（1）的地址。
　　
　　MOVX@DPTR,A
　　
　　CLRP1.7......
　　
　　2.4通訊接口
　　
　　根據(jù)記錄儀具有“黑匣子”功能的特點,設(shè)計時為簡化人機界面,僅保留必要的通道狀態(tài)LED顯示,記錄儀各種初始化及記錄數(shù)據(jù)抄取均通過串口通訊完成。采用MAXIM公司的MAX202單+5V電源RS-232接口芯片提供與PC通訊的標準RS-232電平。通訊分近程和遠程兩種方式,近程通訊直接通過標準RS-232口,而遠程通訊則通過內(nèi)置遠傳模塊來實現(xiàn)。
　　
　　3、軟件設(shè)計
　　
　　記錄儀軟件主要由采樣濾波、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)庫管理、通訊管理等功能模塊組成。
　　
　　3.1采樣濾波模塊
　　
　　該模塊根據(jù)設(shè)定的采樣周期將八個通道的模擬信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器輸入到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi),通過平均值濾波算法濾除信號中的工頻干擾,以提高記錄數(shù)據(jù)的準確性。
　　
　　3.2數(shù)據(jù)記錄模塊
　　
　　記錄儀的八個通道均可自由設(shè)定為開關(guān)量、累積量或瞬時量通道,程序首先判斷各通道的記錄類型,然后根據(jù)通道類型對采樣數(shù)據(jù)做相應處理以產(chǎn)生對應的運行記錄。圖4給出了該模塊的流程圖。　　
　　為了防止記錄儀掉電時丟失數(shù)據(jù),記錄數(shù)據(jù)緩沖區(qū)開設(shè)在DS12887非揮發(fā)RAM單元中,上電時程序?qū)τ涗洈?shù)據(jù)緩沖區(qū)狀態(tài)分析并處理,以保證數(shù)據(jù)的完整。
　　
　　3.3通訊管理模塊
　　
　　對記錄儀的所有操作都是通過RS-232串口通訊來實現(xiàn)的。通訊管理模塊完成操作命令的接收、糾錯、密碼及序列號識別、命令解釋及散轉(zhuǎn)執(zhí)行、數(shù)據(jù)發(fā)送等功能。
　　
　　3.4數(shù)據(jù)庫管理模塊
　　
　　該模塊用于運行數(shù)據(jù)的查詢、存儲管理、數(shù)據(jù)刪除等功能。讀碼器或管理計算機通過RS-232串口以通道號和記錄時間范圍位關(guān)鍵字讀取保存在記錄儀閃速存儲器中的運行數(shù)據(jù),管理模塊根據(jù)上述關(guān)鍵字進行檢索,將符合條件的記錄送往發(fā)送緩沖區(qū),由通訊管理模塊通過串口發(fā)送。
　　
　　記錄儀產(chǎn)生的運行記錄交由數(shù)據(jù)庫管理模塊編程寫入閃速存儲器。編程前先判斷剩余存儲容量大小。若剩余字節(jié)不能寫下一條完整記錄時,管理模塊將整理存儲區(qū)以獲取存儲空間,讀碼器或管理計算機可查詢記錄儀剩余存儲容量百分比。
　　
　　記錄儀工作環(huán)境較差,容易受到電磁干擾。為了提高記錄儀運行的可靠性,除采用指令冗余和軟件陷阱等措施外,硬件上還采用了“看門狗”MAX813L,在程序彈飛到一個臨時構(gòu)成的死循環(huán)中,冗余指令和軟件陷阱均無能為力而造成“死機”時,強制系統(tǒng)復位。