用于远程终端控制系统的主控装置.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 103135533 A (43)申请公布日 2013.06.05 CN 103135533 A *CN103135533A* (21)申请号 201310036021.4 (22)申请日 2013.01.08 G05B 19/418(2006.01) (71)申请人 西安电子科技大学 地址 710071 陕西省西安市太白南路 2 号 (72)发明人 孙万蓉 王政 任爱锋 董明明 陈梓馥 (74)专利代理机构 陕西电子工业专利中心 61205 代理人 张问芬 王品华 (54) 发明名称 用于远程终端控制系统的主控装置 (57) 摘要 本发明涉及一种用于远程终端控制系统的。

2、主 控装置， 用于油气井数据采集和传输， 系统包括主 站、 从站、 上位机， 从站与主站， 主站与上位机之 间用以太网通信， 所述主站和从站配置有主控装 置， 主控装置的结构以 ARM9 主控处理器为中心， 外围连接数字量输入模块、 数字量输出模块、 模拟 量输入模块、 RS485 模块、 RS232 模块、 Zigbee 模 块、 以太网模块、 存储器模块和 EEPROM 与测温模 块， 实现采集数字量、 控制数字量输出、 采集模拟 量、 RS485 通信、 RS232 通信、 无线通信、 以太网通 信、 存储采集数据和存储配置信息与温度测量 ； 在 ARM9 主控处理器的系统软件增加配置程。

3、序， 用 于选择主站 / 从站工作模式， 实现其工作模式灵 活选择。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书5页 附图3页 (10)申请公布号 CN 103135533 A CN 103135533 A *CN103135533A* 1/2 页 2 1. 一种用于远程终端控制系统的主控装置， 用于油气井数据采集和传输的远程终端控 制系统包括主站、 从站和上位机， 主站用于发送请求帧、 等待应答、 处理应答、 处理差错和等 待转换延时， 从站用于处理主站功能请求， 返回主站请求的。

4、保持寄存器、 输入寄存器、 线圈 和离散量输入值或接收并保存主站写入的保持寄存器和线圈的数据， 并且读取或写入相关 的寄存器， 上位机用于请求获得主站的数据， 并接收和存储这些数据， 从站与主站之间， 主 站与上位机之间通过以太网实现通信， 其特征在于 ： 主站和从站配置有主控装置， 主控装置 的结构是以 ARM9 主控处理器为中心， 外围连接有数字量输入模块、 数字量输出模块、 模拟 量输入模块、 RS232 模块、 RS485 模块、 Zigbee 模块、 以太网模块、 存储器模块和 EPROM 与测 温模块 ； 所述数字量输入模块包括电平转换电路和光耦隔离器， 输入的数字量经过电平转换 。

5、电路和光耦隔离器后输入到 AMR9 主控处理器， 由 ARM9 主控处理器对输入的数字量进行存 储 ； 所述数字量输出模块包括光耦隔离器和固态继电器， ARM9 主控处理器输出数字量经过 光耦隔离器后控制固态继电器的输出 ； 所述模拟量输入模块包括信号调理电路、 模数转换器和磁耦隔离器， 模拟量输入后通 过信号调理电路输入模数转换器转换为数字信号， 再经过磁耦隔离器输入 ARM9 主控处理 器， 由 ARM9 主控处理器将其存储 ； 所述RS232通信模块由磁耦隔离器、 RS232收发器和通信防雷电路组成， ARM9主控处理 器与外部设备经过磁耦隔离器隔离后， 通过 RS232 收发器进行通信。

6、， 并由通信防雷电路进 行防雷保护， RS232 通信接口外接一个 Zigbee 模块实现无线数据传输 ； 所述 RS485 通信模块由磁耦隔离器、 RS485 收发器和通信防雷电路组成， 其通信过程与 RS232 通信模块相同 ； 所述以太网通信模块由以太网控制器、 网络变压器和 ESD 保护电路组成， ARM9 主控处 理器通过以太网控制器和网络变压器和外部设备进行网络通信， 并加入 ESD 保护电路进行 防静电保护 ； 所述存储器模块包括SDRAM、 Norflash和Nandflash， SDRAM用来临时存放数据， 确保程 序能正常运行 ； Norflash 用于存储程序 ； Nan。

7、dflash 用于存储数据， 在主控装置突然掉电或 通信网络故障的情况下， Nandflash 能把重要的数据信息保存起来， 待到主控装置再次上电 并且网络通畅时， 再把数据提取出来发送出去 ； 所述 EEPROM 和测温模块包括 EEPROM 和温度传感器两部分， EEPROM 用来存储主控装置 的初始配置信息， 包括设备基本属性、 IP 地址信息、 网络参数、 串口参数、 主站 / 从站模式选 择和 AD 采样配置等信息， 主控装置上电运行时， 先从 EEPROM 中读取配置信息， 初始化各个 模块之后才能正常工作， 温度传感器用来测量主控装置的工作温度， 并实时地或定时地向 上传输其温度。

8、值， 实现温度监控。 2. 根据权利要求 1 所述的用于远程终端控制系统的主控装置， 其特征在于 ： 该主控装 置的 ARM9 主控处理器的系统软件增设配置程序， 用于控制主站 / 从站工作模式的选择， 当 需要主控装置实现主站或从站的功能时， 通过以太网通信使用上位机配置软件更改配置程 序中的相应标志位， 从而实现主站 / 从站工作模式的灵活选择。 3. 根据权利要求 1 或 2 所述的用于远程终端控制系统的主控装置， 其特征在于 ： 按照 权 利 要 求 书 CN 103135533 A 2 2/2 页 3 使用需求将主控装置配置为主站或从站， 对于具有三个以上油气井的井场， 且每个油气井。

9、 安装有三个以上传感器时， 为每个油气井配置一个从站， 为每个井场配置一个主站， 从站将 采集到的数据传递给主站， 然后主站将数据传递给上位机 ； 对于只有不足三个油气井的井 场， 且每个油气井只安装三个以下传感器， 则为每个油气井配置一个主站或从站， 使用上位 机配置软件更改主控装置的 ARM9 主控处理器配置程序的相应标志位， 直接采集传感器的 数据， 并将数据直接传递给上位机， 当其采集传感器的数据时， 其实现了从站的功能， 当其 将数据传递给上位机时， 其实现了主站的功能， 从而实现了主站和从站功能的一体化。 权 利 要 求 书 CN 103135533 A 3 1/5 页 4 用于远。

10、程终端控制系统的主控装置 技术领域 0001 本发明属于传感网络技术领域， 涉及物联网远端数据采集、 传输与控制系统， 特别 的涉及一种用于远程终端控制系统的主控装置， 用于工业数据采集、 传输与控制。 背景技术 0002 随着科学技术和世界经济的迅猛发展， 石油在世界经济发展中的战略地位表现的 愈发突出。为了能有效地发现油井、 地层和油藏的变化， 可用油井远程测控系统， 通过在抽 油机上安装位移传感器和载荷传感器， 检测抽油机的工况， 实时在线监测抽油机工作参数， 如电流、 电压、 载荷、 位移等， 从而对抽油机的各种故障包括电流、 电压越限， 压力过高过低， 光杆卡死时过载、 停机、 缺相。

11、、 欠载等进行实时诊断， 及时发现故障并报警， 及时维护。 0003 目前最常见的远程终端控制系统的工作方式有两种情况。 一种情况针对具有三个 以上油气井的井场， 且每个油气井安装有三个以上传感器， 在每个油气井处安装一个从站， 能够对该油气井的传感器进行统一管理， 并在每个井场设置一个主站， 采用主叫 / 从响应 的方式， 采集各从站的传感器数据， 然后将各从站数据上传到上位机， 其不足是对于只有不 足三个油气井的井场， 且每个油气井只安装三个以下传感器， 该实施方案仍然需要安装从 站来采集相对少量的传感器数据， 这样就带来了较大的浪费 ； 另一种情况针对只有不足三 个油气井的井场， 且每个。

12、油气井只安装三个以下传感器， 在每个井场放置一个主控装置， 直 接将传感器的数据采集后发送到上位机， 其不足是对于具有三个以上油气井的井场， 且每 个油气井安装有三个以上传感器时， 该实施方案的采集和控制能力不足， 难以满足大量数 据采集、 传输和控制的需求。如上所述， 目前两种情况的应用灵活性较差， 只能满足特定情 况的应用需求， 难以满足复杂现场环境的应用需要， 且多采用较低端的处理器， 对数据的处 理、 传输和控制能力有所不足。 发明内容 0004 本发明目的为了克服这两种工作方式的不足， 设计了一种用于远程终端控制系统 的主控装置。该主控装置兼容了上述两种工作方式的优点并克服了其不足，。

13、 采用 ARM9 作为 主控芯片， 可以兼容多种通讯方式， 具有较大的存储容量， 较强的计算功能， 简便的编程与 开发能力， 强大的通讯组网能力和灵活的现场安装方式。 0005 为了实现上述目的， 本发明的主控装置包括 ： 数字量输入模块、 数字量输出模块、 模拟量输入模块、 RS232 模块、 Zigbee 模块、 RS485 模块、 以太网模块、 存储器模块和 EEPROM 与测温模块等。该系统选用 ARM9 为主控处理器， ARM9 主控处理器与各个功能模块相连。 0006 本发明所述主控装置中， 数字量输入模块包括电平转换电路和光耦隔离器， 输入 的数字量经过电平转换电路和光耦隔离器后。

14、输入到 AMR9 主控处理器， 由 ARM9 主控处理器 对输入的数字量进行存储。 0007 本发明所述主控装置中， 数字量输出模块包括光耦隔离器和固态继电器， ARM9 主 控处理器输出数字量经过光耦隔离器后控制固态继电器的输出。 说 明 书 CN 103135533 A 4 2/5 页 5 0008 本发明所述主控装置中， 模拟量输入模块包括信号调理电路、 模数转换器和磁耦 隔离器， 模拟量输入后通过信号调理电路输入模数转换器转换为数字信号， 再经过磁耦隔 离器输入 ARM9 主控处理器， 由 ARM9 主控处理器将其存储。 0009 本发明所述主控装置中， RS232 模块由磁耦隔离器、。

15、 RS232 收发器和通信防雷电路 组成， ARM9 主控处理器与外部设备经过磁耦隔离器隔离后， 通过 RS232 收发器进行通信， 并 由通信防雷电路进行防雷保护。且 RS232 通信接口外接一个 Zigbee 模块实现无线数据传 输。 0010 本发明所述主控装置中， RS485 模块由磁耦隔离器、 RS485 收发器和通信防雷电路 组成， 其通信过程与 RS232 模块相同。 0011 本发明所述主控装置中， 以太网模块由以太网控制器、 网络变压器和 ESD 保护电 路组成， ARM9 通过以太网控制器和网络变压器和外部设备进行网络通信， 并加入 ESD 保护 电路进行防静电保护。 00。

16、12 本发明所述主控装置中， 存储器模块包括 SDRAM、 Norflash 和 Nandflash。SDRAM 用来临时存放数据， 确保程序能正常运行 ； Norflash 用于存储程序 ； Nandflash 用于存储数 据， 在主控装置突然掉电或通信网络故障的情况下， Nandflash 能把重要的数据信息保存起 来， 待到主控装置再次上电并且网络通畅时， 再把数据提取出来发送出去。 0013 本发明所述主控装置中， EEPROM 与测温模块包括 EEPROM 和温度传感器两部分。 EEPROM 可以用来存储主控装置的初始配置信息， 包括设备基本属性、 IP 地址信息、 网络 参数、 串。

17、口参数、 主站 / 从站模式选择和 AD 采样配置等信息。主控装置上电运行时， 先从 EEPROM 中读取配置信息， 初始化各个模块之后才能正常工作。温度传感器用来测量主控装 置的工作温度， 并实时地或定时地向上传输其温度值， 实现温度监控。 0014 本发明所述主控装置中， 该主控装置的 ARM9 主控处理器的系统软件增加有配置 程序， 用于控制主站和从站工作模式的选择， 当需要主控装置实现主站或从站的功能时， 通 过以太网通信使用上位机配置软件更改配置程序中的相应标志位， 从而实现主站和从站工 作模式的灵活选择。 0015 本发明所述主控装置中， 按照使用需求将主控装置配置为主站或从站， 。

18、对于具有 三个以上油气井的井场， 且每个油气井安装有三个以上传感器时， 为每个油气井配置一个 从站， 为每个井场配置一个主站， 从站将采集到的数据传递给主站， 然后主站将数据传递给 上位机 ； 对于只有不足三个油气井的井场， 且每个油气井只安装三个以下传感器， 则为每个 油气井配置一个主站或从站， 使用上位机配置软件更改主控装置的 ARM9 主控处理器配置 程序的相应标志位， 直接采集传感器的数据， 并将数据直接传递给上位机， 当其采集传感器 的数据时， 其实现了从站的功能， 当其将数据传递给上位机时， 其实现了主站的功能， 从而 实现了主站和从站功能的一体化， 节省了一个主站或从站的配置资源。

19、。 0016 本发明所述主控装置中， 主站需要处理以下事件 ： 发送请求帧、 等待应答、 处理应 答、 处理差错和等待转换延时。 从站的主要工作是处理主站功能请求， 返回主站请求的保持 寄存器、 输入寄存器、 线圈和离散量输入值， 或接收并保存主站写入的保持寄存器和线圈的 数据， 并且读取或写入相关的寄存器。 0017 与现有技术相比， 本发明采用功能强大的 ARM9 处理器 S3C2440A， 主频可达 400MHz， 且实现了MMU， AMBA BUS和Harvard高速缓冲体系结构。 这一结构具有独立的16KB 说 明 书 CN 103135533 A 5 3/5 页 6 指令 Cach。

20、e 和 16KB 数据 Cache。每个都是由具有 8 字长的行组成。通过提供一套完整的系 统外设， S3C2440A 减少了整体系统成本并且无需配置其他额外的组件就能实现主控功能。 因此， 该处理器能够兼容多种通讯方式， 具有较强的计算功能， 简便的编程与开发能力和强 大的通讯组网能力。 而且， 本发明适用于不同井场条件的工作环境， 根据实际情况需要灵活 配置为主站或从站工作方式， 具有灵活方便的安装使用方式。 在现场安装使用时， 对于具有 三个以上油气井的井场， 且每个油气井安装有三个以上传感器时， 为每个油气井配置一个 从站， 为每个井场配置一个主站， 从站将采集到的数据传递给主站， 然。

21、后主站将数据传递给 上位机。 对于只有不足三个油气井的井场， 且每个油气井只安装三个以下传感器， 则为每个 油气井配置一个主站或从站， 使用上位机配置软件更改主控装置的 ARM9 主控处理器配置 程序的相应标志位， 直接采集传感器的数据， 并将数据直接传递给上位机， 当其采集传感器 的数据时， 其实现了从站的功能， 当其将数据传递给上位机时， 其实现了主站的功能， 从而 实现了主站和从站功能的一体化， 节省了一个主站或从站的配置资源。 如果现场需求改变， 只要使用配置软件对主控装置进行配置， 就可以实现主站和从站工作模式的灵活选择。因 此， 该主控装置可以适用于复杂现场的工作需要， 极大的方便。

22、了相关人员的工作， 并实现了 经济效益的最大化。 附图说明 0018 图 1 是本发明主控装置结构图 ； 0019 图 2 是本发明数字量输入电路原理图 ； 0020 图 3 是本发明数字量输出电路原理图 ； 0021 图 4 是本发明模拟量输入电路原理图 ； 0022 图 5 是本发明 RS232/RS485 通信模块示意图 ； 0023 图 6 是本发明以太网通信模块示意图 ； 0024 图 7 是本发明主控装置软件整体设计流程图。 具体实施方式 0025 参照图 1， 本发明以 ARM9 为主控芯片， 外接数字量输入模块、 数字量输出模块、 模 拟量输入模块、 存储器模块、 以太网模块、。

23、 RS485 模块、 RS232 模块、 Zigbee 模块和 EEPROM 与测温模块， 构成主控装置。所述 ARM9 主控芯片选用三星公司的 S3C2440A， 数字量输入模 块将外部数字量输入到 ARM9 主控处理器 ； 数字量输出模块实现 ARM9 主控处理器输出数字 量 ； 模拟量输入模块采集外部输入的模拟量， 将其输入到 ARM9 主控处理器 ； 存储器模块实 现 ARM9 主控处理器对数据的存储和读取 ； 以太网模块实现 ARM9 主控处理器和外部设备之 间的以太网通信 ； RS485模块实现ARM9主控处理器和外部设备之间的RS485通信 ； RS232模 块实现 ARM9 主。

24、控处理器和外部设备之间的 RS232 通信 ； EEPROM 与测温模块实现 ARM9 主控 处理器对配置信息的存储和读取， 以及 ARM9 主控处理器对温度信息的读取。 0026 参照图 2， 数字量输入模块在输入端加入由滤波电容 C、 自恢复保险丝 F、 压敏电阻 R1、 整流二极管 D 和电阻 R2、 R3、 R4 组成的电平转换电路， 与光耦隔离器 ps2801 串联。数字 量输入的直流有效电压为1048V， 数字量输入后由滤波电容C滤除外部高频干扰， 经过自 恢复保险丝 F 避免过大电流影响后级电路， 由压敏电阻 R1 保护电路防止雷击损坏， 经过整 说 明 书 CN 1031355。

25、33 A 6 4/5 页 7 流二极管 D 滤除交流信号， 并由电阻 R2、 R3、 R4 分压后得到 0 5V 的电压， 然后经过光耦隔 离器 ps2801 对外部与 ARM9 主控处理器进行电气隔离后， 输入到 ARM9 主控处理器。 0027 参照图 3， ARM9 主控处理器输出控制信号， 通过光耦隔离器 ps2801 对 ARM9 主控处 理器和外部进行隔离后， 该信号控制固态继电器 VN340ISP 进行数字量输出， 数字量输出的 直流有效电压为 10 36V。 0028 参照图 4， 模拟量输入模块由信号调理电路、 模数转换器 (ADC) 和磁耦隔离器组 成。在模拟量输入前端加入。

26、信号调理电路， 其由滤波电容 C、 自恢复保险丝 F、 TVS 管、 精密 电阻 R、 高速运放 THS4031、 稳压管 D 等元件组成。滤波电容 C 滤除输入信号的高频干扰， 自 恢复保险丝 F 保护后级电路不被过大电流损坏， TVS 管用于避免雷击对电路的损坏， 精密电 阻 R 和高速运放 THS4031 构成缓冲器， 用于驱动模数转换器 (ADC)， 稳压管 D 用于稳定输入 电压保持在 5V。模数转换器 (ADC) 采用 TI 公司的 ADS7952。模拟量输入范围为直流 4 20mA 或 0 5V， 通过信号调理电路和模数转换器 (ADC)， 再经过磁耦隔离器 ADuM1401 对。

27、外 部与 ARM9 主控处理器进行电气隔离， 然后输入 ARM9 主控处理器。 0029 参照图 5， RS232 模块由磁耦隔离器、 RS232 收发器和通信防雷电路构成。磁耦隔 离器用于 ARM9 主控处理器与外部进行电气隔离。RS232 收发器用于将 ARM9 主控处理器的 输入和输出电平转换为标准 RS232 通信协议电平， 通信防雷电路用于防止雷击对系统的损 坏。ARM9 主控处理器通过磁耦隔离器 ADuM1402 与 RS232 收发器 MAX3232E 相连， 再经过防 雷电路与接线端口相连。RS232 通信接口外接一个 Zigbee 模块， 选用鼎泰克电子有限公司 的 DRF2。

28、617-ZR232， 用于实现无线数据传输。RS485 模块由磁耦隔离器、 RS485 收发器和通 信防雷电路构成。磁耦隔离器用于 ARM9 主控处理器与外部进行电气隔离。RS485 收发器 用于将ARM9主控处理器的输入和输出电平转换为标准RS485通信协议电平， 通信防雷电路 用于防止雷击对系统的损坏。ARM9 主控处理器通过磁耦隔离器 ADuM1402 与 RS485 收发器 SN65HVD-1176D 相连， 再经过防雷电路与接线端口相连。 0030 参照图 6， ARM9 主控处理器通过以太网控制器 DM9000 实现以太网通信， 以太网控 制器连接到网络变压器 H1102 进行信号。

29、传输， 同时为了保护以太网控制器， 在网络变压器 H1102 跟 RJ45 网口之间加入 ESD 保护电路， 用以消除外部环境的影响。 0031 参照图 7， 本发明的工作过程如下， 主控装置上电后， 首先进行初始化操作， 主要包 括设置串口、 定时器等工作， 并读取 EEPROM 中的配置信息， 对主控装置进行配置， 包括主站 / 从站工作模式选择、 IP 地址设置、 轮询的通信方式选择、 传感器的开关状态、 继电器输出 状态等。 若处于主站工作模式还可以获取从站配置信息并配置从站， 配置成功后， 主站开始 对各从站进行扫描， 并对从站报文进行处理 ； 每扫描完一个从站， 主站就对轮询到的数。

30、据进 行存储 ； 在扫描从站的同时， 如果主站传感器和外部继电器处于开状态， 会同时采集模拟通 道和数字通道的数据并控制外部继电器， 采集到的数据存于相应寄存器中， 等待上位机请 求命令， 按照 Modbus 协议将相应数据打包， 并上传到上位机。若处于从站工作模式， 采集模 拟通道和数字通道的数据并控制外部继电器， 采集到的数据存于相应寄存器中， 并等待主 站轮询命令， 当轮询到该从站时， 按 Modbus 协议打包数据并发送到主站。不管其是主站工 作模式还是从站工作模式， 其 TCP/IP 的服务器程序一直等待主控装置配置软件的配置信 息， 当收到配置信息后， 将数据存入 EEPROM 并。

31、复位系统程序。整个主控装置程序流程如图 所示。 说 明 书 CN 103135533 A 7 5/5 页 8 0032 主控装置上位机配置软件运行于装有 Windows 系统的电脑中， 只要按照实际需 要， 设置好主控装置的主从状态、 232-485 参数、 站口选择、 数字通道选通情况、 模拟通道选 通情况和 IP 通信相关参数， 就可以控制主控装置的工作状态、 RS232 和 RS485 模块的初始 化参数、 从站设备的选择、 数字通道选通情况、 模拟通道选通情况和以太网模块的通信相关 参数。配置好后， 将主控装置和电脑用网线连接， 在上位机配置软件界面点击连接服务器， 就可以将配置信息下。

32、载到主控装置。 0033 在现场安装使用时， 可以按照使用需求灵活的将主控装置配置为主站或从站。对 于具有三个以上油气井的井场， 且每个油气井安装有三个以上传感器时， 为每个油气井配 置一个从站， 为每个井场配置一个主站， 从站将采集到的数据传递给主站， 然后主站将数据 传递给上位机 ； 对于只有不足三个油气井的井场， 且每个油气井只安装三个以下传感器， 则为每个油气井配置一个主站或从站， 使用上位机配置软件更改主控装置的 ARM9 主控处 理器配置程序的相应标志位， 直接采集传感器的数据， 并将数据直接传递给上位机， 当其采 集传感器的数据时， 其实现了从站的功能， 当其将数据传递给上位机时， 其实现了主站的功 能， 从而实现了主站 / 从站功能的一体化， 对一组井场和油气井就可以节省安装一个主站 的配置资源， 降低了系统的成本， 提高了经济效益。 说 明 书 CN 103135533 A 8 1/3 页 9 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103135533 A 9 2/3 页 10 图 3 图 4 图 5 说 明 书 附 图 CN 103135533 A 10 3/3 页 11 图 6 图 7 说 明 书 附 图 CN 103135533 A 11 。