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ApplicationStory系统需求总线式工业测控模块总线技术的发展加速了工业化总线式的测控功能模块的飞速发展，在早期的计算机通信接口中，仅提供了RS-232接口，致使基于RS－485的测控模块及其分布式测控系统得到了飞速的发展，至今仍经久不衰。比较有代表性的产品如研华公司的ADAM－4000以及ADAM5000系列模块，至今在工业测控现场仍然被广泛应用。后来，其他的一些测控产品生产厂家蜂拥而至，极大推动了我国基于RS－485的DCS测控系统的发展与完善。目前，随着计算机技术和网络通信技术的进一步发展，用于测控领域的总线接口技术也层出不穷，如：自动化仪器接口GPIB、高速IEEE1394（FireWire）、易于使用和连接的以太网和USB等等，但由于没有一种总线技术能够在工业测控领域中位居主导地位，使得工业控制设备厂商对于总线的集成速度较为缓慢，它们在工业测控领域的利用往往比商业应用迟缓1～2年，甚至更长的时间。目前以太网、USB接口，甚至IEEE1394接口在通用计算机接口中已普遍使用，再加上它们具有易于使用、连结及高速等特性，在一定的程度上可满足测控领域实时性、方便性、便携性和经济性的要求，使得工控设备厂商不得不提供带有类似接口的工业测控模块。目前，市面上已经出现了基于以太网的测控模块，如研华的ADAM－5000/TCP、ADAM－6000等和基于USB接口的模块，如研华的USB－4711/4716/4718等。系统描述工业测控功能模块的总线接口技术应用现状以太网虽然以太网技术在工业现场测控领域仍属新的应用技术，但它已作为一种成熟的技术被广泛的应用在测量系统的各个方面，以太网成为工业现场测控接口已是必然的趋势。但是，以太网的工业现场应用可能对现场的实时测控带来困扰，因为这会迫使网络管理员涉入现场控制的具体工程应用，必须要考虑其传输速率﹑确定性﹑安全性等因素对现场测控的影响，必须有更进一步的安全措施，以确保数据的完整性与私密性。因此，基于TCP的现场测控模块在国内迟迟得不到快速的应案例名称：研华数据采集板卡USB-4711在IOT环保行业水质检测系统中的应用行业分类：Water/Wastewater地点：项目介绍：现代接口技术和总线技术的发展，使得基于总线式的测试模块得到了飞速发展，总线式测控功能模块由于安装方便，集数据采集、控制与通信于一体，极易组建分布式测控系统，因而在测控领域得到了越来越广泛的应用。本文就目前处于发展期的带有以太网和USB接口的工上业测控功能模块的应用现状进行了分析，并就USB接口的测控功能模块在水质监测的具体应用进行了设计与实现。ApplicationStory用，而在一些先进发达的国家，却得到了比较广泛的应用，这主要是受限于我国对网络安全技术的掌握以及工业现场以太网的应用水平。USB接口传统的高速数据采集卡一般都采用PCI总线设计，但是笔记本电脑以及大部分便携式设备是没有PCI插槽的，无法直接使用，USB接口的高速性和通用性可以改变此局面。用USB2.0技术，不仅保证了较高的数据传输率(可达480Mbps)，同时还具有便携、热插拔、无需外加电源等优点，这种需求以及USB的特性极大加速了USB接口技术在工业测控模块的推广应用。虽然USB接口技术有许多商业应用的优势，但在工业测控领域还存在一些缺憾：如USB接口排线没有工业标准规格，在电磁干扰较大的工业现场环境下，极易受到干扰，同时其排线没有闭锁机制，极容易被拔除，且连线长度最大不能超过30米；最为重要的是USB接口没有工业传输标准的规定，需由工业设备商自行设计并提供给用户。IEEE1394接口IEEE1394（FireWire）是一种高效的串口总线，其数据传输速率最高可以达到400Mbyte/s，其高速数据传输率和高带宽为高速数据传输应用，特别是复杂的多媒体应用提供很大的潜能和可行的解决方案，正因为如此，数码相机及其他消费性电子产品均已包含IEEE1394接口，供传输数据使用。在某种程度上来讲IEEE1394比USB更具优越性，但遗憾的是，由于连接线长度必须在4.5米之内的众多限制，在测控模块中几乎没被采用，仅仅在仅有的少数控制仪器中使用。GBIP接口GPIB接口是专为仪器控制应用而设计的，传输速率可达8Mbyte/s，标准连线距离在20米内，其排线及其连接器均已被工业标准化，且经过了长时间的成功考验和众多测试仪器商的加盟，已经成为了仪器控制的专用的测量总线，在未来仍会持续应用于测试和测量的领域。由于GPIB接口专为仪器控制而设计，在测控功能模块中应用受到了限制。目前，虽然以太网和USB接口技术在未来的工业测控模块的应用前景并不十分清晰化，但其商业应用的广泛性必将会使其在工业测控领域的推广应用。被推广应用的同时，其接口结构和传输线的工业标准化也将随之逐步形成和产生。现在，工业控制设备的众多厂商如研华、美国国家仪器公司（NI）、西门子等等已逐步推广了带有以太网、USB接口的单独测控功能模块，这些模块在工业现场的广泛应用是推动以太网、USB接口在工业测控领域广泛应用的主要动力。USB接口测控模块在水质监测系统中的具体应用工业生产的发展使人类社会进步的同时，却带来了工业环境的污染，最为严重的是水质污染。为了取得现场水质，环保工作人员需要带上大量的玻璃试瓶去现场取样，工序极其繁琐，并且试剂需要加倍小心放置，由于条件的限制，取样的数目是极其有限的，将取样试剂带回试验室测量分析，所得到的数据也是局部的，不能真正反映现场的水质污染分布情况以及流域的污染发展趋势。目前，采用USB采集器以及笔记本电脑就可以在一定的程度上改变此局面，现地采集装置的原理图检图1所示，其中USB采集器为研华USB－4711。这样通过采用传感器和USB数据采集器即插即用技术，环境数据采集人员可以创建一个从传感器到现场测试的完整的即插即用数据采集系统，极大ApplicationStory减轻了环保工作人员的劳动负荷，并且可以实现多点同步采集，改变了传统的水质监测过程，所得到的环境数据更为可靠、全面。水质监测用传感器ABB7976五参数仪SERESCOD2000模拟开关ADC转换器微控制器USB接口芯片笔记本电脑USB接口的采集装置USB-4711图1：水质监测现地采集系统图实时测量和控制系统往往需要采集控制器对事件具有响应和控制的能力，USB与笔记本电脑之间的数据传输的控制可以采用同步或异步方式进行。同步传输时，USB通过基于时间片的数据包的分发机制保证了数据传输的带宽，可以保证一次传输在规定的时间长度内完成，但不能保证传输中没有误码，这一点对监测系统是不合适的。由于USB允许任何设备产生一个异步事件，具有紧急消息需要传输的设备还可以被赋予最高的优先级别，因此异步传输能保证准确发送，在本系统中，采用异步传输方式。由于水质监测的数据采集以及数据通信的速率不要求很快，信号的采集频率每个通道若5～10kS/s，而USB－4711的8个通道的采用频率总共可达100kS/s，因此可以采用中断异步的方式进行数据采集与传输，既保证了数据采集的速率，同时又保证了数据的可靠高速传输。现场数据采集系统中，笔记本电脑是实时数据采集的控制中心，其基本功能有检测USB设备、开启或闭合USB设备、设置USB数据传输管道、设置和检测A／D状态和数据采集端口、实时从USB接口采集数据、显示数据等。此外，还有数据分析功能包括数字滤波模块、线性化处理模块、标度变换模块、与下位机的通信模块、下位机的控制字生成模块和数据库的管理模块等几个部分。现地实时采集的数据需要与水质监测中心的服务器交换数据，以达到历史数据和实时现场数据共享的目的。待现场采集分析完毕，返回监测中心之后，即可通过TCP/IP通信的方式与主服务器通信，交换数据。过程见图2所示，所有的程序设计均为通用的设计技术。系统架构图现场水质数据采集与分析现场水质数据采集与分析现场水质数据采集与分析水质监测传感器ABB7976五项仪SERES2000水质监测传感器ABB7976五项仪SERES2000水质监测传感器ABB7976五项仪SERES2000现场分析数据存现地数据库返回水质监测试验中心与水质监测中心服务器通信交换实时数据与历史数据并共享TCP/IP图2：数据交换过程示意图ApplicationStory总结总线式测控功能模块对传统的基于PC和PLC的采集卡或模块提出了挑战，尤其是对于便携式测量或简单测量应用场合，由于USB数据采集器可完成高精度数据采集和高速数据传送，已成为新的首选。随着USB数据采集设备的体积进一步减少和功耗的进一步降低，USB采集器会变得更加便携和经济。同时，USB总线以及采集器的出现对传统的总线结构也提出了挑战，其易用性、扩展性方面的优势是传统总线无法比拟的，未来USB在测量和自动化领域的应用必定无可限量。本文作者：科瑞孙燕