一种基于FPGA的水质监控系统技术方案

本实用新型专利技术涉及一种基于FPGA的的信息处理和控制系统，特别涉及一种基于FPGA的水质监控系统。包括：传感器、水质监控硬件电路板、RS232设备联网服务器NPort5100、局域网交换机、工业控制计算机。所述传感器通过RS485总线与水质监控硬件电路板连接，所述水质监控硬件电路板通过RS232总线与RS232设备联网服务器NPort5100连接，所述RS232设备联网服务器NPort5100通过网线与交换机连接，所述交换机通过网线与工业控制计算机连接。本实用新型专利技术可以更加直观的显示水处理过程中的监测信息和方便的控制泵阀设备。具有数据传输快，可扩展性强。可综合分析水处理现场的信息，实现控制过程，方便工作人员使用。

A water quality monitoring system based on FPGA

【技术实现步骤摘要】
一种基于FPGA的水质监控系统
本技术涉及一种基于FPGA的的信息处理和控制系统，特别涉及一种基于FPGA的水质监控系统。
技术介绍
随着中国城市化、工业化的加速，我国淡水资源不断减少，而且污染现象较为严重，而且随着城市规模与人口的不断增加，水资源紧缺己经成为一个非常严重的问题。据调查和统计，现在的工厂和企业的污水处理合格率仅仅达到10％，因此对工厂和企业的污水水质进行监测和处理经迫在眉睫。以前的技术方案是运用DCS现场总线系统，PLC(可编程逻辑控制器)，计算机，DP通讯，PRoFIBUS总线通讯等上下位系统实现对污水处理流程的监控和管理，而这种系统传输速度慢。现有技术方案运用嵌入式系统为代表的新技术，利用FPGA技术和传感器网络相结合来设计水处理监测控制系统时，利用FPGA开发迅捷灵活、后续功能扩展和性能升级方便的特点，使得监控系统在兼顾实时性和稳定性的同时，组网方式更加灵活。传输速度慢，可扩展性差，设计灵活性不强。
技术实现思路
本技术所要解决的技术问题：本技术提供一种基于FPGA的水质监控系统。可以更加直观的显示水处理过程中的监测信息和方便的控制泵阀设备。本技术所采用的技术方案：一种基于FPGA的水质监控系统，包括：传感器：用于监视和感应水质；水质监控硬件电路板：用于采集模拟量、数字量和控制开关量，并将数据上传至工业控制计算机；RS232设备联网服务器NPort5100：用于工业控制计算机控制信号流和传感器传输信号流的控制；局域网交换机：用于数据流交换；工业控制计算机：通过软件系统完成指令下达、控制和数据反馈；所述传感器通过RS485总线与水质监控硬件电路板连接，所述水质监控硬件电路板通过RS232总线与RS232设备联网服务器NPort5100连接，所述RS232设备联网服务器NPort5100通过网线与交换机连接，所述交换机通过网线与工业控制计算机连接。进一步地，所述传感器包括氯离子、钙离子、PH值、电导率、转速传感器。进一步地，所述水质监控硬件电路板包括主控芯片FPGA、外围电路、供电电路、复位电路、数字量输入模块、模拟量采集模块、AD模块、开关量接口。进一步地，所述数字量输入模块、AD模块和开关量模块供电为5V，所述主控芯片FPGA供电电压为3.3V或2.5V。进一步地，所述数字量输入模块包含RS485芯片和隔离电路，所述隔离电路通过隔离器件消除共模电压，所述隔离器件选用高速光耦HCPL-0631。进一步地，所述模拟量采集模块包括前置放大器、运放跟随、模拟开关和A/D转换电路。本技术的有益效果：本技术数据传输快，可扩展性强。可综合分析水处理现场的信息，实现控制过程，方便工作人员使用。附图说明图1：原理框图；图2：供电电路图；图3：RS485接口电路图；图4：模拟量采集模块框图；图5开关量模块框图；图6模拟量采集流程图。具体实施方式下面结合附图及具体实施例对本技术作进一步详细的说明。如图1所示，一种基于FPGA的水质监控系统，包括：传感器：用于监视和感应水质；水质监控硬件电路板：用于采集模拟量、数字量和控制开关量，并将数据上传至工业控制计算机；RS232设备联网服务器NPort5100：用于工业控制计算机控制信号流和传感器传输信号流的控制；局域网交换机：用于数据流交换；工业控制计算机：通过软件系统完成指令下达、控制和数据反馈；所述传感器通过RS485总线与水质监控硬件电路板连接，所述水质监控硬件电路板通过RS232总线与RS232设备联网服务器NPort5100连接，所述RS232设备联网服务器NPort5100通过网线与交换机连接，所述交换机通过网线与工业控制计算机连接。如图2所示，根据功能模块进行电路图的绘制和印制，然后进行组装、调试。硬件原理图主要包括：FPGA及外围电路，供电电路，数字量输入模块（RS485接口）、模拟量接口、AD模块、开关量接口。数字量输入模块（RS485接口）、AD模块和开关量模块供电为5V，而主控芯片为FPGA，型号为Spartan-II系列的XC2S50，此芯片需要3.3V、2.5V的电源供电，因此电路板供电采用220V交流转5V直流为数字量输入模块（RS485接口）、AD模块和开关量模块供电，而5V直流经电源芯片TPS70358稳定地输出两路电压，分别是3.3V和2.5V为FPGA供电。如图3所示，由于氯离子、钙离子、PH值、电导率、转速传感器为数字量传感器，并且通信协议为RS485协议，因此设计数字量输入模块接口为RS485接口，该模块包含RS485芯片——SN55LBC176和隔离电路，虑到实际现场情况比较复杂，容易有电磁干扰，各个节点之间可能有较高的共模电压。采用隔离器件可以消除共模电压，隔离器件选用高速光耦HCPL-0631。如图4所示，所述模拟量采集模块包含前置放大器、运放跟随、模拟开关和A/D转换电路。本技术要求完成对2路模拟信号的采集、编帧。输入的缓变和速变信号经过滤波后经电压跟随，主控芯片FPGA依据事先编写好的帧格式的顺序进行通道切换，随后片选AD转换芯片进行A/D转换，量化的数据经FPGA编帧后写入FIFO中，本技术可扩展为16路模拟信号的采集。如图5所示，所述开关量模块主要用来输出各种开关量，用以控制水厂水泵和电磁阀的启停或设置相关的状态。以FPGA的I/O管脚作为数字输出端口，可实现多路数字输出，通过FPGA输出高低电平实现对继电器的控制，从而实现对水泵和电磁阀的启停控制。这里需要考虑高压设备和低压设备之间的隔离问题，因此也在处理器和输出端之间加入光耦。如图6所示，为保证系统的整体同步性，在系统上电后，进行整体复位，复位完成后启动AD转换。采集的通道根据帧格式进行模拟通道选通。通过读取AD芯片的BUSY信号，判读AD转换是否完成，如果完成读取量化数据，切换通道，进行下一个的通道的采集。如此循环，实现循环多通道的模拟信号采样。数字量采集首先需要设置波特率、通信地址，工业控制计算机（上位机）先需要通过RS232接口发送命令，经FPGA接受后转发给数字量传感器，响应后，返回命令，修改PH仪与上位机之间的波特率、通信地址，并读取批量信息，还可以对缓冲液进行标定，标定后可以对水质进行采集。开关量，只有“1”，“0”两种相反的工作状态，FPGA给定所对应的值去控制继电器进而控制泵阀的启停。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于FPGA的水质监控系统，其特征在于，包括：/n传感器：用于监视和感应水质；/n水质监控硬件电路板：用于采集模拟量、数字量和控制开关量，并将数据上传至工业控制计算机；/nRS232设备联网服务器NPort 5100：用于工业控制计算机控制信号流和传感器传输信号流的控制；/n局域网交换机：用于数据流交换；/n工业控制计算机：通过软件系统完成指令下达、控制和数据反馈；/n所述传感器通过RS485总线与水质监控硬件电路板连接，所述水质监控硬件电路板通过RS232总线与RS232设备联网服务器NPort 5100连接，所述RS232设备联网服务器NPort5100通过网线与交换机连接，所述交换机通过网线与工业控制计算机连接。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于FPGA的水质监控系统，其特征在于，包括：
传感器：用于监视和感应水质；
水质监控硬件电路板：用于采集模拟量、数字量和控制开关量，并将数据上传至工业控制计算机；
RS232设备联网服务器NPort5100：用于工业控制计算机控制信号流和传感器传输信号流的控制；
局域网交换机：用于数据流交换；
工业控制计算机：通过软件系统完成指令下达、控制和数据反馈；
所述传感器通过RS485总线与水质监控硬件电路板连接，所述水质监控硬件电路板通过RS232总线与RS232设备联网服务器NPort5100连接，所述RS232设备联网服务器NPort5100通过网线与交换机连接，所述交换机通过网线与工业控制计算机连接。


2.根据权利要求1所述水质监控系统，其特征在于：所述传感器包括氯离子、钙离...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔文生，陆明，邹宇，孙艳涛，韩鹏飞，
申请(专利权)人：内蒙航天动力机械测试所，
类型：新型
国别省市：内蒙;15