2 智能监控仪的硬件设计
　　为了提高智能监控仪的可靠性和性价比，选用Philips公司的P87C591作为微型控制器。P87C591自带CAN总线控制器，不占用微处理器的端口资源，大大简化了接口电路的设计，减少了程序的复杂程度，提高了系统的稳定性和可靠性。
2.1 CAN通信模块
　　CAN总线通信接口电路主要由P87C591的片内CAN驱动器SJA1000、光电耦合器6N137、CAN收发器PCA82C250组成。PCA82C250芯片具有高速稳定的差动发送和接收能力。为了提高抗干扰能力，CAN驱动器和收发器之间的光电隔离电路采用了双路隔离电源模块供电^[2]。CAN通信接口电路如图2所示。

2.2 信号采集模块
　　该模块用来检测电机的运行状态，包括铂电阻温度传感器、电流互感器、电极式液位传感器。分别用来检测电机三相定子的温度、三相主电流和电泵腔内的水位，可以有效地监测潜水电泵的过流、过热、缺相、短路、渗漏等异常现象。
　　电流互感器选用武汉华意电子有限公司的HYH-SK-7电量传感器，其输入为0～100A，输出为0～5V信号，可以直接与微型控制器P87C591模拟信号输入端口相连；电极式液位开关输出的是开关量信号，经过光电隔离后与P87C591的数字量输入口相连即可；温度传感器选用铂电阻PT100，为了消除长线误差和提高测量精度，采用的是4线制基于比率法的测温接口电路；为了实现测量三相定子温度的目的，采用了基于ICL7109和模拟开关4051的改进型测温电路^[3]，其原理如图3所示。

2.3 电机控制模块
 　微处理器判断电机定子温度、电流、液位中的任一项值超出正常值范围时，都会通过过零触发型交流固态继电器(SSR）触发相应的异常处理电路，使电机得到保护。
2.4 参数设置模块
 　报警电流、报警温度、停机电流、停机温度、监控仪地址、波特率等信息通过参数设置模块存储于基于X25045[4]的E2PROM中，实现监控仪工作参数的现场设定。下次使用时，所有参数从X25045芯片中直接读出，而无需用户再次输入这些参数，使监控仪具有掉电保护功能。
2.5　状态显示模块
　　采用工业上常用的七段数码管（LED）实时显示电机运行过程中定子的温度和电流值。共有9个共阳极数码管。正常模式下显示三路温度，设置模式下，显示停机温度、报警温度和CAN网络站号。与液晶显示器(LCD)相比，具有抗干扰能力强、成本低、亮度高等特点。CD4094是带三态锁存功能的8位移位寄存器。P87C591的串行口工作在方式0下，TXD为CD4094提供位移时钟，RXD输出显示数据，P1.7控制是否允许CD4094输出并行数据。
3 智能监控仪的软件设计
　　智能监控仪的软件设计与硬件设计相一致，也遵循模块化的设计原则，这使控制软件具有易读、易扩展和易维护的优点。通过单片机C51语言编写相应的软件模块实现智能监控仪的各项功能。软件的各个功能模块之间通过入口和出口参数相互联系，组合灵活方便，减少了调试时间，缩短了开发周期。智能监控仪的软件结构流程如图4所示。

3.1 数据采集" title="数据采集">数据采集程序设计
　　数据采集程序处理由传感器组件采集到的现场信号，包括：定子工作温度、定子工作电流、电泵腔内的水位。液位信号为开关量，处理相对简单；温度和电流为模拟量信号，处理方法基本一致，所以只讨论温度信号的处理方法。温度信号采集采用中断的方式实现，其程序流程如图5所示。

　　为了提高抗干扰能力，提高采集数据的准确性，在A/D数据采样中辅以一阶惯性滤波法[5]实现软件数字滤波，把干扰降低到最低程度，使监控仪运行更加准确、可靠，提高整体稳定性。
3.2 通信程序设计
　　智能监控仪的通信采用CAN总线2.0A协议^[6]，通信模块的软件主要由初始化子程序" title="子程序">子程序、报文接收子程序、报文发送子程序三部分组成。其中初始化子程序是实现CAN总线通信的关键，它主要完成CAN控制器工作方式的选择，即对系统中的CAN控制器控制段中的寄存器进行设置。初始化过程是在CAN控制器复位模式下完成的[7]，通信程序的初始化流程如图6(a)所示。

　　智能监控仪与计算机之间的数据交换是通过发送程序和接收程序实现的。报文发送时只需将电机状态数据送入SJA1000的发送缓冲区中，然后启动请求发送。报文发送子程序流程如图6(b)所示，监控节点采用定时中断的方式主动向监控计算机发送数据。这是利用了CAN总线可以采用多主机方式通信的特点。由于实时监控功能是由各个控制节点完成，而监控计算机主要起到管理功能，所以采用了定时上传数据的方法，而没有实时上传所有传感器采集到的数据，从而减轻了总线负担。正在等待的报文会从存储器复制到发送缓冲器后，置位命令寄存器TR标志产生发送请求，发送过程由SJA1000独立完成。基于SJA1000的报文接收有两种方式：中断方式和查询方式。为了保证接收报文的准确性，选择实时性较高的中断方式。在中断方式下，如果SJA1000已接收一个报文，并且报文已通过验收滤波器并放在接收FIFO，则会产生一个接收中断，通知微处理器有报文已经接收。报文接收子程序流程如图6(c)所示，接收缓冲区用来存放CAN总线上发来的数据，CPU读取数据后接收缓冲区将被清空，等待接收新的数据。
4 测试实验
4.1 数据采集实验
　　数据采集实验包括温度采集与显示、电流采集与显示、液位检测与显示三个部分。温度采集实验的目的是为铂电阻的非线性校正提供实测数据和检测显示电路的工作状况。非线性校正可以用硬件、软件两种校正方法。本文采用软件方法对铂电阻进行非线性校正，不但节省了大量的硬件开支，使测量电路简单，而且精度也可以大大提高。由于铂电阻-温度曲线的曲率和斜率的变化都较小，所以采用了等距离分段的“线性插值法”实现铂电阻的非线性校正。
4.2 单机测试实验
　　单机测试实验主要内容有：显示功能、参数设置功能、故障报警功能、停机功能、自启动功能等。在现场进行单机测试实验时，出现了异常，每次刚刚启动电源，控制系统就自动断开电路。其原因是控制系统软件中没有考虑到电机启动电流的问题。电机的启动电流可以大出正常工作电流的1.5～2倍，而控制系统设置的“报警电流”及“停机电流”都是针对正常工作状态的，所以电机启动时，系统认为已经达到了“停机电流”，便断开了电路。为此修改了软件程序，在电流值从0变化到非0后的10秒钟内不发出控制指令，可以避开启动电流。
4.3 联网测试实验
　　联网测试实验的主要内容有：(1)上位机" title="上位机">上位机显示各个监控仪的工作情况。(2)上位机广播设置所有监控仪的工作参数，以及设置某个具体监控仪的工作参数。(3)对于工作过程中新加入或退出的泵站，上位机系统可以自动检测到。(4)上位机可以把当天的工作情况记录到一个日志文件中。(5)数据传输的实时性。联网测试的网络组建如图7所示。

　　本文设计了具有CAN总线通信接口的潜水电泵智能监控仪，经过现场测试实验，能够实时显示潜水电机的工作温度和定子电流；可以对潜水电机运行过程中出现的过流、过热、短路、渗漏情况做出处理，对电机起到了保护作用；现场智能监控仪与上位监控计算机之间的数据通信稳定可靠，监控计算机实时显示潜水电泵的运行状态数据，并以数据文件的形式保存，便于查询；可以通过参数设置模块现场修改智能监控仪的参数。实验结果表明，该监控仪具有适用性和可靠性，开发过程中所提出的技术方案和实现方法可以在温控控制系统及分布式监控系统的设计中推广应用。