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定量发油仪系统设计 摘要 石油作为一种重要的战略资源在现代生活的各个领域发挥着不可替代的作 用，从而服务于石油资源使用对象的油库的运行效率也显得日益重要。本文针 对现在已经运行的油库自动化状况和已有技术，分析了系统设计的可行性，基 于l p c 2 2 9 2 和嵌入式操作系统uc 0 s 一，着重对定量发油仪进行了开发和设 计。本着高精度、高可靠性和高效率的原则，设计了流量采集模块、人机接口 模块、c a n 总线通信模块、现场环境检测模块和泵阀控制模块功能的硬件设计， 在植入l p c 2 2 9 2 的嵌入式操作系统l lc 0 s i i 基础上，完成了各个模块的应用 程序设计。本系统实现了油库的定量发油自动化，达到了精度要求和安全标准， 提高了工作效率 关键词：嵌入式系统，l p c 2 2 9 2 ，i u c o s - - i i ，c a n 总线技术，定量发油仪 m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o li n s t r u m e n to fo i la u t o m a t i o ns y s t e m d e s i g n a sa ni m p o r t a n ts 扛a t e g i ci c s o r r c 圮, o i lp l a y sac r i t i c a lr o l ei ne v e r yd o m a i no f m o d e ml i f e ，a n dt h er u n n i n ge f f i c i e n c yo f b u l ks t a t i o nw h i c h 触so i lu s e r s d i r e c t l y i sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n lt h ea u t o m a t i o ns t a t u so fb u l ks t a t i o na n ds o m e t e c h n o l o g ya tu s ei sc o m p a r e di nt h i sp a p e r , t h es y s t e md e s i g nf e a s i b i l i t yi sa l s o a n a l y s e d , a n db a s e0 1 1l p c 2 2 9 2a n de m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e mt t c o s - - l it h e m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o li n s t r u m e n to fo i la u t o m a t i o ns y s t e mi sr e s e a r c h e da n d d e s i g n e d w i t ht h ep r i n c i p l eo f h i g hp r e c i s i o n , h i g hr e l i a b i l i t ya n dh i g he f f i c i e n c y , t h e h a r d w a r eo ff l u x p r o c e s s i n gm o d u l e , h u m a n m a c h i n ei n t e r f a c em o d u l e ，c a n c o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，f i e l de n v i r o n m e n td e t e c t i o nm o d u l ea n dp u m p & v a l v e c o n t r o lm o d u l ei sd e s i g n e d , a n db a s e do ne m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e mt t c o s - - i i t h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r eo fe v e r ym o d u l ei s d e s i g n e d t h i ss y s t e mr e a l i z e st h e a u t o m a t i o no f b u l ks t a t i o n , a c h i v e sd e m a n d so f p r e c i s i o na n ds e c u r i t y , a n di m p r o v e s w o r ke f f i c i e n c y k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m , l p c 2 2 9 2 ，p c o s i i ，c a nb u st e c h n o l o g y ，o i l m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o li n s t r u m e n t 插图清单 图l l 定量发油仪系统框图3 图2 一l b j 3 y - i i 型静电溢油报警器实物图5 图2 2 静电溢油报警器连接示意图6 图2 3 静电防溢信号硬件连接图7 图2 4 腰轮流量计体系结构 图2 - - 5 传统温度采集模式 图2 - - 6d s l b 2 0 内部结构图 图2 7d s l 8 8 2 0 硬件连接图1 3 图2 8d s i s b 2 0 操作时序图1 4 图3 1l p c 2 2 9 2 内部结构 图3 2 系统电源电路 图3 3 系统时钟电路 图3 4 系统复位电路 1 9 2 0 图3 - - 5 前后台系统示意图2 2 图3 - - 6 嵌入式操作系统地位作用二。2 3 图3 7 任务的状态 图3 - - 8 堆栈初始化示意图3 0 图3 9 定量发油仪任务划分3 2 图4 - - 1 矩阵键盘连接示意图3 3 图4 2 y h 心4 0 1 2 8 连接图3 5 图4 3c a n 口硬件连接图3 7 图4 - - 4 验收滤波器一般模式3 9 图4 5 验收滤波器f u l l c a n 模式3 9 图4 6 标准帧格式和扩展帧格式4 0 图4 - - 7a t 2 4 c 1 0 2 4 硬件连接图。 图5 1 泵阀控制信号硬件图，4 5 图5 - - 2 电液阀示意图 图5 3 发油流量控制 4 7 4 8 9 n 也 表格清单 表1 一l 发油定量仪电源参数表。3 表3 1v i c 通道设计。1 7 表3 - - 2l p c 2 2 9 2 引脚选择寄存器1 9 表3 - - 3 定量发油仪l p c 2 2 9 2 引脚配置1 9 表4 一ls m s 0 6 0 9 参数表 表4 2c a n 标识符设定。 表4 3 发油前上传的数据帧 表4 4 发油过程中上传的数据帧 表4 5 发油过程中上位机传送的数据帧 3 6 4 0 4 1 4 ：! z 1 2 表4 - - 6l p c 2 2 9 21 2 c 接口寄存器功能表4 3 表5 一l 电磁阀主阀操作表 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果 据我所知。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得金墅王些盘堂 或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意 学位论文作者签名：多 签字日期：，7 年2 月侈日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒蟹王些盍堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅本人授权量 胆王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名 尹拷 签字日期：d 7 年f 2 月，f 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 、 一名：p r 乍， 签字日期：0 7 年，月步日 电话： 邮编： 致谢 本文是在我的导师温阳东教授的悉心指导下完成的。研究生期间，导师在 学习和生活上给我很多的关怀，帮助和鼓励，导师严谨的治学态度、务实的工 作作风、渊博的知识、高深的学术造诣和锐意进取的科学探索精神令人敬仰。 从导师那里所学的知识和所受的熏陶将使我终身受益，将是我未来学习的榜样。 值此论文完成之际，谨向导师温阳东教授致以衷心的感谢和崇高的敬意l 同时感谢大学时代所有老师给与我的指导和帮助，是他们促进我的成长和 进步。 本次论文工作得以顺利完成还要感谢刘卫平师姐的指导，以及毕锐、贾贤 龙，程桕林、王海义、姬春义、喻春笋、刘艳丽、王欣、孙似海、李本春、李 华忠、袁亚东、张磊等同学给与我的鼓励和支持，在此深表谢意a 最后，衷心感谢我的家人，感谢他们对我学习的支持和理解 作者；尹浩 2 0 0 7 年l o 月 1 0 1 课题背景 第一章绪论 石油作为一种战略资源被广泛运用于交通运输、工业生产等各行各业，它 被称为国民经济乃至整个社会的“黑色黄金”、。经济血液”，而油库作为协 调石油生产以及成品油运输的纽带，其经营业绩、运作效率直接影响到石油企 业的整体利益。目前很多中小企业成品油( 汽、柴油) 销售都采用手动或半自 动的方式，工艺落后效率低下，操作复杂，发油精度低。成品油( 汽、柴油) 销售中主要存在的问题是： ( 1 ) 纣油的精度低，由于温度的变化对油品的密度影响很大，所以必须根据 当前温度对发油计量进行补偿，而现在很多场合依然依靠人工完成这一任 务，精度得不到保证 ( 2 ) 系统互联自动化程度不高，有的定量发油仪仅实现现场货位的发油自动 化，而缺乏与上级计算机和其它发油仪的必要通信，未能实现整个系统的 自动化控制。 ( 3 ) 安全性不高，对于油位、现场静电检测力度不够，对于油路水击问题不 能很好解决 ( 4 ) 发油信息记录不能保证，如系统掉电等意外情况会丧失数据。 ( 5 ) 操作人员任务繁重，人员开销大 本文试图通过现有的技术，针对油库自动化系统的定量发油控制节点，设 计一种工作流程自动化、安全可靠的发油定量仪，以解决上述问题。 1 2 油库自动化系统组成与特点 油库自动化系统是在现代工业集散控制系统基础上设计出来的，主要分为 两大部分：油库自动化系统下位机定量发油仪部分和油库自动化系统上位p c 机 部分其中上位p c 机主要是对发油现场的多个下位机进行监控、管理以达到发 油系统的远程化和智能化：而油库自动化系统下位机定量发油仪控制着发油现 场的各种设备以及与上位机建立通信联系由此可见，油库自动化系统就是将 油库的设备( 包括传感器、信号系统、自动执行机构和保护系统等) 经过功能 的组合和优化设计，利用先进的计算机技术、现代电子技术、通信技术和数字 信号处理技术等，实现对油库系统的全部设备的全面监控、测量、控制和保护 等功能 油库自动化系统是一个集中央数据库系统、生产控制系统、监控系统、消 防系统、信息管理系统和计算机网络于一体的自动化综合管理系统。该系统的 主要功能有：建立储油库的信息管理系统，实现企业内部信息共享，实现对 发油记录报表的打印预览和打印操作，为预算、结算等提供分析数据智能 地对各个发油站点的发油、收油的全过程进行实时监控，对发油现场环境进行 监控综合运用多种先进的控制技术，实现发油业务的自动完成，并且能在 工作人员的监控下，自动完成收油操作，力求达到最优综合指标。建立通信 通道t 实现监控中心对各个发油站点的控制建立中心数据库，实现对发油 记录进行全方位的查询功能。 本设计的重点是油库自动化系统的下位机，即定量发油仪，一台定量发油 仪可以控制两个发油货位，它与整个系统采用c a n 总线进行互联通信，从而实 现数据共享与远程监控 1 3 定量发油仪系统介绍 1 3 1 定量发油仪性能介绍 定量发油仪可以选择与上位机相互通信协调控制货位发油，也可以脱离上 位机单独控制货位发油，发油现场与发油有关的所有电气信号都与其相联。油 库是火灾防范的重点单位，定量发油仪的所有部件必须符合国家防爆的有关规 定。并且具有如下性能指标： ( 1 ) 发油精度0 3 ； ( 2 ) 平均无故障工作时间i 盯b f 3 0 0 0 h ； ( 3 ) 贮存运输温度：一4 0 到+ 5 5 ，工作环境温度：管理器o 到+ 4 0 ，控制 器- 2 5 到4 5 ； ( 4 ) 一次回路介电强度，在电源输入端和定量发油仪任意可触及导电体之间部 位，在施加有效值为8 2 0 v 交流电压1 分钟情况下，定量发油仪应无闪烁和击穿； ( 5 ) 具备流量信号输入通道，流量频率为i h z 到5 0 0 h z ，幅度为1 到1 2 v ，脉 宽大于2 0 0 n s ，机内提供+ 1 2 v 电源； ( 6 ) 具备温度信号输入通道，测温范围为一5 5 到+ 1 2 5 ，温度信号为数字量， 机内提供+ 5 v 电源： ( 7 ) 具备独立两路两组阀门信号输出； ( 8 ) 具备现场报警信号输入，为静电报警和防溢报警相与信号，信号输入为开 关信号； ( 9 ) 具有现场车装或桶装形式，可根据用户要求进行选择，桶装一次发货，可 连续发多桶，换桶时间根据用户需求进行选择，范围为1 到9 9 秒： ( 1 0 ) 每桶和每批发货结束，均提供报警控制信号，报警时间长短根据用户要 求进行选择，范围：卜9 9 秒； ( 1 1 ) 附定量仪电源参数表： 2 表1 一l 发油定量仪电源参数表 器件供电方式供电电压 l p c 2 2 9 2直流3 3 v i 8 v d s l 8 8 2 0直流 5 v b j j y i i直流 1 2 v g t s 2 1 2 a 直流 5 v 电液阀交流 2 2 0 v 油泵交流 2 2 0 v 1 3 2 定量发油仪系统模块介绍 模块化设计是一种实现嵌入式系统设计的有效手段，设计人员通过对系统 进行功能分析，规划出若干组能够满足整个系统需要的功能模块，并以此为基 础进行软硬件工作划分，最终完成整个系统的设计这种系统设计方法不再是 传统的自下而上的基于规则和元知识的过程，而是采用自上而下、任务驱动的 方式。使用完善的模块化设计系统，嵌入式系统的设计工作可通过对模块进行 选取与组合来完成，可以缩短设计周期，减轻设计人员的工作量，提高开发设 计工作的效率在定量发油仪系统的开发过程中，我们始终按照模块设计的方 法，将系统划分为以下模块： ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) 图1 一i 定量发油仪系统框图 人机接口模块：主要包括显示部分和键盘输入部分。显示部分采用一块 l c d 点阵屏和2 块段码式液晶，l c d 负责显示操作菜单，每个段码式液晶 分别实时显示两个发油位的发油状态。键盘部分采用4 * 4 的矩阵键盘， 用于工作人员操作命令的输入，包括发油模式的选择等。 存储模块：设计中采用e 2 p r o m 保存脱机发油模式下的发油数据 c a n 总线通信模块：用于与上位p c 机通信，实现数据共享与远程监控 数据采集模块：负责现场发油信号和环境监控信号的采集主要有： 流量信号一脉冲信号 温度信号一数字信号 电磁阀信号一电平信号 油泵信号一电平信号 现场报警信号一开关信号 现场保护信号一电平信号 ( 5 ) 主c p u 控制模块：定量发油仪设计采用p h l i p s 公司的a p a l 7 体系单片机 l p c 2 2 9 2 作为系统的微控制单元，并植入嵌入式操作系统心o s i i 作 为应用软件地运行平台。 ( 6 ) 泵阀控制模块：系统的执行单元控制模块，直接控制货位实现发油。 1 3 3 定量发油仪的工作过程介绍 定量发油仪的工作方法分为联机与脱机两种。联机方式下，上位p c 机可对 定量发油仪进行控制，定量发油仪也实时地向上位机传递发油数据，当发油定 量仪收到上位机送下某货位或我键盘输入的：货位号、标准密度( 油品2 0 1 2 时 的密度p 。) 、仪表系数( d ) 、总定值量，单桶定量、间隔时间、提前量后，定 值仪首先检查该货位的静电防溢等有无报警信息，如果没有打开泵阀，同时向 上位机传送一个状态信息，如果有则不可以打开泵阀，同时也向上位机传送一 个状态信息。发油起动后灌装过程中，定值仪应实时检查静电防溢口的信号是 否正常，不正常就必须关闭泵阀同时向上位p c 机送一个与上面一样的静电防溢 报警信息，同时定量发油仪随时要接收上位机传送的发油暂停或者停止命令以 更改发油状态。在脱机发油方式下，定量发油仪仅接收来自键盘的命令来控制 发油，当接通主机时再将存储于e 2 p r o m 中的发油信息传递给上位p c 机。 第二章数据采集模块 发油定量仪需要接收现场信号各种一次仪表的测量数据，其中状态信息有 静电信号、防溢信号，另外还有对于整个系统发油精度至关重要的流量信号， 本章将就这些信号的采集处理作出阐述。 2 1 静电防溢信号检测 石油产品具有易燃、易爆、易蒸发、易渗漏、易产生和积聚静电荷的特性。 石油库、加油站是储存收发石油产品具有危险性的仓库，其作业场所存在大量 的油蒸气。静电的存在使油库、加油站潜伏着火灾、爆炸事故的巨大危险性。 一旦达到静电引爆条件，就会发生事故，给企业和人民生命财产安全带来不可 估量的损失油品在流动、过滤、混合、喷雾、喷射、冲洗、灌注、晃动等情 况下。与其他物体的相互密切接触，迅速分离而产生静电荷。当静电荷的产生 速度高于静电荷的泄漏速度时，便形成静电积聚。当静电荷聚集到一定程度， 油品蒸气和空气混合物处在爆炸极限范围时，当静电火花能量能达到爆炸混合 物的最小引燃能量时，将引起爆炸、火灾事故。另外，发油初始对发油量的设 定依据是桶装，车装的固定容积，但是由于残留等原因，溢出事故时有发生， 这不仅会造成资源浪费，溢出油品更是巨大的火灾隐患。因此对定量发油仪静 电防溢信号的实时检测，是保证油库安全的重要环节。 图2 - 1b j j y - u 型静电溢油报警器实物| 鳘j 如图2 - - 1 所示，本设计选用的b j j y - i i 型静电溢油报警器是北京均友欣业 科技有限公司根据油库自动发油的需要而开发的一种新型静电溢油报警器，可 用于上装式或者下装式鹤管发油系统该报警器配备新型光电式溢油探头，并 可以与任何具有欧洲标准的五线连接方式的溢油探头连接，组成本安型静电溢 油保护控制系统，也可以直接发送信号到定量自动发油系统完成静电防溢报警 功能这种光电式液位传感器与传统的机械传动式和电阻电容式液位传感器相 比，具有灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀性好、检测现场无电等众多优点可 以有效地解决液体在罐装过程中的防溢检测问题此报警器通过静电夹来检测 静电接地是否符合相关的安全标准，适用于易燃、易爆的油库、加油站的油品 转运及存储过程中，需要进行的静电检测的场合。 图2 2 静电溢油报警器连接示意图 b j j y i i 型静电溢油报警器由静电溢油控制器、光电式溢油探头及静电接地 夹等部分组成防溢检测根据鹤管是上装式或下装式有所不同，当采用上装式 鹤管发油时，静电溢油控制器通过对自带光电式溢油探头的检测来判断液位是 否达到设定的安全高度，这个溢油探头还具备自检测功能，当探头损坏时将报 警，克服了其他类型探头无法自检的缺点，而当采用下装式鹤管发油，则与车 装的欧洲标准五线制溢油探头连接，两种方法在液位超过安全位置时都将进行 防溢报警。；这里采用的静电夹可强力破除油漆、铁锈、污垢等，当发油工作时 使其夹紧罐车，控制器通过对静电接地夹的检测来判断罐车的接地状况，当接 地电阻大于规定的阻值以后会立刻发出静电报警信号。静电防溢报瞀器具有现 场报警和报警信号传输两种功能在报警器的面板上有静电和防溢两种报警指 示灯，供现场人员及时了解发油状况，当有报警时，对应的指示灯闪烁，并发 出报警声音，当报警一段时间后，声音报警停止，报警指示灯仍然闪烁。直到 报警结束。静电防溢报警器同时拥有一路开关量报警输出，可以选择常闭或者 常开输出，可将报警信号输出传递给定量发油仪控制系统来处理，静电报警信 6 号与定量发油仪连接如图2 3 所示： 静 图2 3 静电防溢信号硬件连接图 2 2 9 2l ，0 口 除了对静电的被动防范外可以采用合理的操作方式和安全规范来防止静 电放电，具体的方法有如下几点： ( 1 ) 一切用于储存、输运油品的油罐、管线、装卸设备，都必须有良好的 接地装置，及时把静电导入地下，并应经常检查静电接地装置技术状况和测试 接地电阻。油库中油罐的接地电阻不应大于1 0q ( 包括静电及安全接地) 立 式油罐的接地极按油罐圆周长计，每1 8 = 一组，卧式油罐接地极应不少于二组。 ( 2 ) 向油罐、油罐汽车、铁路槽车装油时，输油管必须插入油面以下或接 近罐底，以减少油品的冲击和与空气的摩擦。 ( 3 ) 在空气特别干燥、温度较高的季节，尤应注意检查接地设备。适当放 慢速度，必要时可在作业场地和传导静电接地极周围增湿。 ( 4 ) 在输油、装油开始和装油到容器的四分之三至结束时，容易发生静电 放电事故，这时应控制流速 ( 5 ) 油库内严禁向塑料桶里灌轻质燃料油，禁止在影响油库安全的区域内 用塑料容器倒装轻质燃料油 ( 6 ) 所有登上油罐和从事燃料油灌装作业的人员均不得穿着化纤服装( 经 鉴定的放静电工作服除外) 人员登油罐前要手扶无漆的油罐扶梯片刻，以将 人体静电除去。 2 2 流量采集模块 2 2 1 流量采集补偿方法 成品油是一种昂贵的液体介质，因而交易过程的计量就显得尤为重要。流 量采集模块的精度是定量发油仪的主要性能指标之一，它直接影响到发油准确 性，如何以较高的性价比来提高发油精度，已成为定量发油仪的设计中关键技 术之一 7 影响发油计量精确度的主要因素是温度变化所带来的油品密度的改变，另 一个因素是传感器自身不可避免的系统误差与随机误差。目前我国炼油或者油 品销售企业使用的定量发油系统的发油原理一般分为三种： ( 1 ) 采用称重法发油 ( 2 ) 采用质量流量计发油 ( 3 ) 采用体积流量法发油 其中称重法发油应用于早期安装的发油系统中，已经基本淘汰。质量流量 计作为一种新型的测量工具，集温度测量，流量测量，密度测量于一体，内部 没有可动部件，可以方便的测出成品油的密度、温度和流量。其优点是不需进 行温度补偿和压力修正，但由于价格较高，中小企业难以承受。考虑以上因素， 本设计采用较为流行的体积流量测量加温度补偿的发油方式。这种方法的原理 是在发油管路总串连一个体积流量计，将体积流量信号变送为c p u 可以识别的 脉冲信号，同时在体积流量计处安装一个温度传感器，将温度变送信号交由具 体测温芯片来处理，c p u 根据温度信号来进行温度补偿。国家新的发油计量标准 g b 厂r1 8 8 5 - 1 9 9 8 采用国际标准i s o9 1 2 。这个国际标准是综合了各国经验，通 过先进的测试手段测得的，是被全世界都认可的、精确的标准，相比较于1 9 6 6 年到1 9 6 8 年期间根据各油田经验数据而来的老标准g b f r1 8 8 4 - 1 8 8 5 - - - 8 3 ( 9 1 ) 有质的区别。根据新标准，用于温度补偿的模型如下所示： m = ( p 2 0 一】) v 2 0 2 一l m ：油品在空气中的质量 p 加：油品在20 时的标准密度 v 2 0 ：油品在20 时的标准体积 可以看出，通过将现场测量的体积转化为20 时的标准体积，同时采用 20 时的标准密度，从而可以得出油品的实际质量，从而消除了温度变化所 带来的误差，v 2 0 通过以下公式进行修正： v 2 0 = v c f 2 0 xv t 2 2 v c f 2 0 ：体积修正系数 v t ：当前温度油品实际体积 其中v c f 2 0 依照采集实时发油温度由g b t1 8 8 5 1 9 9 8 体积系数修正表 查询得出，我们将这个系数修正表存储于l p c 2 2 9 2 的存储器中。通过具体温度 进行查表操作而得到。 一般情况发油时按照体积来计量。此时则直接根据公式2 - - 2 来进行20 标准体积转换，如果按照质量计量，则根据第公式2 - - 1 进行计算从而得到油品 质量。 2 2 2 发油体积计量 对于体积流量的采集我们考虑容积式流量计，容积式流量计又称为排量流 l 量计。简称p d 流量计或者p d f ( p o s i t i v ed i s p l a c e m e n tf l o 亩i i i e t e r ) ，采用固 定的小容积来反复计量通过流量计的流体体积。所以，在容积式流量计内部必 须具有构成一个标准体积的空间，通常称其为容积式流量计的“计量空间”或 “计量室”这个空间由仪表壳的内壁和流量计转动部件一起构成。流体通过 流量计，就会在流量计进出口之间产生一定的压力差流量计的转动部件( 简称 转子) 在这个压力差作用下特产生旋转，并将流体由入口排向出口在这个过程 中，流体一次次地充满流量计的“计量空问”，然后又不断地被送往出口在给 定流量计条件下，该计量空间的体积是确定的，只要测得转子的转动次数，就 可以得到通过流量计的流体体积的累积值设流量计计量空间体积为v 升，一 定时间内转子转动次数为n ，则在该时间内流过的流体体积为： v = n v ( l ) 2 - 3 p d f 具有如下有点： ( 1 ) 计量精度高，基本误差一般为正负0 5 ，有的特殊的基本误差可以 达到正负0 2 或者更优： ( 2 ) 在旋转流或者阻流件流速场畸变时对流量计量没有要求，不需要前置 直管段，这一点在现场使用种具有现实意义； ( 3 ) 可用于高粘度液体的测量，测量范围广，从1 0 = 1 到5 ：1 。特殊的 可达到3 0 = 1 或者更大。 综上所述，本设计采用石油工业常用的腰轮流量计，它是容积流量计的一 种，主要由壳体和壳体内的两个腰轮转子构成，腰轮不直接啮合，而是通过一 对导向齿轮带动转动从而送出液体，导向齿轮固定在轴承上，在壳体外相互啮 合转动，而腰轮间保持微小间隙。由于测量腰轮不直接接触，即使长期运转也 不会有太大磨损，从而具有精度稳定的特点转子每转过一周就排出一定量容 积的液体，腰轮转动的周数，通过齿轮、密封减速机构，带动计算、指示装置 的动作，便可以读出流过管道的液体体积，同时通过转换装置将体积流量信号 转化为脉冲信号供定量发油仪采集处理，其体系结构框图如图2 - - 4 所示： 图2 - 4 腰轮流量计体系结构 其中计量室由一对腰轮和壳体组成，腰轮互为共轭曲线的转子，即罗茨 ( r o o t s ) 轮，与腰轮同轴装有驱动齿轮，被测流量推动转子旋转，转子间由 驱动齿轮相互驱动，腰轮一般由铸铁、铸钢或者不锈钢制成，要根据流体的腐 9 蚀性以及工作压力、温度来选用，计量室也有单独制成，与仪表外壳分离，这 样计量室就不承受静压，没有静压引起形变的附加误差；传动机构包括磁性连 轴器( 或者机械密封装置) ，减速变速机构由减速齿轮完成，变速调整机构由 “齿轮对”组合而成：指示表头有指针式和数字指示式，我们这里采用瞬时流 量指示的数字式指示，脉冲发信器采用g t s 2 1 2 a 齿轮速度传感器，该传感器是 一种新型的传感器，用于非接触检测齿轮的速度，测量范围l - 2 0 0 0 0 r i n ，输 出的是方波信号，可以直接和t t l 或c m o s 等电路相连接，该齿轮传感器采用先 进的测量技术，可以分辨转过面的每一个齿顶和齿谷，并将其转换为成方波，对 应一对齿顶和齿谷，将有一个周期的方波输出( 即转换系数k = 1 ) 。占空比为5 0 2 0 。该齿轮传感器可检测模数0 5 以上齿轮，检测距离不小于3 m m , 工作电压 v c c ( d c ) = ( 5 0 5 ) v 静态外耗电流i s 3 0 m a 。最大输出电流i m a x = 1 5 m a 。 输出高电平电压k 3 6 v 产生的信号经过t l p 5 2 1 隔离后，送入处理器进行 软件计数处理，最后将处理结果即实发油量在段码上实时显示出来，为用户提 数值参考信息也作为发油控制的参考。 经分析，腰轮流量计的误差来源主要有一下几点： ( 1 ) 泄漏量误差由于运动部件和外壳之间或者运动部件之间的间隙导致 液体从入口直接泄漏至出口，使得实际流出量多而测得量少，另外 流量越大，压力损失量越大，泄漏量越大，而相同流量下，油品粘 度越小，测量误差越大 ( 2 ) 电气干扰误差，腰轮流量计与定量发油仪之间得通信回路有较大的 干扰电流，另外大型用电器产生的强磁场也会对传送的精度有所影 响 具体应用时注意以下几点可以有效减小误差： ( 1 ) 从结构和工作原理可知腰轮流量计属于机械容积式流量计没有外 力驱动仅靠压力差推动其运转。因此应加强流量计的巡回检查力度， 观察其运行状况定期清洁位于流量计前边的过滤器防止腰轮被杂 质卡住使流量计不转。造成严重的油量损失 ( 2 ) 从腰轮流量计的误差特性可以得知流量计的漏失量与压力差、流 量、温度、粘度等密切联系在一起因此。应维护好流量计各运动部 件( 如止推轴承、光电齿轮等) 润滑状况减小机械阻力 ( 3 ) 定期用标准体积管在线标定腰轮流量计，当误差超过规定值时，及时 调整齿轮的传动比使其达到计量精度要求。 ( 4 ) 采用光电耦合来实现信号回路的连接，并且加装适当的滤波器件， 以达到抗干扰的目的 我们在设计中采用l p c 2 2 9 2 定时器的捕捉功能对体积脉冲进行计数 l p c 2 2 9 2 两个定时器根据4 个匹配寄存器的设定，可以设置为匹配时产生中断或 1 0 执行其他操作它还包括4 个捕获输入口，用于输入信号发生跳变时捕获定时 器值并可选择产生中断。由于流量计算的实时性要求比较高，为了保证流量 的精确性和实时性，因此我们采用定时中断采集脉冲的个数的方法。脉冲信号 经过隔离后直接与c p u 相连，将l p c 2 2 9 2 的定时器o 设置为捕获模式，p o 4 ， p o 6 管脚作为流量脉冲信号的接口捕获控制寄存器t o c c r 的设定决定捕获功 能是否使能，以及捕获事件在引脚的上升沿，下降沿或双边沿发生；c a p o 1 ， c a p o 2 管脚在每次捕获一个脉冲时，将当时的定时器的计数值装入捕获寄存器 c r i 。c r 2 中，因此我们可以在定时器i 中设定定时中断，将捕捕获的脉冲个数 发给c p u 计算流量。定时器0 捕获初始化程序为： v o i dt i m e o i n i t0 p i n s e l o = ( p i n s e l o & o x f f f f c c f f ) lo x 2 2 0 0 ： 肛设置p o 4 口为c a p o 1 ，p o 6 口为c a p o 2 * t o p r = o ： t o c c r = o x 9 0 ：车设置c a p o 1 ，c a p o 2 口下降沿捕获 t o t c = o ： t o t c r = o x o i ： ) 定时器1 定时初始化： v o i dt i m e l i n i t0 f t i t c = o ： t i p r = o ： t i m c r = o x 0 3 t i m r o = f p c l k n ； t 1 t c r = o x 0 1 ： ) 2 2 3 温度采集 宰定时器初始值 a 设置t 1 m r o 匹配后复位t 1 t c ，并产生中断标志 a 设置定时中断时间半 a 启动定时器0 圈2 5 传统温度采集模式 i l 一般温度采集都采用感温元件将温度转换为电信号，如采用铂电阻将温度 转换为电阻值，再经过线性处理、信号调理和a d 转换4 个过程再加上基准 参考共5 个模块来完成采温的全部功能，其流程如图2 - - 5 所示在实际应用中， 因为是模拟过程，任一中间环节发生变化，都会对结果产生影响，如铂电阻氧化、 信号调理中调整器件发生松动以及温升对电路造成的漂移等，都会使转换结果 出现较大误差，为了保证温度采集的准确性，通常每半年就进行一次校准，即便 如此，采温误差仍然较大，直接影响发油数量，因此，温度采集是困扰定量发油仪 准确性的主要因数之一。 。 经实验研究分析，本设计考虑使用d s l 8 8 2 0 ，它是d a l l a s 公司推出的一线 式数字温度传感器，集温度采集、变换的全部功能于一体，无需调节，直接输出 数字信号，使用中不会漂移，性能稳定，计量准确，成本仅为上述采集方法的十分 之一左右，较好地解决了影响定量发油仪准确性的难题。d s l 8 8 2 0 具有3 引脚t o - - 9 2 t , 体积封装形式，测量范围为一5 5 1 2 5 ，其测量温度值能够被直接读出， 并且可根据实际要求通过简单的编程来选择9 、1 0 、1 l 、1 2 位的数字读数方式， 测温分辨率可达0 0 6 2 5 ，测温度用符号扩展的1 6 位数字量方式串行输出。 d s l 8 8 2 0 内部结构图如下： 图2 - 6d s i b 2 0 内部结构图 d s l 8 8 2 0 内部存储器均为八位，共有9 个便笺式r a m ，和3 个e 2 p r o m ，它用于长时 间保存高低温报警的温度设置值和配置寄存器的值。用拷贝便笺式r a m 命令可以 对e 2 p r o m 进行写操作，上电复位时，e 2 p r o m 便将内容传送到便笺式r a m 中高低温 报警温度寄存器和配置寄存器。每一片d s l 8 8 2 0 都有全球唯一的6 4 b i t 编码，保 存于6 4 位光刻录r o m 中，因而一条总线可以挂接多个d s l 8 8 2 0 ，而不用担心出现 混乱d s l 8 8 2 0 工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生，工作于 寄生电源方式时，v d d 和g n d 均接地，它在需要远程温度探测和空间受限的场 合特别有用，原理是当单总线的信号线d q 为高电平时，窃取信号能量给d s l 8 8 2 0 供电，同时一部分能量给内部电容充电，而当d q 低电平时释放能量为d s l 8 8 2 0 供电，供电方式检测模块主要用于对这两种供电方式的判断。 图2 7d s i s b 2 0 硬件连接图 如图2 7 所示，d s l 8 8 2 0 与处理器的连接很简单，只需要将d s l 8 8 2 0 的信号 线与a r m 嵌入式处理器的一位双向端口相连就可以，虽然d s l 8 8 2 0 可采用寄生电 源方式供电，但由于需要强上拉电路，软件控制变得复杂( 特别是在完成温度 转换和拷贝数据到e e p r o m 时) ，同时芯片的性能也有所降低，因此本设计采用 外供电方式，即连接采用三线制。这里还要注意电缆现的长度问题，当采用普 通的信号电缆时传输长度超过5 0 m 就会发生错误，主要原因是总线分布电容使得 信号波形发生畸变，本设计采用屏蔽4 芯双绞线，一组接电线和信号线，另一组 接地线和电源，经实际应用证明，可以使得通信长度高达1 5 0 m ，1us 图2 - - 8d s i s b 2 0 操作时序图 d s l 8 8 2 0 测温系统连接方便、占用接口线少，它在与微处理器间采用串行 数据传送，因此，在对d s l 8 8 2 0 进行读写编程时，必须严格的保证读写时序，否则 将无法读取测温结果d s l 8 8 2 0 数据的读写是由主机读写特定时间片完成的，包 括初始化、读时间片和写时间片图2 8 所示依次为d s l 8 8 2 0 复位脉冲、读 脉冲和写脉冲。主机控制d s l 8 8 2 0 完成任何操作之前必须先初始化，即主机发 一复位脉冲( 晟短为4 8 0 u s 的低电平) ，接着主机释放总线进入接收状态， d s l 8 8 2 0 在检测到i o 引脚上的上升沿之后，等待( 1 5 6 0 ) u s 然后发出存在 脉冲( 6 0 2 4 0 ) u s 的低电平写时间片：将数据线从高电平拉至低电平，产 生写起始信号。在1 5 u s 之内将所需要写的位送到数据线上，在( 1 5 6 0 ) u s 之 间对数据进行采样，如果采样为高电平，就写1 ，如果为低电平，就为写0 。在 开始另一个写周期前必须有l u s 以上的高电平恢复期；读时间片：主机将数据 线从高电平拉至低电平l u s 以上，再使数据线升为高低电平，从而产生读起始 信号。主机在读时间片下降沿之后1 5 u s 内完成读数据位每个读周期最短的持 续期为6 0 u s ，各个周期之间也必须有l u s 以上的高电平恢复期。这些时间参数 为程序设计提供了依据，其具体时序如图所示。另外d s l 8 8 2 0 测温程序设计中， 向d s l 8 8 2 0 发出温度转换命令后，程序总要等d s l 8 8 2 0 的返回信号，一旦某个 d s l 8 8 2 0 接触不好或断线，当程序读该d s l 8 8 2 0 ，将没有返回信号，程序进入死 循环。这一点在进行d s l 8 8 2 0 硬件连接和软件设计时也要给予一定的重视。 l 第三章嵌入式控制模块软硬件设计 3 1 m c u 硬件设计 3 1 。1 m c u 选型 微处理器m c u 是本设计的核心单元，肩负这现场信号的采集处理、键盘操 作的处理、液晶显示控制、泵阀控制信号的输出和c a n 总线通信等所用的功能 模块的监控运行，为了最大限度地提高硬件开发的效率，尽可能地将所用地各 个功能模块整合到一块i c 芯片上，我们考虑使用p h i l i p s 单片1 6 3 2 位微控制 器l p c 2 2 9 2 。其结构图如下所示： l p c 2 2 9 2 基于一个支持实时仿真和跟踪1 6 3 2 位a r m t t d m i - s 内核，带6 4 位乘 法指令，支持片上调试，高密度的1 6 位t h u m b 指令和e m b e d e d i c e 观察点硬件，此 内核支持取指、译码和执行三级流水线；并带有2 5 6k b 嵌入的高速f l a s h 存储器 和1 6 k b d 的静态r a m ；具有1 2 8 位宽度的存储器接口和独特的加速结构使3 2 位代码 能够在最大时钟速率下运行，对代码规模有严格控制的应用可使用1 6 位t h u m b 模 式将代码规模降低超过3 0 ，而性能的损失却很小其具有以下特点： ( 1 ) 片内b o o t 装载程序实现在系统编程( i s p ) 和在应用编程( i a p ) ，5 1 2 字节 行编程时间为i m s 。单扇区或整片擦除时间为4 0 0 m s ，e d d e d i c e - r t 和嵌入式跟踪 接口使用片f qr e a l m o n i t o r 软件对任务迸行实时调试并支持对执行代码迸行无 干扰的高速实时跟踪； ( 2 ) 具有2 个互连的c a n 接口，带有先进的验收滤波器；多个串行接口，包括2 个 1 6 c 5 5 0 工业标准u a r t 、高速ic 接口( 4 0 0k b i t s ) 和2 个s p i 接口： ( 3 ) 2 个3 2 位定时器( 带4 路捕获和4 路比较通道) 、实时时钟和看门狗； ( 4 ) 具有向量中断控制器。可配置优先级和向量地址： ( 5 ) 具有多达1 1 2 个通用i o n ( 可承受5 v 电压) ，9 个边沿或电平触发的外部中 断引脚； ( 6 ) 可实现最大为6 0 m h z 的c p u 操作频率，片内晶振频率范围：1 3 0i d h z ； ( 7 ) 2 个低功耗模式：空闲和掉电，通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒， 双电源，c p u 操作电压范围：1 6 5 1 9 5v ( 1 8v 0 1 5v ) ，i o 操作电压范 围：3 o 3 6v ( 3 3v 1 0 ) ，可承受5 v 电压。 3 1 2 芯片外围功能模块应用 l p c 2 2 9 2 是1 4 4 脚封装，其外围功能模块相当丰富，具有多个3 2 位定时器、8 路l o 位a d c 、2 路c a n 通道、2 路p w m 通道、1 2 c 接口、看门狗单元以及多达9 个外部 中断，因而它特别适用工业控制应用，下面就本设计应用到的各功能模块进行 具体介绍如下： ( 1 ) 向量中断控制器( v i c ) v i c 接收所有的中断请求输入，并将它们编程分配为3 类：f i q 、向量i r q 和 非