（电力电子与电力传动专业论文）新型智能流量积算系统的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第l i 页 a b s t r a c t f l o wt o t a l i z e r i sa n i m p o r t a n tc o m p o n e n t o f i n t e l l i g e n t a p p a r a t u s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e r nc o m p u t e rt e c h n o l o g y ，f l o w t o t a l i z e rd e v e l o p sc o r r e s p o n d i n g l yq u i c k l y a i m i n ga tb e i n gs m a l la n d i n t e l l i g e n t ，w eu s ep 8 9 c 5 1 r d 2m c ua sm a i nc o n t r o l l e ro ft h es y s t e m ， ，w h i c hh a s t h ea b i l i t yt o d o w n l o a dp r o g r a m s t op r o v i d ew o r k e r sa f r i e n d l yi n t e r f a c e ，w ed e s i g nac o n t r o l l i n gb o a r dw i t hl e d sa n da m i n i k e y b o a r d ：a c o r d i n gt or e q u i r e m e n t ，p r i n t i n ga n dd a t as t o r i n ga n d s w i t c ho u t p u ta r ea l s od e s i g n e d ：w ec h o o s ea c d cp o w e rm o d u l ea st h e s y s t e mp o w e r s oa 1 1a b o v ec o m p o s eo fah i g hp r e c i s ep l a t f o r m f i r s t l y ，t h e r ei sas y n o p s i so fi n t e l l i g e n ta p p a r a t u sa n df l o w t o t a l i z e r ：i nt h e2 n dc h a p t e r ，m a n ym e a s u r i n gp r i n c i p a l sa n dm e t h o d s a b o u tf l o wa r ea n a l y z e d ，c o r r e s p o n d i n gc o m p e n s a t i o na n de r r o r sa r ea l s o a n a l y z e d ：i nt h ec h a p t e r3 ，t h ef u n c t i o no fi s pa n dt h e i a pi nm c u ， e s p e c i a l l yt h ea p p l i c a t i o no fi s po ns y s t e md e v e l o p m e n ti ss p e c i f i e d i nd e t a i l ，w ea l s od i s c u s so t h e rf u n c t i o ne l e c t r i cc i r c u i t si nt h i s c h a p t e r ，i n c l u d i n gc l o c k c a l e n d a rc i r c u i t ，i n p u ta n do u t p u t s i g n a l t r a n s l a t i n gc i r c u i t ，d i s p l a y i n ga n dk e y s c i r c u i t ，a n dp r i n t i n go u t p u t c i r c u i t i nt h ec h a p t e r4 ，s o m em a t h e m a t i cm o d u l e sa r ec o n s t r u c t e d ， w h i c ha r er u l e so ft h es y s t e mp r o g r a m s ，w eu s es e c o n d g r a d ep a r a m e t e r s t oi d e n t i f yi n p u ts i g n a l s b a s e do nm a t h e m a t i cm o d u l e sa n ds e c o n d g r a d e p a r a m e t e r s ，s y s t e mp r o g r a m su s i n g “t o p d o w n d e s i g n i n gi d e aa r e d i v i d e di n t os o m em o d u l ep r o g r a m si nt h ec h a p t e r5 ，a tt h ee n do ft h i s c h a p t e r ，q u e s t i o n sa n dr e s o l u t i o n si nt e s t i n ga r ei n t r o d u c e d ：i nt h e l a s tc h a p t e r ，a p p l i c a t i o no fd o w n l o a dc h a r a c t e r i s t i c so fm c ui su s e d o nl o n gd i s t a n c eu p d a t e ，s ot h et o t a l i z e rc a nb eu s e di nb r o a df i e l d s i fs o f t w a r ed e s i g n e dr e a s o n a b l y g e n e r a ls p e a k i n g ，t h ei n t e l l i g e n t f l o wt o t a l i z e rp o s s e s s e sas t e a d ys t r u c t u r e ，o p t i m i z e ds o f t w a r ea n d h a r d w a r e ，a ne x c e l l e n to p e r a t i n gp l a t f o r m ，h i g hp r e c i s em e a s u r i n g m e t h o d s ac o n v e n i e n tw a yt ou p d a t ea n dp r o v i d e su sas y s t e mw i t h n o v e l t ya sw e l la sp r a c t i c a l i t y k e yw o r d ：i n t e l l i g e n ta p p a r a t u s ，f l o wt o t a l i z e r ，l o n gd i s t a n c eu p d a t e 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 第1 章绪论 1 1 概述 流量测量的历史比温度和力等物理量要短得多，只是在大工业出现之后 人们才真正关心气体、液体等在管道里到底是怎么流动的? 它们流动的速度到 底是多少? 在工业生产过程中，各种流动介质的计量问题及流量的精确测量 已成为当前工业测控系统、能源计量管理等领域的一个重要内容。同时在石 油化工、食品医药、加工制造等行业也都离不开流量计量问题，于是流量计 量就在诸多学科的共同关注下迅猛地发展起来，流量技术也吸收应用了多种 多样的科学规律和工艺手段。事实上，几乎对于任何流体人们都可以想到测 量它的方案。流量积算仪就是在这样的背景下出现在智能仪表大家庭中的。 1 2 智能仪表的基本特点 微型计算机技术的迅速发展，使传统的仪器仪表发生了根本牲的变革。 即以微型计算机( 简称微机) 为主体，代替传统仪表的常规电子线路，成为 新一代的具有某种智能的灵巧仪表。将微机引入测量、控制仪表中。不仅能 解决传统仪表不能解决或不易解决的问题，而且能简化电路、增加功能、提 高精度和可靠性，由于这类仪表已能实现人脑的一部分功能，例如四则运算、 逻辑判断、命令识别等，有的还能够进行自校正、自诊断，并且具有自适应、 自学习的能力，因此，人们习惯上称它们为智能仪表( 或微机化仪表) 。但 智能仪表的水平高低不一，目前所见的大部分产品智能化的程度还不高。当 然，随着科学技术的进一步发展，这类仪表所具有的智能水平将会越来越高。 单片微型计算机( 简称微型控制单元m c u ) 的问世和性能的不断改善， 大大加快了仪器仪表微机化和智能化的进程。与多芯片组成的微机相比，m c u 的体积小、功耗低、价格也较便宜，用单片微机开发各类微机化产品，周期 短、成本低，在计算机和仪表体化设计中，有着一般微机无法比拟的优势。 因此，它在微机系统和仪表中的应用已只趋广泛。 1 3 基于m c u 的智能流量积算系统的主要功能和组成 将单片机引入流量积算仪表中，能解决的问题是多方面的，大体上能实 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 现如下一些功能： ( 1 ) 自动校正零点、满度和切换量程： ( 2 ) 自动修正各类测量误差； ( 3 ) 数据处理； ( 4 ) 各种控制规律； ( 5 ) 多种输出形式； ( 6 ) 数据通信； ( 7 ) 掉电保护； ( 8 ) 自诊断： 智能流量积算系统的组成可简单分为硬件和软件两部分： 硬件部分包括主机电路、过程输入输出通道( 模拟量输入输出通道和开 关量输入输出通道) 、人机联系部件和接口电路以及串行或并行数据通信接 口等。主机电路用来存储数据、程序，并进行一系列运算处理，它由单片机 ( 其中包括中央处理器c p u 、程序存储器r o m 、数据存储器r a m 、输入输出接 口i 0 和定时计数电路c t c 等) 及扩展电路组成。模拟量输入输出通道( 分 别由模数( a d ) 转换器、数模( d a ) 转换器等构成) 用来输入输出模拟 量信号；而开关量输入输出通道则用来输入输出开关量信号。人机联系部件 的作用是沟通操作者与仪表之间的联系。通信接1 3 则用来实现仪表与外界交 换数据。 系统的软件包括监控程序、中断处理( 服务) 程序以及实现各种算法的 功能模块。监控程序是仪表软件的中心环节，它接受和分析各种命令，并管 理和协调整个程序的执行；中断处理程序是在人机联系部件或其它外围设备 提出中断申请，并为主机响应后直接转去执行，以便及时完成实时处理任务； 功能模块用来实现仪表的数据处理和控制功能。包括各种测量算法和控制算 法。 1 4 智能流量积算系统的技术要求 智能流量积算系统所针对的对象包括液体、空气、一般气体、天然气、 饱和蒸汽、过热蒸汽流量积算等。 可配接孔板、涡街、涡轮等流量传感器。 输入信号有：标准热电偶k 、标准热电阻p t l 0 0 ：电流：o l o m a 、4 2 0 m a 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 电压：0 5 v 、1 5 v ：脉冲信号：波形为矩形波、正弦波或三角波：开关量： 启动、停止、清零。 输入信号切换：温度补偿：p t l 0 0 、k ( e 、b 、s 、t 等) 热电偶、0 l o m a 、 4 2 0 m a ；o 5 v 、1 5 v 通过内部设置参数切换；压力补偿：o l o m a 、4 2 0 m a ；o 5 v 、1 5 v 通过内部设置参数切换：流量输入：o l o m a 、4 2 0 m a ； o 5 v 、1 5 v 或频率信号通过内部设置参数切换。 输出信号有：模拟量变送输出：o l o m a 、4 2 0 m a ；0 5 v 、1 5 v ；开 关量输出；通讯输出：馈电输出； 报警方式：继电器上、下限报警输出，l e d 报警指示； 控制方式：o n o f f 带回差； 同时还应具有良好的人机界面，方便参数设置，数据显示等功能。 1 5 智能流量积算系统方案 流量积算系统是流量计的二次仪表，它接收一次仪表、变送器的信号， 进行处理和运算，并将计算的结果由显示、积算单元进行显示和累积。近年 来生产的工业流量计都是由一次仪表、变送装置及二次仪表构成的一个流量 测量系统。流量显示积算在流量测量系统中起着极其重要的作用，从某种意 义上讲，它的质量优劣代表了整个流量计的质量好坏。对于流动工况波动或 不断变化的各种工业流体介质，没有高性能、高运算精度的流量显示积算系 统，不可能准确测量流量。 一个智能流量积算系统就是要充分利用单片机体积小、功能强大、价格 便宜、可靠性高等优点并配合一些外围器件，通过编制合理的软件程序完成 流量高精度的积算的较先进的一种计量系统。它可以充分利用系统的软、硬 件资源，方便完成高精度的补偿运算，并根据配接的流量传感器类型通过良 好的人机界面完成参数设置，调用不同的数学模型完成相应的积算。 流量积算系统的智能化就是要求这样的系统容易实现与各种不同的一次 仪表配用，可以根据一次仪表自动选择相应的数学模型进行运算，同时考虑 工况进行补偿以提高测量的精度。系统的整体设计思路：在积算系统中设置 二级参数，二级参数的设置通过面板上的按键完成，系统的显示和积算要以 二级参数的设最自动选择运算公式。本论文以p h i l i p s 公司的p 8 9 c 5 1 r d 2 h b p 微处理器作为核心，构成高性能流量积算系统，其系统组成如图卜1 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 根据配接不同的传感器选择不同的数学模型来完成流量的拟信号经过模拟开 关、程控放大送到a d 转换，在微处理器中完成数据处理，通过l e d 显示， 通过打印机打印需要的数据，两级参数的设定是通过键盘完成，并保存相 应的设定和积算后的数据，此外由于微处理器的一些特性，仪器可以方便的 实现软件远程升级。 图i - i 系统组成 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章流量积算系统信号的测量 正如绪论中所述，一个完整的智能测量系统包括硬件和软件两部分组成， 在流量积算中输入的信号种类比较多，一部分是流量信号，另一部分则是与 流量息息相关的物理量信号，例如温度、压力等，这些信号直接影响流量积 算的精度，特别是气体流量的测量。因而，这里首先着重介绍这些信号的采 集、处理方法以及相应的补偿分析。 2 1 热电偶测温度及补偿 由于在流量积算中涉及到温度补偿，所以温度信号也是仪表的一个重要 输入信号。工程上大多采用使用广泛的热电偶、热电阻以及温度变送器来进 行温度的测量。因而，在系统中就要对这些信号进行相应的处理。 两种不同的导体或半导体的组合成如图2 1 所示的闭合回路称为热电 偶。如果a 和b 所组成的回路的两个结合点处的温度t 和t o 不相同，则回路 中就会有电流产生，也就是回路中有电动势存在，这种现象叫做热电效应。 热电效应于1 8 2 1 年首先为s e e b a c k 发现，故谓s e e b a c k 效应。由此效应产生 的电动势，通常称为热电势。常用符号e a b ( t 、t o ) 表示。理论已经证明热 电势是由接触电势和温差电势两部分组成。 t a b t o 幽2 - 1 热电偶 对于热电偶的测量，实际上是测量热电偶输出的毫伏电压信号。通过热 电偶电压采集电路将毫伏信号采入，经过a d 转换后，再通过测量程序的多 次修正，得到热电偶毫伏电压信号的数值，之后查相应的热电偶分度表，从 而得到温度值。 用热电偶测量温度，理论分析是在参考端为o 的情况下进行，但实际 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 系统中运用的热电偶测量温度，由于现场情况的限制，参考端不易保持o c ， 即实际中通常是在常温下应用的，这样，热电势势必减小，测出的温度理所 当然不准确，因此，必须补偿相应的电压，以达到准确的测量。图2 2 为热 电势采集电路。 热电媚 髌瑞 图2 - 2 热电势采集电路 由热电偶推导可知，热电偶的热电势是温度的函数，我们在热电势测量 回路中增加一个二极管，进行补偿。如图2 - 2 所示，分析如下：由v 1 端采入 的信号是参考端为室温的热电势，v 2 端测的是二极管两端的压降，我们知道， 二极管导通时两端的电压和温度之间有一定的线性关系，因此在测量热电偶 时，同时测量一下二极管两端的电压，根据二极管导通电压与温度的关系就 可以算出室温，将室温转化为热电势与v l 相加，再由中间湿度定律可知，相 加后的电势就是相对于参考点为o9 c 时的热电势。这样经查表就可得到比较 精确的温度。 但在系统中我们对其进行补偿采用如下方法进行。 由于二极管电压v 和其相应的温度d 之间有一条曲线，通常二极管导通 电压随温度变化的系数约为负温度系数k ：- 2 m v ，而且考虑到室温的变化 范围相对于热电偶的测温范围要窄的多，那么我们在这样一个狭小的区间对 其线性化处理是合适的。这样就可以先测量一个中间温度d 时对应的电压v ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 并将这一温度和对应电压保存起来，在以后测试中测得一个电压v 1 ，利用v 1 和v 之间的差值与k 相乘所得的结果在和d 相加就可知到室温d x 为： d x = d + ( v l v ) k( 2 - 1 ) 将此次温度和所测得的与热电偶电势相对应的温度相加就可以得到测量 对象的温度，这样就可以对测量对象进行高精度的温度测量。 2 2 热电阻测温度及补偿 热电阻测温度是利用某些导体或半导体材料的电阻值随温度变化这一性 质来做成温度测量敏感元件，通常采用的有铂热电阻p t l 0 0 、铜热电阻c u 5 0 。 这些材料的电阻随温度变化而改变，通过测量电阻值再根据阻值和实际温度 的对照线性表就可以推算被测对象的温度。这类传感器主要用于低温和中温 范围内的温度测量。 为了准确的测量电阻值，消除引线电阻的影响，我们采用三线法测量电 阻。具体的电路图如图2 3 。 c v l v 2 r a v a v b 图2 - 3 三线法测热电阻电路 下面简单介绍三线法测量电阻的原理，如图2 3 右图，r 为引线电阻， 在电路设计中尽量保证这三段电路长度相差不要太大，这样可以假设各支路 的引线电阻相等。电路中流过r x 中的电流为i ，若c b 支路分得的电流为0 ， 那么电路中电流由a 流向地，大小为i 。c 点与b 点电位相同即v b = v c ，而a 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 点的电压v a 由于引线电阻r 的存在有： v a = r x i + 2 r xi ：( 2 - 2 ) 那么，b 点的电压v b 为： v b = r x x i + r x i ：( 2 3 ) 由以上两式可推得： r x = ( 2 v b v a ) i ：( 2 4 ) 具体到设计中如图2 3 左图：2 2 m 电阻r 2 与i o k 电阻r 1 并联，然后和 热电阻传感器r x 共同对2 5 v 电压分压，r 3 、r 4 为隔离电阻，由于r 2 远大 于r 1 ，可以认为r 2 上分到的电流为0 。这样通过隔离电阻r 3 可测到电压v 1 ， 而由于r 2 的阻值很大，那么就可以认为通过隔离电阻r 4 测得的电压v 2 为一 个不受c b 段线电阻影响的电压值。再根据三线法测电阻的方法就可以知道消 除引线电阻的影响后r x 上的电压为：v = 2 v 2 一v 1 。假如我们已知一个电阻r 和其对应的a d 转换值v d ，那么根据公式： v d r = v r x ( 2 - 5 ) 得到求电阻r x 的公式： r x = ( r x v ) v d( 2 6 ) 因为v 可以通过a d 转换得到，可以认为是一个已知量，所以很容易的 就可以求出r x 的。再根据热电阻传感器的电阻与温度的对照表格，就可以转 换出相应的温度。 在上面的方法中我们其实进行了三个非线性问题的线性假设：其一，由 于r 2 的阻值远大于r 1 我们认为它上面没有分得电流；其二，当我们选定r 时，测得的电压v d 是r 1 和r 分压时r 分得的电压，v d r 是一个系数，我们 认为这个系数是恒定的；其三，在测得了电阻之后我们利用查表的办法算出 对应的温度，由于存储空间的限制，我们不能把这个表制作很大，所以就只 能将整个温度区间划分为几个小的区间，然后认为在每一个小的区间上的温 度随电阻的变化是线性的。 对于第一种线性化处理，在设计中所造成的误差经分析与a d 转换的精度 相比较完全可以忽略，对此我们不作太多讨论。 对于第二种线性化处理，我们假设通过i o k 电阻和r x 的电流值是一个恒 定的数值。但在以后的测量中当r x 改变时，通过i o k 电阻和r x 电阻的电流 会有微小的变化，例如起初以4 0 0 欧姆的电阻作为参考，得到的电流是 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 1 1 = 2 5 ( 1 0 0 0 0 + 4 0 0 ) = 2 4 0 4 1 0 1 ，而以5 0 欧姆的电阻作为参考，得到的 电流是1 2 = 2 5 ( 1 0 0 0 0 + 5 0 ) = 2 4 8 8 1 0 。4 用这样两个不同的参考来测量相同 的输入信号，结果r = ( 2 v b v a ) 1 4 0 ，就会造成几欧姆的误差，反映到所 对应的温度就会有几度甚至于十几度的误差，见图2 - 4 。这样一个误差是不 能忍受的，必须采取应对措施。当然这样的误差是可以通过理论计算得出来 的，并在测量值中进行相应的补偿，但在实际工程中进行这样的高精度补偿 不仅是不现实的，而且也是不必要的。为了减小误差并充分考虑工程实际， 我们通过软件进行补偿时，将热电阻的阻值区间进行分段，并测得相应区间 的参考值，用查表的方法来进行补偿，如果分的段足够多，测量引入的误差 是可以控制在允许范围之内的。设计中对铜热电阻以1 0 欧姆为单位分了1 0 段，对铂热电阻以2 0 欧姆为单位分了2 0 段，所得到的测量结果和实际值之 间的误差是在设计的误差范围之内的。 魄船 图2 4 理论值与真实值对照 对于第三种线性化处理，是基于存储空间考虑的，只要表的大小选的合 适，完全可以把误差控制在允许的范围内，这里也不做过多阐述。 2 3 变送电压、电流信号的测量 在流量积算系统中，由于有变送器输入的温度信号、压力信号、差压 信号、流量信号等，所以就必须设计针对变送输入的o 一5 v 和1 5 v 电压 信号的测量以及o 一1 0 i i l a 和4 2 0 i i l a 的电流信号的测量。 对于电压信号的测量，因为我们采用的a d 转换芯片在基准电压为0 5 v 时，测量的电压范围为0 1 v ，所以要先对大电压信号进行相应的衰减后才 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 能进行有效的测量。我们所用的测量电路为： 接输入电 到4 0 5 1 图2 - 5 变送输入电压测量电路 输入的电压信号经过电阻r 1 和r 2 的分压后送往模拟开关，电容c 1 是为 了消除高频干扰，r 3 为隔离电阻，电阻r 4 的作用是为了测量毫安信号用的， 将在下面电流信号的测量中介绍。在这个电路中输入电压v x 和输出电压v 2 之间是线性的关系，如果我们已知一个输入电压和其相对应的a d 转换值， 那么很容易的就可以对其它的电压进行测量了。具体的方法如下： 如果已知一个电压v 1 和其相对应的a d 转换值d 1 。那么对应于任何一 个输入电压v x 和其a d 转换值之间有如下的关系： v 1 d i = v x d( 2 - 7 ) 所以，所测电压值就是： v x = ( d v 1 ) d 1 ( 2 - 8 ) 电压v 1 是在标定时人为输入的，其相应的转换值将会被程序控制保存下 来作为以后的测量使用。 对电压信号的测量，编写了一个函数v c l ( u c h a ra ) ，返回值为无符号 短整型数据。该函数可以测量o 一5 v 和1 5 v 的电压信号，在这个函数里同 样采用了整型数据放大的测量方法。返回值保存了小数点后3 位的数据，以 放大1 0 0 0 倍的方式返回测量值。 与电压测量相对应，系统中所要测量的电流信号有o 一1 0 m a 和4 2 0 i i l a 两种，由于a d 不能对电流信号直接进行转换，因此，在转换前应当先将其 转换为电压信号后，才可以进行a d 转换，所以我们采用了如下电路对其进 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 1 页 行转换 接输入电 到4 0 5 1 图2 - 6 变送输入电流测量电路 通过短路环将5 0 q 电阻r 4 和5 1 0 k q 电阻r 1 短接，就可将电流信号转换 为电压信号。接入5 0 q 电阻的原因是因为如果让电流信号直接通过r 1 和r 2 ， 那么将产生很大的电压，比如有l m a 的信号流过，那么就会有几百伏的电压 产生，这时电流源将会产生电压阻塞效应，接入了5 0q 电阻后就没有阻塞效 应了。将电流信号转换为电压信号后，就可以按照测量电压的方法对其进行 测量了。按照下面的方法，在程序设计中可以将其直接变换为电流值。 例如我们知道输入l o m a 时的a d 转换值d i o ，那么对于其他的电流i x 则有： i o d i o = i x d ( 2 - 9 ) 因此所测的电流信号为： i x = ( 1 0 d ) d i o单位为：m a ( 2 1 0 ) 对电流信号的测量，也编写了两个函数m a l o ( u c h a ra ) 和m a 2 0 ( u c h a r a ) 。这两个函数的返回值也是短整型的，所调用的函数和前面的采集函数 是一样的。函数返回的毫安测量值保存小数点后两位，是以放大1 0 0 倍的 方式返回的。 以上简述了几种信号的测量，正如前面所述，同样是电压、电流信号， 但由于配接的变送器的不同因而所代表的物理量也不相同。但其测量方法 却是相同的，这样，就给我们以后升级带来了方便。我们可以在不增加硬 件的情况下，通过软件的设计，增加系统原来没有的一些功能。 2 4 输入信号处理 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 在测量流量时，各种传感器送来的信号都要进行抗干扰处理，否则将会 被噪声信号埋没。比如当测量毫伏输入信号时，如果不加处理，那么很小的 几个毫伏的信号将会被埋没，因为a d 转换器对输入的信号幅度也有限制。 另外对电流信号也不能直接的测量，要将其转换为电压信号后才可以测量。 所有这些都要求对输入信号进行适当的处理，因此我们引入了小信号处理电 路。还有对各种信号的放大倍数要求也不一样，我们采用了程序适当的控制 增益的方法。具体测量电路如图2 - 7 所示： 图2 7 信号前端处理电路 由前面的内容可以知道，在系统中涉及的信号类型较多，各种信号范围 各异，由于体积的限制以及考虑到成本，故在多路信号的检测过程中，多个 通道共用一个放大器。信号经放大处理后送至a d 转换器，由于各个输入量 传送到放大器的信号电平不同，放大器的增益也应不同。一般情况下，应使 被转换量的数值大小落在a d 转换线性特性区间内，并尽可能使模拟量信号 输入采用小放大倍数，即根据未知参数量值的范围，自动地选择合适的增益 和衰减，以切换到合适的量程。量程自动设置的方法是在采集通道中设置可 变增益放大器，借助量程转换开关，控制其通断，获得所需的量程。 系统中此处电路的程控放大采用八选一多路模拟开关4 0 5 1 和运放o p 0 7 组成。多路开关4 0 5 1 用来改变放大器的增益，根据输入信号的大小，由单片 机控制4 0 5 1 的选通，改变其反馈电阻的大小，从而达到改变放大器增益的目 西南交通大学硕士研究生学位论文 第13 页 的，实现量程的自动切换。 模拟开关部分4 0 5 1 和运放o p 0 7 完成将信号输入前端测量的热电偶、热 电阻、电流、电压信号全部转换成o 一1 v 内的小电压信号。程序自动完成对信 号的识别后，控制第一片八选一模拟开关4 0 5 1 完成对送往放大器信号的选 择，程序通过对第二片4 0 5 1 的控制完成对放大倍数的选择。 前面已经介绍了程控放大的硬件电路，它通过c d 4 0 5 1 选通不同的输出引 脚，从而改变o p 0 7 反馈电阻，以达到改变放大倍数的目的。由前面信号测量 部分的分析可知，电阻信号输入为o - l o o m y ，电偶电势信号k 分度和e 分度为 o - 5 0 m v 、s 分度和b 分度约为o - 1 6 m v ，电压信号经衰减成为0 0 5 v ，电流信 号转化为0 - 0 i v ，对于这些范围大小不同的信号，取两个极限情况作为放大 倍数的极限，由于a d 转换的最大值为l v ，所以放大倍数最小选l ，而对o 一1 6 m v 要想达到理想的测试结果就要将放大倍数选为约4 0 倍。在这样的范围内 再增加两个1 0 倍和1 4 倍，这些倍数的选择同时也要考虑选取的电阻要满足 通用，易于购买等原则。 采取了这些措施后，还面临一个量程转换的问题。设计中利用a d 转换芯 片i c l 7 1 3 5 的过量程、欠量程等功能，通过微处理器实现量程的自动转换。 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 第3 章功能电路 信号的测量只是流量积算的前期工作，要实现流量积算的智能化就要设 计功能完整的电路，完成数据a d 转化、根据数学模型进行积算处理、参数 设置及结果显示、打印及输出等。 3 1 微处理器的选择和应用 微处理器是智能仪表系统的心脏，现代智能仪表要求功能越来越齐全， 这就要求系统的控制中心有充足的程序空间。具体到流量积算系统中由于涉 及到大量的数据采集、处理、存储和输出，这就需要有较大的r o m 和r a m ， p h i l i p s 公司的p 8 9 c 5 1 r d 2 就是这样一种自带闪存同时有较大随机存储器的 新型微处理器。它是由p h i l i p s 公司推出的内核基于8 位8 0 c 5 1 单片机的派 生产品，它在完全保留8 0 c 5 1 指令系统和硬件结构的大框架外，又进行了多 方面的加强、扩展和翻新，最大限度地利用原有的结构。p 8 9 c 5 1 r d 2 将原有 的对外数据和程序存储器的1 6 位寻址机s j j n 以利用，把片上的r a m 扩展到 i k 字节、片上的f l a s he p r o m 扩展到6 4 k 字节满足当今嵌入式高级语言对片 上大存储容量的需要。p 8 9 c 5 1 r d 2 x x 具有的并行可编程的非易失性f l a s h 程 序存储器，并可实现对器件串行在系统编程( i s p ) 和在应用中编程( i a p ) 。 该器件可通过并行编程或在系统编程的方法对一个f l a s h 位进行编程。 p 8 9 c 5 1 r d 2 最显著的特点莫过于其i s p 功f f 断g i a p 功能。用程序来改变程 序的i s p 技术和l a p 技术是未来仪器仪表的发展方向，它使现代仪表应用起来 更灵活，更方便。在这方面p h i l i p s 公司为了使i s p 技术和i a p 技术得以推 广作出了贡献，它在芯片上免费提供b o o tr o m ( 引导r o m ) 固件，并且巧妙地 解决了固件芹g f l a s h 的地址覆盖问题和一些具体实现细节问题，使它们的实现 变得简单而现成。 p 8 9 c 5 1 r d 2 片内程序存储器采用了最先进的f l a s h ( 快闪) e p r o m 存储器结 构，它是基于电荷存储原理来存储信息。p 8 9 c 5 1 r d 2 有片内存储器6 4 k ，并且 分为8 k 和1 6 k 的存储块，图3 一l 为p 8 9 c 5 1 r d 2 中f l a s he p r o m 结构图。f l a s h ( 快 闪) e p r o m 存储器l e e p r o m 存储器的改进之处是不仅可读，而且可以用软件快 速擦除和写入。从原理上看，f l a s h m e m o r y 属于r o m 型存储器，但是它又可以 随时该写存在的数据：从功能上看，它又相当于r a m ，所以过去r o m 芹n r a m 的定 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 1 r d 2 f 。f f f ；磊磊一 f c o o ! 一一： 1 k b 图3 一lp 8 9 c 5 1 r d 2f l a s h 存储器结构 义和划分已逐渐失去意义。正是由于f l a s hm e m o r y 的这些特性，从而引入了 在系统编程( i s p ) 和在应用中编程( i a p ) 等新技术。 在系统编程i s p ( i n s y s t e mp r o g r a m m i n g ) 是指电路板上的空白器件可 以编程写入最终用户程序代码，而不需要将微控制器从系统中移出。已经编 程的器件也可以用i s p 方式擦除或再编程。在系统编程特征包含了一系列内部 的硬件资源，与内部固件相结合可实现通过串口x 刘- p 8 9 c 5 1 r d 2 x x 的远程编程。 固件由p h i l i p s 提供并嵌入到每一个芯片当中。 p h i l i p s 的在系统编程特性使嵌入式应用中的在电路编程成为可能，并 最大限度减少了额外的元件开销和电路板的面积。i s p 功能使用芯片的5 个 管脚t x d 、r x d 、v s s 、v c c 和v p p ，只需要一个小的连接器就可实现通过外部 电路使用该特性的应用接口。v p p 电压必须充分去耦，而且不能超过规定的 最大值。图3 2 为i s p 接口电路。 4 k 一3 k 一2 k一ko k鼽嗽一舢觚一牝揪一轧一舢嫩 一 舢 舢 舢 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 图3 - 2i s p 接口电路 i t x 单片机在“i s p 模式”下上电时，可以进行i s p 操作。在i s p 模式下， 单片机通过串行端口与外部主机( 如p c 机或终端) 通信。单片机从主机接收 命令和数据，用于擦除和再编程代码存储区。当i s p 操作结束时，应重新配嚣单 片机，这样才能正常进行下一次操作。p h i l i p s 公司带此功能的单片机都有 i k b 工厂掩模r o m 相当于b o o tr o m ( 引导r o m ) 。b o o tr o m 包含一系列程序， 可以使单片机快速完成编程和擦除存储器功能，b o o tr o m 也提供串行端口通 信功能。b o o tr o m 是在系统编程( i s p ) 和在运行中编程( i a p ) 的关键，但 对于b o o tr o m 中的内容，p h i l i p s 公司是不公开的。对于这段程序也引起许 多技术人员的兴趣，就i s p 状态而言，上位机直接跟b o o tr o m 固件打交道， 因此必须根据p h i l i p s 公司提供的流程和协议来编制上位机程序，至于b o o t r o m 内部是如何实现i s p 功能，通过对b o o tr o m 固件代码读出分析可知：这 段程序是放在6 4 k 程序存储器的最高端的，与片内f l a s h 地址o f c o o h - o f f f f h 相覆盖。两者之间的切换是通过特殊功能寄存器a u x r i 的e n b o o t 位来进行的： e n b o o t = l 地址在o f c 0 0 h o f f f f h 范围，寻址到固件； e n b o o t = o 地址在o f c o o h o f f f f h 范围，寻址到f l a s h ； 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 系统程序开发过程中为了充分利用在系统编程特性，所有的程序都是通 过串口直接写入f l a s h 存储器。因而，单片机的开发就完全摆脱了编程器， 这样不仅提高了开发效率，而且单片机避免了反复插拔。实际上，在这样的 系统中，通过这一特性先将编程电路搭好，然后在此基础上，一边增加硬件， 一边调试相应程序，等整个电路版完成后，所有的应用子程序都相应的得到 调试。 特殊寄存器b o o tv e c t o r ( 引导向量) 和s t a t u sb y t e ( 状态字节) 决定 i s p 的工作过程。系统复位时，m c u 检测s t a t u sb y t e 的内容，如果s t a t u sb y t e 为0 时，将b o o tv e c t o r 的值作为执行程序的高位字节，低位字节为0 0 h 。 工厂的缺省设置是b o o tv e c t o r 等于o f c h ，也就是说，工厂掩膜r o m 的i s p b o o tr o m 的地址为f c o o h 。用户可以修改b o o tr o m 的b o o tv e c t o r 内容， 具体i s p 流程图见图3 3 ： 由图3 3i s p 流程图可以看出，系统在上电后应当进行何种操作是由 s t a t u sb y t e 和引脚p s e n 的电平决定的，当s t a t u sb y t e 的值为0 0 时，直 接进入b o o tr o m 执行设定好的程序；当s t a t u sb y t e 的值不为0 0 时，转向 p s e n 引脚电平的判断：当p s e n 为高电平时，仍然执行b o o tr o m 中的程序； 当p s e n 为低电平时，就跳向0 0 0 0 处执行系统程序。这就提供了一个思路： 在应用中将s t a t u sb y t e 中的值设定为0 0 并写入芯片，这样状态字的值保持 厂一匝垂亟) 一厂i 习 o _ _ e n r o o t 一，血皿 图3 - 3i s p 流程图 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 不变，我们通过改变p s e n 脚的电平高低选择不同的操作方式。在系统的具体 应用中，我们在电路板的p s e n 引脚处增加一个跳线，跳线两端分别对应高低 电平，在a l e 引脚处也设置一个跳线，分别对应高电平和7 4 l s 7 4 时钟输入， 如图3 4 所示，这样就可自由控制系统程序下载和运行。 图3 4f 载与运行切换 在运行中编程i a p ( i n a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n g ) 是指在用户的应用 程序中对f l a s h 块、f l a s h 寄存器、加密位等进行擦除和编程等操作。事实上， b o o tr o m 固件中已经固化有上述的擦除和编程等子程序，只要被应用程序调 用即可。为了调用方便，给各种功能子程序一个共同的函数调用入口，名为 p g m m t p ，地址为o f f f o h ：i a p 功能是从o f f f o h 的p g m开始的_ m t p至u o f f f d hr e t 结束，最终构成了一个完整的子程序。因此在用户的应用程序中应该用c a l l 指令来调用。而必要的输入参数则通过寄存器带入，至于返回参数如果有需 要的则放在a c c 中。擦除和编程所用的振荡器频率，经向下舍弃成为整数数值 后，应作为输入参数规定放于寄存器r o ，为区分各功能子程序而用的功能代 码则放于寄存器r l ，具体的应用后文将做详细介绍。最终用户程序中调用i a p 操作的入口程序之前必须先设置e n b o o t 。 i a p 对于仪器仪表的智能化意义重大，高档的智能化仪器都具有自诊断、 自修复、自组织、自适应和自学习等功能，而这些功能实现的物质基础就是 仪器的程序可以根据实际情况进行改变和调整。 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 在一个实际的应用系统中往往有一些关键性的数据需要保存。例如用户 参数设置数值的大小或重要的过程数据等。目前的通行做法有两种：一种是 在电路中扩展非易失性s r a m ，多用在对时间要求比较苛刻的场合；另一种做 法是扩展e e p r o m 并行或串行或类似存储器，多用在对时间要求不太苛刻的场 合。这两种方法都可以达到掉电后数据不丢失的目的。p 8 9 c 5 1 r d 2 具有6 4 k 字 节的片内闪存，这对于一般的应用来说足够大，往往会有剩余的闪存空间， 在通常的状况下，m c u 的编程只能通过商用编程器来进行，那么剩余的闪存 空间只能作为程序升级的备用空间而不能作为数据空间，另方面如果需要 保存数据还要另外扩展存储器这样不但增加了电路板的面积而且增加了调试 难度。在运行中编程( i a p ) 的最大意义在于能够把采集到的大量数据固化到 f l a s hr o m 中保存以供以后处理。这种数据的保存跟程序的保存一样安全，除 非擦除操作，数据内容不会改变和消失。因而，在某种程度上可以用它来取 代部分r a m 的功能。 由于有i s p 和i a p 的特性，这就给芯片的广泛使用提供了广阔的空间，具 体的特性使用在文章的后面章节将进行详细说明。 3 2 日历时钟电路 为了使系统能够记录发生的意外事件时间和打印当前时间下的累积流量 和各种补偿参数值，我们设计了时钟芯片电路。时钟芯片采用p h i l i p s 公司的 p c f 8 5 8 3 ，p c f 8 5 8 3 是内含i2 c 总线接口功能的具有极低功耗的多功能日历时 钟芯片，该芯片和单片机之间采用串行方式传输数据，另外该芯片提供2 5 6 字节的r a m 单元。 系统中将微处理