（电工理论与新技术专业论文）成品油配送智能测控系统的研究.pdf

成品油配送智能测控系统的研究 r e s e a r c ho ni n t e l l i g e n tm e a s u r ea n dc o n t r o ls y s t e mi nt h e d i e s e lo i ld e l i v e r yp r o c e s s a b s t r a c t i no r d e rt oi m p r o v et h em a n a g e m e n tl e v e lo fd i e s e lo i ld e l i v e r yp r o c e s s ，an e wd e l i v e r y s o l u t i o nw h i c hc o n t a i n sa u t o m a t i z a t i o nt e c h n o l o g yw a sp u tf o r w a r d t os u p l ：i o f tt h ei l e w s o l u t i o nm e t h o d ，a ni n t e l l i g e n tm e a s u r ea n dc o n t r o ls y s t e mw a sd e v e l o p e d ，w h i c hi n c l u d e d ： 1 n 坨a n a l y s i so fp u l s es i g n a la c q u i s i t i o nc i r c u i to ff l o w m e t e r s w h i c h w a sb a s e do n l m 3 5 8a m p ，c o m p a t i b l eo fe l e c t r o n i c sf l o w m e t e r sa n dm e c h a n i c a lo n e s 2 d i s c u s so fd a t a a n a l y s i sa n dp m c e s st e r m i n a lb a s e do na t m e g a 8m c uw h i c hh a st h ef u n c t i o no fs i g n a l a c q u i s i t i o na n dr s 一2 3 2c o m m u n i c a t i o nw i t hg p r st e r m i n a l 3 a c c o r d i n gt ot h en e e do ft h e p r o j e e t ，t h en e e e s s i p f lo fr f l ds y s t e mw a sd i s c u s s e d ，w h i c hh e l p st om a k et h ew h o l es y s t e m m o r er e l i a b l e 4 me m co f t h ei n t e l l i g e n tm e a s u r ea n dc o n t r o ls y s t e mw a sd e e p l y o f w h i c h t h et r a n s i e n tv o l t a g ec h a n g ew a sd i s c u s s e d a n da ne f f e c t i v es o l u t i o nw a sc a r r i e do u ta n dt h e f i m e t i o na n dn e c e s s i t yo fe l e c t r o m a g n e t i s ms h i e l d i n gw e r es e tf o r t ha l s o w i t ht h ed e v e l o p e ds y s t e m ，al o to fs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sa n dr e a le x p e r i m e n t sw e r e c a r r i e do u t n l ea p p l i c a t i o no f t h i ss y s t e mf r o mt h ea c c o m p l i s h m e n to f t h ep r o j e c th a sp r o v e d t h a tt h es y s t e md e v e l o p e dw a sr e l i a b l ee n o n g ht h en e wd e l w e r ys o l u t i o nh a sh e l p 协i m p r o v e t h em a n a g e m e n tl e v e l ，d e c r e a s e dt h ec o s t ，a n ds t o p p e dl o s i n go i lf o rt h eo i ld e l i v e r yc o m p a n y i ta l s oh e l pd o m e s t i co i lm d 猫t r yt oc o m p e t ew i t ht h ei n t e r n a t i o n a lc o m p a n yb e t t e r ，t h e r e f o r e ， t h i sn e ws o l u t i o ni so f p r o m i s i n ga p p l i c a t i o np r o s p e c t k e yw o r d s ：d i e s e ld e l i v e r y ；i n t e l l i g e n tm e a s u r ea n dc o n t r o l ；e m c ；r f i d 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同_ t - 作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 阑一06 一 g 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名堡兰丕作者签名：c 氢”厶j 导师签名：壹l 缝鱼 趁z 年月业日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 成品油配送行业现状 能源问题是关系到人类生存发展的重要问题，石油是不可再生资源，随着世界经济 的不断发展，石油等不可再生资源的日益枯竭成了限制人类发展的一大瓶颈。在石油的 勘探，开采，开发等环节控制成本之外，采用物流管理和供应链管理等技术手段控制成 品油配送环节的成本也十分重要。现代石油行业的竞争，更多的是表现在物流管理水平 的竞争。配送环节是物流系统中最为重要的一个环节，如何利用现在科技水平最大限度 地提高成品油配送过程的管理水平成为一个亟待解决的世界性课题。 欧美、日本等发达国家和地区的成品油配送过程信息化程度较高，应用g p s ，r f i d 以及通信网络技术等现代技术监控成品油配送流程己被广泛应用。国内在这方面比较落 后，大量的工作由人为完成，如信息的自动录入，相应的结算业务等。我国的石油行业 具有其特殊性，多为国家控股的特大型企业。对于这种年产值多在几百亿以上的大型企 业来说，成本控制可能带来的利润空间会非常之大。通过基于供应链的物流管理手段， 可以最大限度地降低最终商品的成本，节约物流费用就是增加利润，即可挖掘的第三利 润。国外专家认为第三利润潜力巨大【l 卅 1 2 智能运输技术发展现状 近年来，随着中国经济的不断地高速发展，车辆已经成为了人们生活和生产过程中 不可缺少的重要的交通工具。对于车辆的相应的参数的测控也逐渐被提出。近几年来出 现了将最新的通信网络技术、卫星定位技术和地理信息技术相结合的智能运输系统 ( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r ts y s t e m s ，i t s ) 。i t s 可对机动车辆实施定位、报警、测控、 调度、救援或防盗等多种功能，可大幅度地提高管理水平，降低营运成本。在国际上发 达国家和地区，如美国，欧洲和日本，i t s 应用发展较快的几个领域分别是车辆安全系 统，电子收费，公路及车辆管理系统，实时自动定位系统，商业车辆管理系统等。i t s 系 统一般包括车载移动终端、无线通信网络和测控中心3 个部分。车载移动终端的功能是 为指挥测控中心提供实时移动目标的最新定位数据、运行状况和报警信息等；无线通信 网络的功能是把车载移动终端整理好的数据包传输给测控中心；而测控中心则是分析这 些数据包，并对车辆的运行和运作方式远程测控。 1 2 1 通信网络技术 目前用于测控系统的通信方式也是多种多样，主要有有线通信方式和无线通信方 成品油配送智能测控系统的研究 式，对于地理位置比较分散的地方，采用有线或人工方式进行测控将花费大量的人力、 物力，因此，无线通信技术越来越受到人们的关注。基于g p r s 的无线测控系统是目前 最先进最稳定的无线测控管理系统。g p r s 是第2 5 代移动通信系统，是g s m 向3 g 过渡 的桥梁。基于g p r s 的无线测控系统利用现有的g p r s 网络资源，发挥网络覆盖率高、传 输特性好等优势，为现有数据采集系统提供一种便捷的无线数据传输方式，给远程测控 提供了一个较好的解决方案【7 4 0 】。随着第三代通信技术标准的出台和用户对移动多媒体 业务需求的急剧增长，g s m 网络将不可避免地向w c d m a 演变。 1 2 2r f l d 技术发展现状 r f i d ( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ) 产生于二十世纪七十年代，在美国被广泛用于 高速公路电子收费站中。总部设在美国麻省理工学院的一个研究机构一一a u 协d c e n t e r 的研究人员正在寻找把r f i d 国际标准商业化的方式。 作为当今自动识别领域最炙手可热的技术，根据r f i d 系统应用的领域的不同，可 以粗略地把r f i d 系统分成四种类型：e a s 系统、便携式数据采集系统、物流控制系统、 定位系统。回归到r f i d 技术的本质，其实都是对附着有电子标签的物品或人进行身份 验证。可以说，身份验证是r f i d 应用的最基本的应用方式。 根据通信频率的不同，r f i d 识别系统主要分为四种：1 2 5 z 低频系统、1 3 5 6 m h z 高频系统，9 1 5 m h z 超高频系统，2 4 5 g h z 微波系统。随着通信频率的不断加大，通信 的距离不断增加，维持通信所需要的功率也不断增加。对于不同的应用背景来说，以上 四种系统各具优势。目前应用较为广泛和成熟的是1 3 5 6 m h z 的高频系统，这个系统被 广泛引用在考勤系统，公交电子收费系统，门禁系统以及其他商业领域的身份认证系统 中。r f i d 在如下几个方面存在不足： 1 r f i d 系统的电子标签成本过高。这一问题的存在直接影响r f i d 技术的大范围 推广，尤其是在物流领域的物品身份识别。目前美国一个电子标签最低的价格是2 0 美 分左右，这样的价格是无法应用于某些价值较低的单件商品，只有电子标签的单价下降 到l o 美分以下，才可能大规模应用于整箱整包的商品。随着技术的不断提升和在各大 行业的日益推广，r f i d 的各个组成部分，包括电子标签、阅读器和天线等，制造成本 都有望大幅度降低。 2 r f i d 系统的国际标准不统一。目前常用的i 疆i d 国际标准主要有用于对动物识 别的i s 0 11 7 8 4 和i s 0 11 7 8 5 ，用于非接触智能卡的i s 0 1 0 5 3 6 ( c l o s ee o u p l e dc a r d s ) 、i s o 1 5 6 9 3 ( v i c i n i t yc a r d s ) 、i s 0 1 4 4 4 3 ( p r o x i m i t yc a r d s ) ，用于集装箱识别的i s o1 0 3 7 4 等。 目前国际上制定r i f d 标准的组织比较著名的有三个：i s o ，以美国为首的e p cg l o b a l 2 一 大连理工大学硕士学位论文 以及日本的u b i q u i t o u si dc e n t e r ，而这三个组织对r f i d 技术应用规范都有各自的目标 与发展规划。欧洲和美国所使用的频率不同，现有的相同频率下的r f i d 标签的种类繁 多，各大硬件商在没有国际标准的前提下均推出自己的通信标准，此种行为带来的后果 是大量r f i d 系统不兼容，无法最大限度地发挥r f i d 系统的功效，硬件厂商也被束缚 住了手脚，不敢冒险扩大研发和生产规模。中国作为世界经济舞台中的一个很大的市场， 也在不断谋求属于自己的通信标准，中国信息产业部也在致力于此方面的工作。 3 r f i d 技术在应用层面还很不成熟，虽然r f i d 技术在近几年炙手可热，但是更 多地在讨论r f i d 技术的优越性和旷阔的应用前景，真正把r f i d 技术付诸于工程应用 的案例并不是十分广泛。目前国内成熟应用r f i d 技术的很少：如门禁系统、公交电子 支付系统、校园一卡通系统等。在工业领域应用r f i d 技术的成功案例还很少，虽然r f i d 技术在物流颁域、定位系统领域等的优势也十分明显，但国内在此方面的应用还很少， 但是由于r f i d 的技术特点，相信在未来一段时间内，成功应用于各个领域的案例会不 断出现。 1 3 论文的选题及研究内容 本课题属于智能检测领域。是一个结合实际工程项目，旨在提高油品配送行业的在 能源行业供应链中的管理水平的具有实际意义的课题。依托供应链及物流思想，凭借单 片机技术、r f i d 技术、g p r s 技术等为处于能源供应链物理底层的油品配送公司建造一 个采集数据，管理配送的平台，研究解决油品配送过程中存在的相关问题，如提高工作 效率、减少库存、遏制偷油现象等。本文主要包括如下几个方面的内容： 1 分析传统的国内成品油配送方案的缺点，讨论如何提高成品油配送过程管理水 平和工作效率； 2 对流量计信号采集电路的机理作输入分析，设计一款经济实用的转换电路，将 非标准脉冲信号向标准脉冲信号的转变机理和必要性作深入探讨； 3 应用g p r s ，m c u ，r f i d 等现代技术实现数据的自动读取、控制命令的无线收发 以及安全认证； 4 全面分析车载环境的电磁兼容相关问题，使车载系统安全稳定运行。 成品油配送智能测控系统的研究 2 智能测控系统设计方案 本章分析了现有的成品油配送流程，针对流程中存在问题提出了相应的改进意见， 讨论了如何通过改进工作流程解决国内成品油配送公司面临的效率低下、成品油人为丢 失等问题，最终形成了一套全新的克服以上问题的新的成品油配送流程。同时介绍了一 款应用单片机( m c u ) 和g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 技术和r f i d ( r a d i of r e q u e n c y i d e n t i f i c a t i o n ) 技术的无线车载智能测控系统。旨在提高成品油配送公司的配送过程的 管理水平，遏制人为因素造成的成品油丢失现象。 2 ，1 成品油配送流程分析 据可查资料显示，国内现有的成品油配送公司的管理水平相对低下，成品油配送流 程中人为操作的环节很多，所有的数据读取和工作记录均靠人力完成，而且司机和配送 员的权力过大，许多需要严格监控的操作均处于放任状态。现有的工作流程如图2 1 所 示： 油罐车到达a 魁 加油点 既送员指挥加油 歼始 入为凌墩绷油示 效后，如油完成。 油谶翠驶囱加油 点b 图2 1 传统成品油配送流程图 f i g , 2 1t r a d i t i o n a l d e l i v e r y p r o c e s s 此工作流程的管理方法比较落后，过多不良的人为因素的干扰是现有的成品油配送 流程的主要问题，同时工作效率低下，成品油丢失现象严重。为提高成品油配送流程的 管理水平，杜绝人为因素造成的不良损失，必须达到以下几点要求： 1 加油的开始动作和结束动作必须集中控制，即通过控制中心统一管理； 2 加油量的读取必须自动读取，即通过信息技术实现数据的自动录入； 3 尽最大限度提高工作效率，即缩短加油时间。 基于以上三点考虑，笔者经过长期的市场调研和与成品油配送公司的沟通之后，决 定依靠单片机控制终端传感器来实现数据自动录入，而通过g p r s 无线传输技术实现对 整个配送过程的实时测控。现有的成品油配送车辆均安装有传感器( 流量计) ，直接利 用车载流量计可以最大限度地利用现有的硬件资源，降低研发的成本和后期项目投入的 成品。成品油配送过程流程如图2 2 所示。 人连理工大学硕士学位论文 油罐车到达 a 处加油点。 a 处栩油往 务宪成，驶 向b 处 龇逆员清求加油 g p r s 发送请求 控制中心接受翻加油漪求 选择自动模式或手动模式， o p r 8 发送加油命令 加油任务壳娥，关闭电磁 溺，数攒经简荦娅理通过 o p r s 笈送到控铷中心 智能簸控终端接收劐命 令，瓤戳阏开启，歼嫡执 行加油毵务 图2 2 改进配送工作流程图 f i g 2 2a d v a n c , , c dd e l i v e r yp r o l 麟 注：一辆配送车辆上包含司机，配送员各一名，智能测控终端一套和油品若干。 此工作流程解决了传统流程的相应问题，g p i 峪的无线通信使得控制中心对整个加 油的流程得以有效控制，单片机数据采集技术的应用实现了数据的自动读取，提高了工 作效率，同时又避免了人为因素的干扰。 2 2 智能测控系统组成 智能测控系统是以改进的工作流程为应用背景，由智能测控终端和控制中心系统组 成，如图2 3 所示。智能测控终端由如下四个模块组成，油量信号采集模块，数据分析 处理模块，认证模块和无线接口模块组成。控制中心系统由合作单位完成，在这里不作 详述。 智能测控终端的作用是采集流量计的数据，将数据发送到中央处理器，并作相应的 处理后传给控制中心；接收控制中心的命令，并将指令转换成执行机构可以识别的命令， 控制电磁阀的开关。实现整个加油过程的信息化管理。信息自动录入采用的m c u 技术 读取流量计发信器信号的方式来实现。大部分的控制信息都由控制中心发出( g p r s 网 络出现故障时，在控制中心的允许下，配送员发布控制信息) 司机和配送员可参与的 操作相对较少，减少了人为因素造成的错误和成品油损失。 r f i d 认证模块用于在g p r s 无线通信系统无法正常工作的情况下。一旦发生此类 情况，配送员在征得控制中心的允许的情况下，可以将2 3 2 接口转接至r f i d 认证模块， 此模块可以识别特定的卡片，包括系统管理员卡片，配送员卡片和用户卡片。所有的卡 成品油配送智能测控系统的研究 片由控制中心统一发放，权限依次降低。管理员卡片在控制中心的管理机器上可以操作 其他卡片，此类工作流程详见参考文献1l 。 图2 3 智能铡控系统内部结构图 f i 9 2 3i n n e rs t r u c t u r eo f s m a r ts u p e r v i s o r ya n dc o n t r o ls y s t e m 图中虚线框内为智能测控终端内部结构示意图，智能测控终端由如下四部分组成： 油量信号采集模块、数据分析处理模块、无线接口模块、认证模块。微机连接2 3 2 接口 是用来测试终端之用，由于本项目的无线发送和接收终端g t 0 9 以及其上位机软件是由 合作伙伴完成。故此2 3 2 接口在项目成功对接前是用以调试程序之用，在成功对接后不 再使用。 在得到正确卡片的认可后，系统会允许紧急状态下开启电磁阀，从而保障加油任务 的顺利完成。在g p r s 系统恢复正常后，配送员应该将2 3 2 接口归还g p r s 系统。g p r s 系统具有优先权。 下文中，笔者将针对智能测控系统的研究过程作展开讨论，包括油量信号采集模块， 数据分析处理模块，r f i d 认证模块以及e m c 设计方匿等作详细阐述。 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 3 智能测控终端的研制 本章介绍了一款无线车载智能测控终端的研制方案，分析了智能测终端的各个组成 部分，包括油量信号采集模块的设计、数据分析处理模块的研制、r f i d 认证模块等。 针对油量信号采集模块的脉冲信号转换电路进行了深入的讨论。智能测控模块的执行终 端将在6 1 中阐述。 3 1 油量信号采集模块的研制 本节介绍了一款基于机械式流量计的油量信号采集模块。并结合项目要求，对非标 准的脉冲信号作了相应的调理。油量信号采集模块的作用是将从传感器采集上来的数据 经过一定的处理后发送到单片机。此动作的发生是以控制中心发出了读取命令为前提 的。现有的成品油配送流程的数据采集完全是依靠肉眼完成的，具有很多的缺点，如容 易产生视觉误差或人为错误等。最严重的后果是大量的成品油的人为丢失，给公司造成 了极大的经济损失。本方案是通过电子设备，将传感器( 流量计) 采集到的数据经过一 定的处理发送给单片机读取，再经过一定的算法显示在显示器上。这样不仅大大提高了 工作效率和工作精度，而且还杜绝了人为因素造成的丢油问题。提高了成品油配送过程 的管理水平。 3 1 1l c 系列椭圆齿轮流量计原理概述 椭圆齿轮流量计是对于管道中液体流量进行连续测量的高精度计量仪表。它具有量 程范围大、压力损失小、粘度适应性强、能测量高温、高粘度液体、标定方便、安装简 易等诸多优点，是容积式流量计的典型代表产品。 l c 系列型椭圆齿轮流量计，装有现场指针显示、字轮累计计数装置，可以直接显 示流经管道内的液体累计流量。对于不同的液体( 酸、碱、盐、有机溶液等) 流量计可 以选择不同的材质( 铸铁、铸钢、不锈钢等) 制成。适用于石油、化工、化纤、交通、 商业、食品、医药卫生等工业部门的流量计量。 椭圆齿轮流量计由流量变送器和技术机构组成。变送器的主要部分是由装有一对椭 圆齿轮转子的计量室和密封连轴器组成。计数机构则包含减速机构、精度调节机构、计 数器和电脉冲发信器等。由于笔者主要开发与发信器相关的智能测控终端，故本文只对 发信器作详细阐述。其实物如图3 1 所示： 成品油配送智能测控系统的研究 图3 1 机械式椭圆齿轮流量计实物图 f 培3 1m e c h a n i c a le l l i p s eg 掰f l o w m e t e r 3 1 2q f _ i 发信器 q f i 型发信器是一种转轴角位移传感器，它与l c 系列椭圆齿轮流量计配套使用， 可将被测介质的流量转换为电脉冲信号，供远传使用1 6 1 。其接1 ：3 电路如图3 2 所示： 几例 图3 2 椭圆齿轮流量计发信器接口电路图 f 皓3 2m e c h a n i c a le l l i p s eg e a rf l o w m e t e rs i g n a lt r a n s m i t t i n gi n t e r f a c ec i r c u i t 现有的成品油配送公司的车辆多为电子式流量计，而机械式流量计以其价格低廉的 绝对优势，已经成为未来的发展趋势。电子式流量计的发信器为三端输出，故为兼容现 有的电子式流量计，所设计的智能测控系统接口必须为三线制。故发信器的接口电路输 大连理工大学硕士学位论文 出的二线制必须经过转换电路输出标准的三线制信号。而且信号的波形也需经过一定的 调整。 3 1 3 信号调理电路 液体经过流量变送器、计数器和发信器后，输出两线制脉冲信号。信号调理电路的 作用是将二线制非标准脉冲信号转换为三线制标准脉冲信号。如图3 3 所示： 图3 3 信号转换波形对比图 f i g 3 3a n a l y s i so f s i g n a lc o n v e r s i o n 调理电路采用集成运算发达器电压比较器对输入波形进行整形，可以将不规则的输 入波形整形调整为标准的脉冲信号。具体的调理电路，如图3 4 所示： 图3 4 转换电路示意图 f i g 3 4s i g n a tc o n v e r s i o nc i r c u i t 如图所示，集成运算放大器l m 3 5 8 和一些电阻组成了一个运放比较电路。假设正 极输入电压为v i n ，负极输入电压为v r e f o 输出电压为v o u t 。+ 1 2 v 的电压在两个阻值 为1 k 电阻的分压下，在集成运算放大器负极端的标准电压为6 v ，即v r e f - - 6 v 。而v i n 的电压为8 5 v 或者4 5 v 。 成- 钻油配送智能测控系统的研究 当v i n = 8 5 v v r e f - - 6 v 时，v o u t = 1 2 v ； 当v i n = 4 5 v v r e f - - - 6 v 时，v o u t = o v 。 故，两线制的o v ，8 5 v 4 5 v 信号经过信号调理电路后输出为三线制的o v ，1 2 v ， 1 2 v o v 。如下图3 5 所示。 图3 5 转换电路输入输出对比图 f i g 3 5c o m p a r eo f i n p u ta n do u t p u ta r o rs i g n a lc o n v e r s i o n 3 1 4 单片机采集电路 经过信号调理电路出来的标准三线制脉冲信号进入单片机采集电路。连接到单片机 之前需要经过光电耦合电路。光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电一光一电转 换器件。它由发光源和受光器两部分组成。把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内， 彼此间用透明绝缘体隔离。发光源的引脚为输入端，受光器的引脚为输出端，常见的发 光源为发光二极管，受光器为光敏二极管、光敏三极管等等。 图3 6 流量计信号采集电路图 f i g 3 6f l o w r a c t e rs i g m ac o l l e c t i o nc i r c u i t 盔垄里王叁堂堡堂笪笙塞 光电耦合电路输入端有三个接线端子，分别将v c c ，信号端和g n d 接在下图的3 ， 2 ，i 端子上即可。标准脉冲信号随即传给单片机的i n t 0 接口。 本电路采用h c p l 4 5 0 4 光电耦合器，具体的实用电路如图3 6 所示。 图3 7 流量计中断服务子程序流程图 f i g 3 7f l o w m e t e ri n t e r r u p ts u b p r o g r a mf l o wc h m t 成品油配送智能测控系统的研究 3 1 5 流量计中断服务子程序 进入单片机i n t 0 的标准脉冲信号可以被单片机采集到，单片机内嵌入的程序可以 对这个信号进行相应的处理。其中直接与i n t 0 信号对接的是i n t 0 中断服务子程序。 中断服务子程序是在程序的执行过程中，只要中断被打开，触发信号一旦被单片机采集 到，就立即进入中断服务子程序。在屏蔽到其它中断，设置完看门狗后。进入判断环节， 当电磁阀开关标志f l a g 为l 时，单班量就会自动加l 。如果f l a g 为0 ，则进入f l a 9 2 状态 判断，f l a 9 2 是紧急开阀状态显示，1 为紧急状态下开，0 为关闭。如果f l a 9 2 = l ，紧急状 态单班量自动加l ，否则计为扰动次数。随后进入w h i l e 循环语句，当i n t 0 连接流量计 还在转动时，循环继续，否则推出循环。执行一个延时程序后完成中断服务子程序。中 断服务子程序框图如图3 7 所示。 与i n t 0 中断服务子程序合同工作的还有其他子程序与单片机主函数，这些内容将 在3 2 数据分析处理模块的研制中做具体的阐述，在这里不作详述。 3 ，2 数据分析处理模块的研制 本节基于单片机技术，介绍了一个处理数据模块系统。从单片机的性能出发，结合 项目的需要，开发了一套软件硬件结合的中央处理系统。本模块是整个智能测控系统的 核心部件，主要有两个功能：对流量计采集上来的数据进行分析和处理以及对与控制中 心相互联系的指令进行分析和处理。 3 2 1 单片枫主控单元硬件 数据分析处理模块的作用之一是把传感器接收的数据进行处理，得到的结果经由无 线传输系统发送至控制中心，如有需要，还应该将数据备份在存储器中。另一个作用就 是把无线终端接收到的指令经过简单的处理传送给执行机构，用以控制电磁阀的开关和 读取数据之用。 由于此项目方案的实施对单片机的要求很高，如要有足够多的i o 口、运算速度、 r a m 、r o m 和e e p r o m 的容量要够大等。尤其对于车载系统来说，周围的电磁环境 十分复杂。这就要求硬件系统和软件系统的抗干扰性能要很出色，抗干扰性比较强等。 在综合比较之下，本方案选用了a t m e l 公司的a t m e g a 8 单片机【1 7 1 。 a t m e g a 8 是基于增强的a v rr i s c 结构的低功耗8 位c m o s 微控制器。由于其先 进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，a t m e g a g 的数据吞吐率高达1m 1 p s m h z ， 从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。 a v r 内核具有丰富的指令集和3 2 个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与算逻 单元( a l u ) 相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。 大连理工大学硕士学位论文 这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的c i s c 微控制器最高至1 0 倍的数据 吞吐率。 a t m e g a 8 有如下特点：8 k 字节的系统内可编程f l a s h ( 具有同时读写的能力，即 r w w ) ，5 1 2 字节e e p r o m ，1 k 字节s r a m ，3 2 个通用i o 口线，3 2 个通用工作寄 存器，三个具有比较模式的灵活的定时器，计数器口，c ) ，片内外中断，可编程串行 u s a r t ，面向字节的两线串行接口，l o 位6 路( 8 路为t q f p 与m l f 封装) a d c ， 具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个s p i 串行端口，以及五种可以通过软件进 行选择的省电模式。工作于空闲模式时c p u 停止工作，而s r a m 、t c 、s p i 端口以 及中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位 之外都停止工作：在省电模式下，异步定时器继续运行，允许用户保持一个时间基准， 而其余功能模块处于休眠状态；s t a n d b y 模式下只有晶体或谐振振荡器运行，其余功能 模块处于休眠状态，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力 圈3 8a t m e g a 8 单片机外围电路图 f i g 3 8a t m e g a ga p p l i c a t i o nc i r c u i t 本芯片是以a a n e l 高密度非易失性存储器技术生产的。片内i s pf l a s h 允许程序存 储器通过i s p 串行接口，或者通用编程器进行编程，也可以通过运行于a v r 内核之中 的引导程序进行编程引导程序可以使用任意接口将应用程序下载到应用f l a s h 存储 ( a p p l i c a t i o nf l a s hm e m o r y ) 。在更新应用f l 础存储区时引导f l a s hl 夏( b o o tf l a s hm e m o r y ) 成品油配送智能测控系统的研究 的程序继续运行，实现了r w w 操作。通过将8 位r i s cc p u 与系统内可编程的f l a s h 集成在一个芯片内，a t m e g a 8 成为一个功能强大的单片机，为许多嵌入式控制应用提 供了灵活两低成本的解决方案。 根据单片机芯片手册上的说明。接好外部晶振电路。同时a t m e g a 8 支持在线编程 功能，这样的特性非常有利于开发项目初期，需要对程序进行大量修改的情形。如图3 8 所示，将在线编程器件i s p 按图示连接好后。一个完整的数据分析处理系统就搭建起来 了。 3 ，2 ，2 单片枧主控单元软件 对于一个完善的测控系统，软件和硬件是密不可分的。好的软件设计不仅可以使硬 件发挥出其优异的特性，而且还可以使得工业操作过程更加简洁化和智能化，节省硬件 的能耗，延长硬件的使用寿命，使其发挥最大的作用。本智能测控系统需要把采集上来 的数据做有效、准确地分析，然后通过特定的算法后，将结果通过无线系统发送到控制 中心。同时要准确解析控制中心发出来的指令，将其转化为硬件执行机构可以识别豹控 制信息，完成远程控制。由于本系统属予车载系统，通过完善软件的性能增加整个系统 的抗干扰能力也是很重要的。 由于硬件系统采用的是a r m e l 公司的单片机，所以软件编程选择了一个专门针对 a v r 单片机编程的软件环境一i m a g ec r a f td e v e l o p m e n tt o o l s ，i c ca v r 。此环境直接 用c 语言编写程序，这样可以大大缩短了开发的周期，同时可读性非常强，比较适合研 发任务紧，修改次数多的情况。汇编语言不适合采用乘除运算，因为如果进行乘除运算， 就必须要用到浮点，而编写汇编程序需要花很多的时间和精力，而对于c 语言来说同样 的功能只需要一条语句就可以了。完成同样的工作，需要很少的时间就可以完成，特别 对初学者来说更是如此。c 5 1 的可移植性是比汇编好很多，从一个平台到另一个平台， 如果用c 语言的话只需要稍作修改即可，而使用汇编的话则需要很大的改动，除了要重 新掌握存储器和寄存器方面的知识外，就连语句和语法也大有不同，难度不次于学习另 外一种语言。使用汇编进行开发，代码多，工作量大，开发周期长，而且不利于后期的 修改和维护，有些代码隔一段时间就算是本人来看也需要很长的时间；而且各个子程序 闻的接口性和规范性差，不利于团队协作。而使用c 语言代码少，工作量小，便于后期 的修改和维护；也便于团队协作。 大连理工大学硕士学位论文 无中断 图3 9 单片机智能测控主程序流程图 f i g 3 9f l o wc h a r to f t h em a i np r o g 豫mo f t h es y s t e m 一1 5 成品油配送智能测控系统的研究 i m a g ec r a i i 的i c c a v r 是一种使用符合a n s i 标准的c 语言来开发微控制器 ( m c u ) 程序的一个工具。它有以下几个主要特点： i c c a v r 是一个综合了编辑器和工程管理器的集成工作环境( i d e ) 。其可在 w i n d o w s g x n t 下工作。源文件全部被组织到工程之中，文件的编辑和工程的构筑也 在这个环境中完成。编译错误显示在状态窗口中，并且当你用鼠标单击编译错误时，光 标会自动跳转到编辑窗口中引起错误的那一行。这个工程管理器还能直接产生您希望得 到的可以直接使用的i n t e lh e x 格式文件，i n t e lh e x 格式文件可被大多数的编程 器所支持，用于下载程序到芯片中去。 ( 1 ) 主程序设计 主程序需要完成的任务是完成各个寄存器和端口的初始化，同时使单片机处于休眠 等待状态中，这样可以降低功耗，随时相应中断。主函数的框图如图3 9 所示。 在主程序中，单片机初始化完成时，设备的电源指示灯会开启，所有其它的设备都 处于预备状态。此时如果控制中心给与控制命令，测控设备应立刻响应中断，同时进入 相应的中断处理子程序。如定量加油命令发出后，无线中断解码命令后，通过串口程序 的分析，将命令发给单片机，单片机主程序在中断产生后，随即进入中断处理子程序 定量加油程序。当执行完定量加油后，控制中心可以发出读单班量命令，同样的流程， 单片机会进入读单班量子程序。以此类推，最后随着所有命令的执行完毕，系统又 回到了循环等待中。 3 2 3 通信接口单元的硬件研制 单片机的数据通信的方式由并行通信和串行通信两种，并行通信是指数据的各位同 事进行传送( 发送或接收) 的通信方式。其优点是传送速度快，缺点是数据有多少位， 就需要多少根传送线。串行通信指数据时一位一位按顺序传送的通信方式。它的突出优 点是只需要一对传输线( 利用电话线就可作为传输线) ，这样就大大降低了成本，特别 适用于远距离通信。由于本系统所需要传送的数据比较少，故用串行通信即可满足要求。 ( 1 ) 串行通信原理 串行通信的传送方式通常有三种：一种为单向( 或单工) 配制，只允许数据向一个 方向传送；另一种是半双向( 或半双工) 配制，允许数据向两个方向中的任一方向传送， 但每次只能由一个站点发送；第三种传送方式是全双向( 全双工) 配制，允许同时双向 传送数据，因此，全双工配制时一对单向配制，它要求两端的通信设备都具有完整和独 立的发送和接收能力。如图3 1 0 所示。本系统采用的单片机a t m e g a 8 具有专用的串行 通信接口，可以和可移动终端进行全双工通信。 大连理下大学硕士学位论文 接 发送嚣 收 器 接 收 发送霸 器 图3 1 0 全双工串行通信方式 f i g 3 1 0f u l ld u p l e xs e r i a lc o m m u n i c a t i o nm o d e 串行通信有两种基本通信方式，即异步通信和同步通信。a t m e g a 8 单片机带有一个 全双工通用同步异步串行收发模块u s a r t ，该接口是一个高度灵活的串行通信设备。 串行通信的具体工作原理这这里不作详述，在下文中，笔者将针对串口通信电路的相关 设计、通信协议的制定和上位机软件的设计作详细阐述。 ( 2 ) r s - 2 3 2 c 相关设计 在实现计算机与计算机、计算机与外设间的串行通信时，通常采用标准通信接口。 这样就能很方便地把各种计算机、外部设备、测量仪器等有机地联结起来，进行串行通 信。r s - 2 3 2 c 是有美国电子工业协会( e i a ) 正式公布的，在异步串行通信中应用最广 泛的标准总线( c 表示修改了三次) 。为保证二进制数值能够正确传输，设备控制准确 完成，有必要使所用的信号电平保持一致。为满足此要求，r s 2 3 2 c 标准规定了数据和 控制信号的电压范围。由于r s - 2 3 2 c 是在r i l 集成电路之前研制的，所以它的电平不 是+ 5 v 和地，而是采用负逻辑，规定+ 3 v 一+ 1 5 v 之间的任意电压表示逻辑0 电平，3 v - 1 5 v 之间的任意电压表示逻辑1 电平。为将负逻辑电平转化为单片机能够识别的r r l 电平，需要一个信号转换电路，笔者采用了集成电路m a ) 【2 3 2 。 m a x 2 3 2 产品是由德州仪器公司( t i ) 推出的一款兼容r s 2 3 2 标准的芯片。该器件包 含2 驱动器、2 接收器和一个电压发生器电路提供t i a e i a - 2 3 2 - f 电平。其硬件应用电 成品油配送智能测控系统的研究 路如图3 1 1 所示。 c 2 0 1u 2 0 1v c c 图3 1 1m a x 2 3 2 典型应用电路 f i g 3 1 1m a x 2 3 2t y p i c a la p p l i c a t i o nc i r c u i t 如图所示，m a x 2 3 2 一共有1 6 个引脚，包含两路输入输出。笔者只应用了其中的一 路输入输出，连接了单片机的u s a r t 口和g t - 0 8 - 1 0 0 a ，供通信只用，关于m a x 2 3 2 18 】的 一些电气特性在这里不再详述。 3 2 4 通信协议的制定 所谓通信协议是指通信双方的一种约定。约定包括对数据格式、同步方式、传送速 度、传送步骤、检纠错方式以及控制字符定义等问题做出统一规定，通信双方必须共同 遵守。因此，也叫做通信控制规程，或称传输控制规程。 本智能测控终端与外界的接口是r s - 2 3 2 接口。在单独测试阶段，此接口用于和p c 相连，模拟g p r s 指挥加油任务。在调试结束后，将串口与g p r s 终端g t 0 8 1 0 0 a 相 连。接收控制中心的命令。在本节中，笔者将针对调试过程中的通讯协议，也就是所谓 的上位机( p c ) 与下位机( 智能测控终端的m c u ) 之间的通讯协议作详细阐述。通信 协议如表l 所示。 大连理工大学硕士学位论文 表l 通讯协议表 t a b l e1c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l 协议代码调用函数注释 o x l 0c o n t r o lc o m m a n d ( ) 接收开阀命令，接收出油数据，能自动关阀 o x 2 0c o n t r o lo p e n0控制开阀 o x 3 0c o n t r o lcl o s e ( ) 控制关阀 o x 4 0c o n t r o le m e r g e n c y0 紧急情况处理 o x 5 0c o n t r o l o b l ( )读