（计算机应用技术专业论文）河流模型中水位动态跟踪测试系统设计与实现.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 水位测试系统是为了动态跟踪高精度测量河流模型中的水位变化而设计的实时 测控系统，河流模型是为了研究河道再造河床过程、不同时期的洪水演进过程、江 湖关系变化及防洪对策而设计建造的河工模型。水位测试系统研究的主要内容是： 实时测控网，由上位机( 工控机) 和分布于河道的多套下位机( 河流模型水位测量 仪) 组成，采用了基于r s 4 8 5 和m o d b u s 协议，通信距离达1 2 k m , 波特率达1 9 2 0 0 。 节点达1 2 8 个；为确保精度，采用高精度光栅尺作为传感器，其分辨率为l u m ；为 实现良好重复性，通过对其信号进行特别处理，克服了水位探针频繁上下换向可能 导致计数不准问题，实现了水位位置高精度检测；获得机械分辨率：选用专业多细分 ( 2 ，4 ，8 ，1 6 ，3 2 ，6 4 ，1 2 8 ) 步进电机驱动器控制步进电机，使其达到微步距， 从而系统分辨率优于1 0 u m ；动态跟踪，在保证分辨率的基础上，探针可快速运动， 从而既可用于水位波峰测量，又能满足测量分辨率；定时器，采用基于1 2 c 总线的 定时器p 8 5 6 3 产生采样定时信号，使得采样间隔精度高并可编程，同时p 8 5 6 3 还用 于提供基本的步进电机步进控制和产生和探针极化信号；计数，采用具有u p d o w n 计数器的a t 8 9 s 5 2 ，直接由c p u 对光栅脉冲计数，简化了电路：存储，采用基于1 2 c 总线的e e p r ( ) m2 4 l c 2 5 6 保存仪器参数和测量结果，使得数据可以可靠的储存；可 靠性，采用了自恢复保险、抗雷击p v s 管及w u h d 0 ( 3 等技术，提高了系统可靠 性和抗干扰能力。通过室内试验证实，系统达到了河流模型要求的集中控制及动态 高精度水位测量要求。系统已成功应用于国家级重点项目长江防洪模型上实用证明 系统能实时精确地提供防洪模型中各观测点的水位。 关键字：河流模型水位仪光栅尺m o d b u s 协议 i 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t 1 1 把w a t e rl e v e lm e a s l l r i n gs y s t e mi sar e a l - t i m em e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e m u s e df o rd y n a m i c r a c i n ga n dh i g h - p r e c i s i o nm e a s u r i n go f t h ew a t e rl e v e lv a r i a t i o n si nt h e r i v e rm o d e l t h ef i v e rm o d e li sd e s i g n e da n dc o n s t l b c t e df o rs t u d y i n gt h ep r o c e s so f r e f o r m i n gr i v e r b e db yt h e r i v e rc o u r s e , t h ep r o c e s s e so ff l o o de v o h i t i o ni n d i f f e r e n t p e r i o d s t h ec h a n g e so ft h e r e l a t i o nb e “v o e nr i v e ra n dl a k ea n dt h ef l o o dc o n t r o l c o u n t e t l n e a b + u r c s t h ec o m p o s i t i o na n df e a t u r e so ft h ew a t e rl e v e lm e a s u r i n gs y s t e m ：t h e r e a l - t i m em e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n gn e t w o r kt h a tc o n s i s t so fa ni n d u s t r yc o n t r o lc o m p u t e r a st h eu p p e r - p o s i t i o nc o m p u t e ra n dm a n yw a t e rl e v e lm e a s u r i n gi n s l r u m e n t sd i s t r i b u t e d i nt h ec o u r s eo fr i v e rm o d e l 勰l o w e r - p o s i t i o nm a c h i n e s w i t hr s 4 8 5a n dm o d b u s p r o t o c o l sa d o p t e d , t h es y s t e mf e a t u r e sac o m m u n i c a t i o nr a n g eo f1 2k i n , ad a t a t r a n s m i s s i o ns p do fu pt 0 1 9 2 0 0b a u , la n da nn o d en u m b e rl l pt o1 2 8 t oi n s u r et h e a c c u r a c y , a nh i g h - p r e c i s i o ng r a t i n gr u l e ri sc h o s e na st h ep o s i t i o ns e n s o rw h o s er e s o l u t i o n r e a c h e sl 眦t ba c h i e v eah i g hr e p e a t a b i l i t y , t h es i g n a lo fg r a t i n gr u l e ri sp r o c e s s e di na s p e c i a lw a yt oo v e r c o m et h ee t r o rc a u s e db yt h ec o n s t a n tc h a n g eo ft h em o t i o nd i r e c t i o n o ft h ew a t e rl e v e lp r o b e t h e r e b y , t h eh i g h - p r e c i s i o nm e a s u r e m e n to ft h ew a t e rl e v e li s a c t u a l i z e d t oo b t a i n8 1 1i d e a lm e c h a n i c a lr e s o l u t i o n , as p e i c a lm u l t i - s u b d i v i s i o n ( 2 ，4 ，8 ， 1 6 ，3 2 ，6 4 ，1 2 8 ) s t e pm o t o rd r i v e ri ss e l e c t e dt oc o n t r o lt h em o t i o no f s t e pm o t o ra n dm a k e t h es t e pm o t o ra t t a i nat i n ys t e p , t h u st h es y s t e mr e s o l u t i o ni sl e s st h a nal o 眦s 1 1 蝣 d y n a m i c 仃a c i n g ：w i t ht h er e s o l u t i o ne n s u r e d , t h ep m b ec a ns t i l lm o v eq u i c k l y , t h u si tc a n b eu s e dt om e a s b l t h ew 栅l e v e lw a v ec r e s t t i m e r ：t h e cb u s - b a s e dp 8 5 6 3t i m e ri s a d o p t e dt og e n e r a t et h es a m p l i n gs i g n a l ，s ot h es a m p l es i g h ti sh i g ha c c u r a c y a n d p r o g r a m m a b l e ，f u r t h e r m o r e ，t h ep 8 5 6 3i sa l s ou s e dt op r o v i d et h es t e ps i g n a lf o rt h es t e p m o t o rd r i v e ra n dt h ep o l a r i z e ds i g n a lf o rt h ew a t e rl e v e lp r o b e 舳t h ea t 8 9 s 5 2 st i m e r 2 a l lu p d o w nc o u n t e r , i sa d o p t e dt oc o u n tt h ep u l s e sf t o mg r a t i n gr u l e r , t h ee l e c t r i cc i r c u i ti s t h u ss i m p l i f i e d m e m o r y ：a st h ei i cb u s - b a s e de e p r o m2 4 l c 2 5 6i sa d o p t e dt o5 a v et h e i n s t r u m e n tp a r a m e t e r sa n dt h em e a s u r e dr e s u l t s ，t h es t o m g eo fd a t ai sr e l i a b l e r e l i a b i l i t y ： t h er e l i a b i l i t ya n di n t e r f e r e n c er e s i s t a n c eo f t h es y s t e ma r ci m p r o v e dt h a n k st ot h eu s eo f 华中科技大学硕士学位论文 t h es e l f - r e c o v e r y 溉t h ea n t m i g h t e n i n gp v st u b ea n dw a t c h d o g t e c h n o l o g y , e t c i n d o o r e x p e r i m e n th a sp r o v e dt h a tt h es y s t e mh a sr e a c h e dt a r g e t so fc e n t r a l i z e dc o n t r o la n d 固，n a 赫ea n dh i g hp 劂螽舳w a t e rl e v e lm e a s u r e m 挫t 释喀蒯b yt h ef i v e rm o d e l t h e s y s t e mh a sa l r e a d yb e e na p p l i e ds u c c e s s f u l l yt ot h en a t i o n a lk e y 喇嚣一t h ey a n g t z e r i v e rf l o o dc o n t r o lm o d e l t h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o nh a sp r o v e dt h a tt h es y s t e mc a n p r o v i d e 鲑r e a l - t i m ea c c t w a t ew a t e rl e v e lo fe a c hm e a s u r i n gp o i n td i s t r i b t a e di nt h e y a n g t z er i v e rf l o o dc o n t r o lm o d e l k e yw o r d s ：r i v e rm o d e l ，w a t e rl e v e lm e a s u r i n gi n s m m l e n t , g r a t i n gr u l e r , m o d b u s p r o t o c o l i i 独创性声鞘 本人声明所照交的学位论义是我个人在导师指导下进行的研究工作及墩得的 研究成果。尽我所翔，涂文中溅经繇翡雩l 霭翡内容终，零论文幂包含镁何其绝今 天或集俸逛经发袭袋撰写过懿耢宠藏采。辩零文鹣研交徽露嚣献熬令入联集体， 均已往文中以明确方式标明本人完全意识剥本声明的法律结浆由本人承担。 学位论文作者签名；哥幻霜f 簪 弱麓；b 6 s 馨f 移胃琴 e t 学饿论文版权使用授权书 本学位论文作者完垒了鳃学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权绦壤荠简蓄家裔笑部门或梳犄送交论文煞笈帮襻窝电予敝，允许论文被豢麓窥 蜜游，零入授觳牮孛辩技大学麓羧将本攀像论文靛全部蠛部分蠹容编入毒荚数器 库逝符检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制筝段保存和汇编本学位论文。 僳密口，在荦解密后适用本授权书。 本论文瘸擎。 不保密耐。 ( 请在浚上方缓瘫努“”) 学位论文佟者签名：套努傣 躁麓：j 崩年，一胃剪臼酲呼吲 “石 4 瞻年 鞋9 燃 洒 救 ； 导 翅 指 日 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题背景 1 绪论 三峡工程是我国治理开发长江的骨干工程。这一工程建成后，在提高长江中下 游防洪能力的同时，也将引起中下游河道及一系列水文要素发生变化，影响中下游 的防洪形势。自三峡工程开始蓄水通航发电后，三峡水库的清水下泄对中下游河床 河势的影响已经显现。为了研究三峡工程建成后，长江中下游河道再造河床过程、 不同时期的洪水演进过程、三峡水库运用后江湖关系变化及长江中下游的防洪对策 等，长江科学院提出长江防洪模型项目，该项目于2 0 0 1 年1 1 月3 0 日通过了国家计 委评审，并正式立项，确定为部分利用世界银行贷款项目，审定的项目总投资为人 民币1 7 2 4 8 万元，其中利用世行贷款9 7 0 万美元。长江防洪模型项目是建国以来中 国水利科研投资最大的一个项目。项目无论从建设规模、研究问题的复杂性及重要 性都是目前国内，甚至国际上数一数二的。 长江治江事业任重道远，洪涝灾害、干旱缺水、水污染、水土流失等水问题都 还未从根本上得到解决。特别是由于人口高度密集、经济快速发展、蓄滞洪区减少 等诸多因素的影响，长江中下游防洪形势仍然十分严峻。针对9 8 大水暴露出的问题 和三峡工程建成后长江防洪形势的变化，水利部更加注重防洪减灾宏观战略和关键 技术问题的研究，将“三峡工程建成以后长江中下游防洪对策及其对生态环境影响研 究”列入水利部重大科技项目。作为该项研究重要支撑平台的长江防洪模型，一直为 水利部高度关注，也受到了国务院和国家有关部委的重视与支持。 长江防洪模型的目的，一要研究三峡工程建成后长江中下游防洪的重大技术问 题，为防洪规划、工程建设和防洪决策提供科学依据；二要通过高新技术的开发应 用，提高物理模型的模拟理论和技术，为促进学科发展，培养新型人才提供资源平 台；三要抓住这个大好机遇，增强水利基础科研和公益科研能力，使之真正成为长 江治理开发的科技支撑，成为可持续发展水利的科技支撑，为中国水利史乃至世界 华中科技大学硕士学位论文 水利史谱写光辉的一页 长江防洪模型项目是一项综合性、基础性的科研基建项目，主要是通过较大范 围的实体模型试验，并结合数学模型计算及原型资料分析等非工程措施，研究三峡 工程建成后长江中下游防洪形势及对策措施中的重大技术问题，例如长江中下游河 床演变、河势变化、江湖关系变化影响、不同时期洪水演进特性等，为防洪规划、 工程建设和防洪决策提供坚实的科学依据和技术保障该项目的实施将充分发挥以 三峡工程为中心的长防洪系统的作用，实现长江中下游地区可持续发展，具有重大 的社会效益和经济效益。 长江防洪模型的总体研究范围从长江于流宜昌至大通，全长约1 1 2 3 公里。其中 实体模型模拟范围自长江干流枝城至螺山河段，全长约3 8 0 公里，模型水平比例尺 为l ：4 0 0 ，垂直比例尺为l ：1 0 0 ，变率为4 。项目土建主体工程于2 0 0 4 年5 月正式 开工，截止2 0 0 5 年1 2 月中旬，已完成项目总投资9 0 以上。 防洪模型主要由实体模型、数字模型和网络与数字仿真系统组成。其中，能够 模拟泥沙输移、河床演变和洪水演进的实体模型是长江防洪模型的核心内容。数学 模型除承担三峡工程建成后长距离河道冲淤变形、洪水演进等任务外，还将为实体 模型提供帮助，以减少实体模型运行组次，提高试验效率。通过实体模型、数学模 型与原型观测资料的相互印证与补充，同时引进开发具有国际先进水平的大型计算 机软件，建立网络与数字仿真系统，长江防洪模型能够适应长江中下游江湖分合、 河网交叉、分蓄滞泄、吐纳交错的复杂条件，为长江中下游的防洪规划、工程建设 和防防洪决策提供科学依据。 长江防洪模型项目已建成为综合性、基础性的科学试验研究基地。项目采用模 型自动控制、量测数据自动采集、数字仿真及网络等高科技技术，模拟长江中下游 河道，包括其间的主要支流、湖区、分蓄洪区的演变及洪水演进过程。考虑到该项 目具有重大的社会影响，该项目不仅将建成为国际一流的试验基地，而且将成为青 少年科普教育基地。 如图1 1 q 所示，控制测量系统由服务器、交换机、仿真显示等设备、各种测量 控制系统等组成，其中测量系统有水位测量、流速测量和地形测量。流速测量有成 2 华中科技大学硕士学位论文 熟的仪器仪表，而难度较大的是水位测量和地形测量。通过竞标，我们取得了水位 测量仪的开发权 图1 - 囊控制量测系统 1 2 水文监测自动化技术的应用和发展 随着我国社会经济的发展，对水文信息不断提出了新要求，水文观测项目和内 容不断增加，对观测手段和方法以及水文监测技术的研发和应用提出了越来越高的 要求；现代电子技术、传感技术、通信技术和计算机技术的迅速发展，也促进了水 文监测技术自动化的发展 2 1 1 1 2 1 水文监测的范围与内容 水文监测是水文传感器技术与采集、存储、传输、处理技术的集成。 监测范围：江、河、湖泊、水库、渠道和地下水等水文参数。 3 华中科技大学硕士学位论文 监测内容：水位、流量、流速、降雨( 雪) 、蒸发、泥沙、冰凌、水质等。 1 2 2 人工监测技术存在的问题 从水文传统的人工监测技术分析来看，主要存在以下问题： 1 ) 记录方式以模拟方式为主，就是数字方式记录的也很难方便的输入计算机处 理； 数据处理基本靠人工处理判断，费时易错； 3 ) 水文信息的采集、传输、处理的实时性和准确性较差，无法适应现代水文的 需求。 因此，要用自动化技术促进水文监测自动化的发展。 1 2 3自动化技术在常规水文监测上的应用 水位的采集和传输 用于自动化监测的水位传感器主要有浮子式水位计、压力式水位计、电子水尺 和超声波水位计等。这些传感器可以直接接到r t u 上，自动监测水位参数。地下水 位的监测与地表水相同。 遥测浮子式水位计 分类：全量，增量 特点：稳定，可靠，优点：成熟、运用最广泛 使用条件：可以建造水位井的地方，使用中要防止水井淤积 输出接口：开关量 压力式水位计 分类：压阻式，气泡式 特点：安装简便，不需要建造水位井，精度符合规范要求 使用注意：泥沙影响精度，压阻式有时飘、温飘，要定时标定 输出接口：模拟量，串行数据 压力传感器没有机械部件，设计安装简单，但仅适用于静态或者是变化缓慢的 场合，且分辨率精度等和使用的a d 性能有很大关系，电路可能随环境变化使得测 4 华中科技大学硕士学位论文 试数据误差较大，使用中要定期标定，而工作量也非常大。国外定期将水位计在实 验台上通过标定，找出补偿曲线供采集水位时修正。国内往往是定时将压水水位与 水尺水位相比较来完成标定。前者可以保证传感器的线性度，从根本上保证水位采 集精度，后者只是在个别水位点上校正，传感器的线性度没有得到改善。 超声波水位计 分类：气介式，液介式 特点：安装较简单，不需要建造水位井，精度符合规范要求 使用注意：有温飘，水面漂浮物影响精度，要定时标定 输出接口：模拟量 在安装时要注意： 安装支架将探头延伸到能测的最低水位点。 为超声波发射有5 0 7 0 的发散角，要保证在此角度内没有遮挡物。 当超声波在空气中传播遇到水面后被反向，仪器测得声波往返于传感器到水面 之间的时间，根据声速计算距离，再用传感器安装高程减去所测至水面距离即得水 位。由于声速随温度、大气压力和湿度变化，因此现声速校准较困难，使得系统测 试数据达不到防洪模型要求，且标定困难。 雷达水位计，激光水位计 特点：测量精度高( 毫米级) ，量程大( 9 0 米以上) ，不需要建造水位并，没有 时飘、温飘，可靠 使用注意：水面漂浮物影响精度，安装参照气介式超声波水位计，要定时标定 输出接口：模拟量 这两种水位计是从测距仪演变而来，雷达水位计技术成熟，使用方便，但在国 内使用不多。激光水位计由于需要较好的反射面，水位测试受到限制。 以上各种测量方法都不适合于河流模型上，为此，我利用水具有弱导电性的特 点，采用两根电极，设计出了简单的液面传感器，选用高精度的光栅尺，利用步进 电机进行驱动，设计出了满足精度和重复性要求的水位测量仪。 5 华中科技大学硕士学位论文 1 3 嵌入式系统、单片机在工业测控方面的应用 在工业测量与控制领域，目前常用的构架为嵌入式系统。一般来说，嵌入式系 统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对 功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入式 微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成， 用于实现对其他设各的控制、监视或管理等功能。目前，嵌入式微处理器大概可以 分为四种类型：嵌入式微控制器m c u ，数字信号处理器d s p ，嵌入式微处理器m p u ， 片上系统s o c 。 嵌入式系统是“执行专用功能并被内部计算机控制的设备或者系统，运行的是 固化的软件，用术语表示就是固件( f i r m w a r e ) ，终端用户很难或者不可能改变固件。” 但是，甚至这个定义也需要某些解释。首先，大多数非r r 人士对计算机的概念就是 一个米色的贴着“i n t e l - i n s i d e ”标签的盒子。嵌入式计算机的发行量远远高于基于 i n t e l - x 8 6 p e n u u m 的台式p c 的发行量。i n t e l 或许“i n s i d e ”，但是嵌入式系统却是 无处不在。 人们很少会意识到他们往往随身携带了好几个嵌入式系统手机、手表或者智 能卡都嵌有它们，而且他们在与汽车、电梯、厨房设备、电视、录像机以及娱乐系 统的嵌入式系统交互时也往往对此毫无觉察。嵌入式系统在工业机器人、医药设备、 电话系统、卫星、飞行系统等领域扮演了一个更为重要的角色。正是“看不见”这 一个特性嵌入式计算机与通用p c 计算机相区分。 尽管绝大多数嵌入式系统是用户针对特定任务而定制的，但它们一般都是由下 面几个模块组成的： 一台计算机或者微控制器，字长可能是可怜的4 位或者8 位、1 6 位、3 2 位 甚至是6 4 位。 用以保存固件的e e p r o n 。 用以存程序数据的r a m ( 挥发性的随机访问存储器) 。 6 华中科技大学硕士学位论文 连接微控制器和开关、按钮、传感器、模数转化器、控制器，le d ( 发光二 极管) 和显示器的i o 端口 一个轻量级的嵌入式操作系统，一般是自行编写的。 专门的单片微控制器是大多数嵌入式系统的核心。通过把若干个关键的系统组 成部分集成到单个芯片上，系统设计者就可以得到小而便宜、可以操作较少外围电 子设备的计算机。 嵌入式微控制器在嵌入式设计中得到了最为广泛的应用。据国家半导体贸易统 计显示，8 位芯片仍然占据了微处理器市场5 6 的销量和4 0 的销售额。特别是 m c s 5 1 系列兼容的8 位嵌入式微控制器，平均每年销售3 3 亿片，大约是3 2 位 p c 微处理器销量的3 0 倍。微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使 功耗和成本下降，可靠性提高。 芯片内部集成r o m e p r o m , r a m ，总线，总线逻辑，定时，计数器，看门狗, i o ，串行 1 ：3 ，脉宽调制输出a d ，d ，a ，f l a s hr a m , e e p r o m 等各种必要功能和外设比较有代 表性的微控制器有m c s 5 1 系列, m c s - 9 6 系列，6 8 k 系列，以及a v r 系列。 随着科学技术的飞速发展，后p c 时代已经悄然的到来：各式各样的设备，仪器， 用具，玩具，都赋予了智能，能够自动的处理一些问题，甚至很多都具有自动联网 的能力，使我们生活中本来没有生命的东西，都带上神秘的智能。所有这些，无不 与嵌入式系统的发展与应用息息相关 可以说，悄然而来的嵌入式设计浪潮，正说明了嵌入式系统的应用已经深深受 到社会的广泛关注。嵌入式系统的广泛应用，已经使我们的生产生活工具发生了根 本性的变化，从某种程度上改变了我们的生产生活方式，从而极大的促进了社会生 产力。 在这种潮流的影响下，我们的水位测量仪也采用了廉价的8 位嵌入式微控制器 a t 8 9 s 5 2 。 1 4 研究目标 为了满足长江防洪模型自动控制、量测数据自动采集、数字仿真及网络等高科 7 华中科技大学硕士学位论文 技技术的要求，设计高精度、动态快速跟踪水位变化的新型水位测量仪被提出来。 标的要求： 设计出反应速度快、操作灵活、可靠性高，可单机使用、也可组网的水位测试 仪，并生产出8 0 套仪器，安装应用于长江防洪模型上，构成其中的水位测试系统。 1 5 论文组织 论文共分为5 章： 1 ) 概述，主要介绍课题背景、来源、意义；介绍国内这一应用领域仪器设备 状况，水位测量方法；嵌入式计算机在工业测控、仪器仪表方面的应用； 课题目标和技术指标。 2 ) 主要描述了项目需求、总体设计和各单元电路功能，对各单元电路模块及 光栅尺、步迸电机和驱动电源进行计算和选型。 3 ) 给出了河流模型水位仪的电路原理图；介绍了各电路模块功能及工作原理 及相应的接口程序：光栅处理电路仿真及水位仪中采用的电路； a t 8 9 s 5 2 m c u 特点；a t 8 9 s 5 2 和l e d 显示驱动器m a x 7 2 i 9 接口电路原理 图及接口程序；i i c 总线原理及采用a t 8 9 s 5 2 端口实现i i c 总线功能的接口 程序；a t 8 9 s 5 2 和存储器2 4 l c 2 5 6 接口电路及程序；定时器p c f 8 5 6 3 接口 及程序；水位探测传感器及处理电路；软件开发环境及各模块结构及工作 过程；本章通信协议及串行通信的实现，主要探讨了基于m o d b u s 协议 多机串行通信的实现。查表式c r c 校验公式推导以及在单片机上的实现， 介绍了本系统通信协议命令格式。 4 ) 系统测试运行、室内实验方案，实验结果、分析；防洪模型上测试数据。 5 ) 总结与展望。 8 华中科技大学硕士学位论文 2 系统总体结构 在设计长江防洪模型系统以前，河流所做水位测试时，采用基于千分尺的伸缩 式水位尺，由测试员沿河流模型巡测，由手调节千分尺，由肉眼判断探针接触或脱 离水面，然后在记录本上记录测量数据，这会导致如下问题： 记录方式以模拟方式为主，就是数字方式记录的也很难方便的输入计算机处 理： 基本靠人工处理判断，精度差、效率低、易错； 水文信息的采集、传输、处理的实时性和准确性较差，测量数据不能和时间 发生关联，从而无法进行洪水演进过程仿真，无法适应现代水文的需求。 2 1 系统需求分析 在充分进行调研后，得出了系统需求如下： 系统使用于河流( 防洪) 模型，为河流模型分析软件提供河流模型中若干测 量位置的精确、实时、动态的水位位置数。其中重要的指标为： - 分辨率1 0 u m 一示值误差：0 1 m m - 重复误差：0 1 m m 一通信距离：1 2 0 0 m 测量范围0 - - 4 0 0 r a m - 波特率：1 9 2 0 0 - 探测杆速度： 2 0 m m s 通信接口：r s 4 8 5 标准、m o d b u s 协议。网络地址可选1 - 1 2 8 一采样间隔：l s - 一6 0 0 s 可调 _ 供电：2 0 0 v a c 一2 3 0 v a c 防死机 o 华中科技大学硕士学位论文 长时间测试累计误差 o 1 m m 2 2 系统总体设计方案 2 2 1 水位实时测量控制网络 水位实时测量控制网络如图2 1 所示，由工控机作为上位机和若干套( 1 2 8 以内) 水位仪作为下位机以r s 4 8 5 协议构成构成，有效通信距离为1 2 0 0 m ，速度最大为 1 9 2 0 0 b i t s 系统采用半双工方式，仅上位机具有主控功能，水位仪为从控机，每套 水位仪有唯一的一个设备号。网络基于m o b u s 协议，根据实际情况，做了一定改 动现就水位仪各单元电路设计、编程，工业测控网络协议定义及实现进行描述。 2 2 2 总体框图及工作过程 图2 1 水位实时测量控制网络 河流模型结构 河流模型结构如图2 - 2 所示，由8 9 s 5 2 m c u 、键盘、显示驱动器m a x 7 2 1 9 、6 位l e d 数码管、串行e e p r o m2 4 l c 2 5 6 、串行定时器p 8 5 6 3 、r s 4 8 5 接口电路、步 进电机驱动器、步进电机、光栅尺、光栅处理电路、水位探针及水位信号处理电路、 上限位开关、下限位开关，开关电源等组成。 由于选用了基于s p i 总线的l e d 驱动器m a x 7 2 1 9 ：选用了基于c 总线的定时 器p 8 5 6 3 和e e p r o m2 4 l c 2 5 6 ，电路设计简洁。 2 2 2 1 水位检测过程 水位探针和光栅尺的滑动尺固定在一起。而光栅尺的滑动尺的上下滑动由步进 电机驱动。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 水位探针l _叫鑫篓鬣卜_ + i 开关电源 光橱尺l -_ - 光橱处理电路卜 l 、 2 0 m m s 以及运动的分别率优于l u m 。这些参数相互关联，要求作一个保守的选择， 以确保系统运行正常，达到要求的指标。很不幸由于经费的原因，我们选择了湖北 工业大学实习工厂进行机械加工和组装，由于加工精度和装配误差非常大，导致系 统阻力不可估计，好在事先采用了大马拉小车的保守设计，通过不断调整，使得整 个项目得以顺利实施。 表2 - 1 选型列表 阡号藤隔阿厣陋网7 。3 5i3 5 h s 0 1 0 0 7 1 8 | 4i o 4 j 3 5 i 8 0 l 2 8 i 1 2 l 0 1 7 i m 4 1 5 , m 4 2 0 3 9l3 9 h s 0 2o 0 6 s1 b4o 61 5l1 63 4 l2 0 一l 0 1 9 l m 4 1 5 , m 4 2 0 “l4 2 h s 0 2 0 2 21 8 4 o 41 2 5 l 2 l 4 0 l5 7 0 2 4lm 4 1 5 ，m 4 2 0 ll 4 2 h s 0 3 0 3 41 3s0 7 1 1 4 4 6 | 4 0 4 8l犯0 3 4 l m 4 1 5 ，m 4 2 0 i l 5 7 h s 0 60 61 881 4 1 2 81 3 5l1 8 5 5 ，l 1 4 50 6 lm 4 2 0 ，m 5 3 5 l 5 7 h s 0 9 0 91 8 l 8 2 0 1 3 5 0 8 l 1 2 5 4 ； 2 6 0 0 6 l m 5 3 5 , m 8 6 0 5 71 5 7 h s m 0 9 0 80 9 i 81 4 1 2 81 8 l 2 5 5 4 ，l 2 6 0 0 6 | m 5 3 5 , m 8 6 0 i5 7 h s l 3 1 3 1 8 8 2 0 1 3 51 0 l 2 1 7 6 l 4 6 01 0 lm 5 3 5 ，m 8 6 0 i5 7 h s 2 2 2 21 8 8 2 0 1 4 00 6 7 | 1 87 6l4 8 01 1 im 5 3 5 , m 8 6 0 一i 8 6 h s 3 53 1 8 | 8 2 0 1 3 5 i 4 l 3 9 l 6 5 i 8 0 02 0 m 5 3 5 ，m 8 6 0 跖l8 6 h s 4 5 4 51 88 3 0 1 5 9 l0 8 i3 5 【7 9 5 | 1 4 0 0l 2 3 m 5 3 5 ，m 8 6 0 ； i8 6 h s 8 5 8 51 8 i 叫3 51 7 0 | 0 9 5i 5 2 i 1 1 84 l2 8 0 0 l 3 8 l 】m 8 6 0 ，m a l 0 8 0 m i i o h s l 2 1 2 1 8i4l 5 0 1 0 9 51 5 | 9 92 l 5 5 0 0 f5 0 | j m 8 6 0 , m a l 0 8 0 1 1 0 h s 2 0 2 0i 8 l i 6 5 1 1 1 5 1 8 9 l 1 5 0 l i f 0 0 0 l8 4 | m 8 6 0 , m a l 0 8 0 1 1 3 0 h s 2 7 2 7 l 1 8 i 4 i 6 0 1 0 6 5l 1 3 8 i2 2 7 ， 3 5 0 0 0 i1 3 m 8 0 0 ，m a l 0 8 0 b 。1 1 3 0 h s 4 5 l 4 5 1 1 8l 4 i 7 0 l 0 9 l 9 5 l 2 8 3 i 4 8 4 0 0 l1 9 | m 8 6 0 , m a l 0 8 0 具体选择如下： 混合型2 相电机：5 7 h s 0 9 ，静扭矩( n m ) ：o 9 ；步距角( 。) 1 8 适配驱动器m 3 5 3 ： 输入电压2 4 v d c 电流可调：1 3 厶1 6 a ，1 9 a ，2 凡2 2 a 2 5 a 2 9 a , 3 2 八3 5 a 华中科技大学硕士学位论文 细分：l ，2 ，4 ，8 ，1 6 ，3 2 ，6 4 ，1 2 8 驱动轮直径：2 0 m m 左右 驱动轮为加工件，其误差不会影响到系统测量精度，只是对步距有一点影响。 细分与步距的关系表格如下： d ；( 2 + 3 1 4 + l o ) + “1 $ n ) 3 6 0 ) d ：步距 n ：细分数 表2 - 2 驱动细分与步距关系 序号细分数 步距( 啪) l l 3 1 4 221 5 7 3 4 7 8 5 4s3 9 2 5 53 21 9 6 2 5 6 6 4 9 8 1 5 71 2 84 9 0 从表2 - 2 中可以看出，选6 4 细分时，可以达到标书要求的1 0 u r n 分辨率；选1 2 8 细分时，可以达到5 u m 分辨率。 2 3 软件开发环境 作为一般的低成本测量控制m c u ，与m c s 5 1 系列兼容的8 位嵌入式微控制器 在实时测量控制系统中被广泛应用。其开发工具及资源也相当丰富。其中有一种c 编译器被广泛使用，这就是k e i l c 5 1 1 2 4 2 习 k e i l c 5 1 标准c 编译器为8 0 5 1 微控制器的软件开发提供了c 语言环境，同时保留 了汇编代码高效，快速的特点。c 5 1 编译器的功能不断增强，可以更加贴近c p u 本身， 及其它的衍生产品。c 5 1 已被完全集成到u v i s i o n 2 的集成开发环境嘲中，这个集成 开发环境包含：编译器，汇编器，实时操作系统，项目管理器，调试器。u v i s i o n 2i d e 可为它们提供单一而灵活的开发环境。c 5 1v 7 版本是目前最高效、灵活的8 0 5 1 开 1 8 华中科技大学硕士学位论文 发平台。它可以支持所有8 0 5 1 的衍生产品，也可以支持所有兼容的仿真器，同时支 持其它第三方开发工具，因此，c 5 1v 7 版本无疑是8 0 5 1 开发用户的最佳选择。我在 开发过程中就是采用k e i lc 5 1v 7 0 和m e d w i n 集成开发调试环境和万利公司的 5 l 开发器。 m e d w mv 2 0 4 是一个具有m i c r o s o f tv i s u a ls t u d i o 窗口风格的集成开发环境。 支持带语法分析的彩色文本显示、源程序断点设置记忆、实时程序计数器p c 显示、 仿真器断电自动重载、自适应连接仿真器等功能，并且支持全空间程序代码和数据 空间的模拟仿真、t r a c , e b u f f e r 跟踪器包含对中断、定时器的模拟仿真和单片机外 部设备状态分析设置、程序性能分析等更多、更实用的功能。 真正多模块的项目管理和单文件操作；源程序编辑及带语法分析的彩色字符； 变量，数组，表达式的设置、观察、修改( 包括浮点数据类型的直接输入) ；不限制 打开数据窗口的数目，并可以在文本和数据窗口中横向和纵向分割；有模式的窗口 停驻功能；实时程序计数器p c 显示；源程序断点设置记忆功能；完全真实的实时源 程序踉踪、单步和调用返回功能。 2 4 硬件开发环境 开发设备有p c 、示波器、逻辑分析仪、单片机开发器等。 硬件开发采用p r o t e l 2 0 0 4d x p 设计原理图、印刷电路板图，以及对其中的部 分电路进行仿真。调试采用万利公司5 l 开发器和伟福的w a v e6 0 0 0 1 ，这两种调 试器都不能对8 9 8 9 s 5 2 中的他计数器进行仿真，故开发过程费了不少周折。 2 5 小结 本章主要描述了项目需求、总体设计和各单元电路功能，对各单元电路模块及 光栅尺、步进电机和驱动电源进行计算和选型。 1 9 华中科技大学硕士学位论文 3 系统实现 系统总体构成见2 2 1 节描述，水位实时测量控制网络框图见图2 - 1 ，由上位机 和若干套水位仪构成；水位仪总体结构见2 2 2 节描述，其中核心部分是水位仪电路 部分。本章首先对水位仪电路图、对各单元模块电路工作过程及相关接口程序、仪 器抗干扰设计进行分析，然后对工业测控网络构建进行分析，最后对实施进行讲述。 3 1水位测试仪电路原理图设计 电路设计采用p r o t e l 9 9e d a 平台，电路原理图如图3 1 所示，由光栅尺信号 处理电路、探针处理电路、显示及驱动电路、探针信号产生电路、复位电路、c p u 、 定时电路、存储电路、r s 4 8 5 电平转换电路、键盘接口电路、部件电机驱动接口电 路构成。 图3 1 水位测试仪电路原理图 2 0 华中科技大学硕士学位论文 图3 - 2 水位测试仪显示面电路板图 图3 - 3 水位测试仪c p u 面电路板图 在设计过程中，对关键电路部分光栅尺信号处理部分在理论分析基础上，进行了 具体电路仿真。 2 l 华中科技大学硕士学位论文 印刷电路板采用双面设计，两面均安装了器件，见图3 - 2 和3 - 3 。 3 2 各单元电路设计及相关接口程序设计 3 2 1 光栅处理电路设计 随着数字技术的发展，出现了各式各样的数字式位移传感器。常用的数字位移 传感器有计量光栅、磁尺、编码器和感应同步器等。它们都有线位移测量和角位移 测量两种构造形式脚 3 2 1 1 光栅输出信号 在本系统中，选用了j c x 光栅尺，其分辨率为l u m ，测量范围为4 0 0 m m 。其输 出信号有t r l 型、r s 4 2 2 型及交流输出型，系统中采用了r 几型信号 4 1 如图3 _ 4 所示，r 儿中有a 、b 和r 三相信号，其中a 和b 为相差9 0 度的方波 信号，当光栅尺的滑动尺向某一方向移动时。若a 超前于b ，则反方向移动时，b 超前予a 。因此，由a 和b 信号关系可以判断滑动尺移动方向，进而控制加减计数 方向嘲 图3 4 光栅尺输出信号 3 2 1 2 信号细分 光栅信号细分电路如图3 5 所示，其对应的仿真波形如图3 - 6 所示。细分电路由 4 个非门和两个异或门组成，其中d 2 d 和d 2 e 将两个相位差为9 0 度的方波反向， d 3 a 完成二倍频，见图3 _ 6 中a i 波形；a 1 经过d 2 b ，由r 1 和c l 微分，见图3 - 6 中a 2 、a 3 波形；a 3 经过d 2 a 反向，与a 1 异或，得到4 细分输出a 5 ，见图3 - 6 华中科技大学硕士学位论文 中a 4 、a 5 波形【6 7 ，8 只。 图3 - 5 光栅信号细分电路图 耋擎n i i 坤tb - d - h - 山 5x 哆叠p p 固一、e ；m - b 棚l 如2 柚l _ “ q l 删，由i - _ h le m , - - m l w t n m m m u l 臼“柚_ 。t 埔l l _ -l _ b z - 口j _ _ - 。- 。_ -三