（计算机应用技术专业论文）流速仪检定信号的处理研究.pdf

摘要 我国是一个拥有丰富水资源的国家，流速仪被广泛应用与测量河流和海流流 速。为了保证流速仪测量流速的准确度，每年都要使用流速仪检定系统对大量的 流速仪进行一次重新检测，确定其参数。本文主要是对流速仪检定信号的采集和 处理进行研究。 流速仪检定的数据处理的主要工作之一是流速仪检定曲线的绘制，其中数学 模型的建立和检定方程的确定是其中的核心环节。给定相对于流速仪的各种水流 速度u ，测量出流速仪对应的转子转速n i ，从若干组( ，v ) 数据中，用方程式或 图表建立起它们的相互关系，即为转子式流速仪的检定方程。同时，我们看到， 现在水利部正在考虑重新修订s l 厂r l5 0 9 0 行业标准，讨论将低速部分和中高速部 分用统一的新模型进行表达。本文在这里重点分析和探讨流速仪检定方程的新模 型，并尝试用统一的表达式描述低速和中高速部分的流速与转速的关系。 本文开始概括的介绍了流速仪检定信息采集系统的主要工作过程以及通信 接口的电路和软件协议的设计。在中华人民共和国水利部1 9 9 5 年发布直线明槽 中转子式流速仪的检定方法标准的框架下，分为低速和中高速两部分建立流速 仪检定方程，经过改进，该模型能在各种情况下较好的对实测点进行拟合，效果 比较理想。随后章节中讨论了将低速部分和中高速部分使用统一的模型进行表 达，在现有的流速仪检定数据的情况下，我们看到，提出的新模型不但更加符合 流速仪的机械特性，而且也有较理想的拟合结果。本文最后讨论了检定过程中对 于异常点进行检测的一些新方法，在实验数据条件下收到良好的效果。 关键词：转子式流速仪检定，信号采集，检定方程，异常点 a b s t r a c t o u rc o u n t r yi sr i c ho fh y d r a u l i cr e s o u r c e s ，s oc u r r e n tm e t e r sa r ew i d e l vu s e dt o m e a s u r e 柚dc a l c u l a t es e ao rr i v e rn o wr a t e a r e ro n ey e a r su s a g e ，e a c hc u l l r e n t m e t e rs h o u l db et e s t e db vt h eo u r r e n tm e t e re x 砌i n a t i o na n dd e t e 肌i n a t i o ns v s t e m ( c m e d s ) t or e d e f i n et h ep a r a m e t e r s t h i sp a p e ri sm a i n l yo nt h ec u f r e n tm e t e r e x a m i n a t i o na n dd e t e i m i n a t i o ns i g n a l si nt h ec o l l e c t i o na n dp r o c e s s i n gf o rr e s e a r c h o n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a r t so fc u r r e n tm e t e re x 锄i n a t i o na n dd e t e m i n a t i o n w o r ki sc u r v ef i t t i n go fc u n e n tm e t e re x a m i n a t i o na n dd e t e n n i n a t i o n t h ec o r eo ft h i s p a ni se q u a t i o no fc u r r e n tm e t e re x a m i n a t i o na n dd e t e m l i n a t i o n w i t ht h ef l o wr a t ev i a n dc u r r e n tm e t e rr o t a t i o n a ls p e e dn i ，w ec a ne s t a b l i s ht h e i rm u t u a lr e l a t i o n sw i t h e q u a t i o n t h i si sc u r r e n tm e t e re x a m i n a t i o na n dd e t e n n i n a t i o ne q u a t i o n 】e a n w h i l e n o wt h em i n i s t r yo fw a t e rr e s o u r c e si sc o n s i d e r i n 2r e v i s i o no ft h es l t 15 0 9 0 i n d u s t r ys t a n d a r d s t h e ya r ed i s c u s s i n gi nu s i n gt h er e u n i f i c a t i o no ft h ee x p r e s s i o nt o e x p r e s st h ec u r r e n tm e t e re x a m i n a t i o na n dd e t e n n i n a t i o ni n s t e a do fd i v i d i n gi m o t w o p a n st od i s c u s s 1 1 1 i sp a p e ra l s oa n a l y s i sa i l de x p l o r et h en e wm o d e lo fc u r r e n tm e t e r e x a m i n a t i o na n dd e t e n l l i n a t i o ne q u a t i o n ，a n dt i vt ou s eau n i f i e dd e s c “d t i o no f e x p r e s s i o ni nr e l a t i o n s h i pb e t 、v e e ns p e e da n dv e l o c i t v t h eb e g i n n i n 2o ft h i sp a p e rs u m m e du pt h ec u r r e n tm e t e re x a m i n a t i o na n d d e t e n n i n a t i o ni n f o n n a t i o nc o l l e c t i o ns v s t e m a n dc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ec i r c u i ta n d s o r w a r ed e s ig no ft h ea g r e e m e n t w i t ht h e “c a l i b r a t i o nm e t h o do fr o t a t i n g e l e m e n t c u r r e n t m e t e r si ns t r a i 2 l l t o p e nt a n k ”， t h ec u l l r e mm e t e re x a m i n a t i o na n d d e t e 瑚i n a t i o ne q u a t i o ni sd i v i d e di n t o 僦op a r t s w i t hi m p r o v e m e n t ，t h ee q u i p m e n ti s s a t i s f a c t o r y t h e nt h i sp a p e rd i s c u s s e du s i n gt h er e u n i f l c a t i o no ft h ee x p r e s s i o nt o e x p r e s st h ec u r r e n tm e t e re x a m i n a t i o na n dd e t e n n i n a t i o ni n s t e a do fd i v i d i n gi n t ot w o p a r t st od i s c u s s w i t ht h ec u r r e n tm e t ed a t a ，w ec a ns e et h a tt h en e wm o d e lm o r e c o n s i s t e n tw i t ht h ec u n e n tm e t e sm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s a tl a s t t h i sp a p e rd i s c u s s e d a n o m a l vd e t e c t i o ni nt h ec o u r s eo fc u n e n tm e t e re x a m i n a t i o na n dd e t e n n i n a t i o n ，a n d u n d e rt h ec o n d i t i o n so ft h ee x p e r i m e n t a ld a t ar e c e i v e dg o o dr e s u l t s k e y w o r d s ：c u r r e n tm e t e re x a m i n a t i o na n d d e t e r m i n a t i o n ，s i g n a l a c q u i s i t i o n ，e x a m i n a t i o na n dd e t e r m i n a t i o ne q u a t i o n ，a n o m a l yd e t e c t s 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。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过的研究成果。与我一同工 作的同事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 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： ( 注：手写亲笔签名) 学位论文使用授权说明 年月日 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河 海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： ( 注：手写亲笔签名) 嗜意戌 年月日 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 流速仪检定简介及国内外研究动态 我国是一个拥有丰富水利资源的国家，流速仪被广泛应用与测量河流和海流 流速。早在1 7 9 0 年，德国水利工程师沃尔特曼研制了世界上用于河渠测量的首 架旋桨式流速仪。1 8 6 3 年，亨利设计了旋杯式流速仪，1 8 8 2 年，经普莱斯改进， 成为美国常规水文测验中使用的流速仪，之后，又几经改造，沿用至今。我国转 子式流速仪的发展起步迟，经过多年的使用和不断的改进，于1 9 6 1 年定型，并 按国家统一标准命名为l s 6 8 型旋杯式流速仪。为适应我国河流流速高，含沙量 大，水草漂浮物多的特殊水情，研制了l s l 0 型、l s l 2 0 6 型旋桨式流速仪。本文 讨论的是在我国现阶段使用最为广泛转子旋桨式流速仪。 转子式流速仪的工作原理是水流对流速仪转子的动量传递而进行工作的。当 水流流过流速仪转子时，水流直线运动能量产生转子转矩。此转矩克服转子的惯 量i 、轴承等内摩阻m ，以及水流与转子之间相对运动引起的流体阻力m 。等。 从流体力学理论分析，上述各力本身运动机理十分复杂，而其综合作用结果使复 杂程度深化，难以具体分析，但其作用结果却比较简单，即在一定的速度范围内， 流速仪转子的转速与水速呈简单的近似关系。为此，国内外仍沿用传统的水槽实 验方法，建立转子转速n 与水流速度v 之间的关系。在水流速度较快时的经验公 式为：v = 砌+ c 式中：k 流速仪转子的水力螺距； c 常数 n 流速仪转子的转率。 尽管使用上述公式即可以算出水流速度v ，但不意味着v 和n 间存在着数学 上的线性关系。而仅说明在一定流速范围内( 视流速仪不同而不同) ，n 和v 呈 近似的线性关系。故该公式仅仅是一个经验公式。 早期流速仪检定借用的是船模实验设备。船模检定与流速仪检定在要求上有 所不同，船模实验的速度比流速仪检定的速度大，初始行车速度仅能从o 1 4 i i l s 开始，并且利用船模检定流速仪在高速部分误差较大，速度上限最多为2 5 l s ， 对于2 5 耐s 以上的部分，船模实验设备无法检定流速仪。 硕士学位论文 8 0 年代以后，国家对流速仪检定已经出台了一系列相关行业标准，1 9 8 5 年 水利部颁布了s d l 4 5 8 5 直线明槽中转子式流速仪的检定。随着自动化技术 的不断提高和计算机数据处理技术的发展，1 9 9 5 年，水利部又对上述标准进行 了修订，颁布了s l t 1 5 0 9 5 直线明槽中转子式流速仪的检定这一行业标准。 这一标准对流速仪检定的适用标准、检定水槽的尺寸、检定车轨道、流速仪悬杆、 静水时间以及检定速度点等方面做了详细的规定，以保证检测精度。 由于流速仪检定系统应用面比较狭窄，专业针对性高，国内可以查找到的关 于流速仪检定方面的资料非常少。在国际上，也只有为数不多的发达国家拥有几 部流速仪检定系统。经过我国科研人员多年的努力，目前国内不少省份已经拥有 自己的流速仪检定系统。我国南京水文水利自动化研究所还为越南建造了流速仪 检定系统，该系统较为先进，其精度、可靠程度和安全性都达到国际先进水平。 该检定系统分为三个部分：检定水槽，流速仪检定车，控制室。检定水槽长度仅 为7 6 米，宽2 米，深1 8 米，水深1 3 米。流速仪检定车车速使用范围在 0 0 1 3 5 n 1 s ，有效检定段长度大于4 0 米( v 3 州s ) ，采集数据的置信度水平 9 5 ，采用多重安全保护措施。该检定系统经过1 年的使用，运行良好，一共检 验了5 0 0 多台流速仪。 图1 1 流速仪现场检定照片 2 硕士学位论文 1 2 研究内容与目标 流速仪检定的数据处理的主要工作之一是流速仪检定曲线的绘制，其中数学 模型的建立和检定方程的确定是其中的核心环节。以前，很多流速仪n v 曲线的 绘制在很多地方是要靠手工完成的，工业上一般较多使用二项式模型来对曲线进 行拟合，但是以上方法都存在局限性，讨论和分析现有模型，尝试找出更加合适 的新数学模型是本文的主要工作之一。 中华人民共和国水利部1 9 9 5 年发布了直线明槽中转子式流速仪的检定方 法标准，标准中阐述了流速仪n v 嗑线是分低速部分和中高速部分，两个部分 分别拟合。现在水利部正在考虑重新修订s l t l5 0 9 0 行业标准，同时也在讨论 将低速部分和中高速部分使用统一的新模型进行表达。现在也有很多专家在讨论 这一问题，本文将尝试从流速仪的物理模型入手分析，分析和探讨流速仪检定方 程的新模型，提出了一个全新的数学模型，并使用该数学模型描述从低速到高速 部分整个流速与转速的关系。 在流速仪检定过程中，难免会因为机械或者人为的原因，使得采集的实测点 中存在异常点。异常点的判定，对与一个回归方程来说有着重要的意义，它直接 影响着曲线最后的拟合效果。在这一细分领域，较少有文章涉及到这一方面的内 容。同时我们看到，异常检测本身就是数据挖掘和数理统计中一个独立的分支， 如果将两者结合，对于n v 曲线异常点识别，将会有一定帮助。 1 3 本文的内容及组织结构 本文主要是对流速仪检定信号的处理进行研究。 首先简单介绍了流速仪检定系统的信号采集系统，为后面信号处理的展开提 供背景依据。 本文的重点是建立一个数学模型来表达转速n 和水流速v 之间的曲线关系。 这个数学模型就是流速仪检定方程，本文在分析了工业上使用较多的二项式模型 不足的基础上，提出了自己的模型，分析了在各种情况下，该模型的表现情况。 实验表明，在实验数据下，该模型表现良好。 本文的另一个重点是，在前文分段模型的基础上，探讨是否可以使用统一的 新模型来描述流速仪n v 曲线的关系。该问题最近才提出，并且相关资料较少， 我从流速仪的物理模型入手，提出了自己的新模型，在实验室条件下，该模型基 硕士学位论文 本对n v 曲线的拟合结果令人满意。 本文最后讨论当实测点中存在异常点时，如何检测和识别这些异常点。异常 点的判定，对于一个回归方程来说有着重要的意义，它直接影响着曲线最后的拟 合效果。这个问题前人讨论的相对较少，本文提出用删除模型解决这个问题，在 实验数据下收到良好的效果。 论文组织框架 第一章：绪论 简要的介绍了流速仪检定系统，本文的研究背景和论文的主要内容。 第二章：检定信号采集系统概述 概括的介绍了流速仪检定信息采集系统的主要工作过程，本论文使用单片机 对经过调理的流速仪脉冲信号进行采集，然后把采集到的脉冲信号汇集到车上 p c 。 第三章：信号采集接口电路设计 r s 4 8 5 传输方式具有很强的抗干扰能力，更加适宜于在大功率电机附近传 输，检测器和p c 之间的传输需要用到r s 4 8 5 接口，在市场上保留r s 4 8 5 接口 的p c 已经很少了。为了解决这一问题，本文探讨设计一个接口电路，将r s 4 8 5 信号转换成为u s b 信号，由p c 机的u s b 接口接收。并且设计了相对应的通信 协议。 第四章：流速仪检定曲线的拟合 流速仪检定的数据处理的主要工作之一是流速仪检定曲线的绘制，其中数学 模型的建立和检定方程的确定是其中的核心环节。本章在中华人民共和国水利部 1 9 9 5 年发布直线明槽中转子式流速仪的检定方法标准的框架下，分为低速和 中高速两部分建立流速仪检定方程，经过改进，该模型能在各种情况下较好的对 实测点进行拟合，效果比较理想。 第五章：检定方程的分析与改进 现在水利部正在考虑重新修订s l t 1 5 0 9 0 行业标准，同时也在讨论将低速部 分和中高速部分使用统一的模型进行表达。本章所做的工作是从流速仪的物理模 型入手分析，分析和探讨流速仪检定方程的新模型，提出了一个全新的数学模型， 4 硕士学位论文 并使用该数学模型描述从低速到高速部分整个流速与转速的关系。 第六章：异常点检测的探讨 在流速仪检定过程中，难免会因为机械或者人为的原因，使得采集的实测点 中存在异常点。异常点的判定，对与一个回归方程来说有着重要的意义，它直接 影响着曲线最后的拟合效果。本文提出用删除模型解决这个问题，在实验数据下 收到良好的效果。 第七章：总结和展望 总结流速仪检定信号的采集和处理的研究，并展望在将来的研究设计过程中 可能存在的改善之处。 硕士学位论文 第二章检定信号采集系统概述 流速仪检定信号采集系统的主要作用是通过单片机对经过调理的流速仪脉 冲信号进行采集，然后把采集到的脉冲信号汇集到车上p c 。为了便于后续内容 展开，本章简单介绍检定信号采集系统的构成。 2 1 流速仪脉冲信号的采集 图2 1 流速仪信号采集 流速仪信号采集的过程如图2 1 所示，多数流速仪信号是通过干簧管磁吸合 产生的，也有一部分是通过接触丝的通断产生。在流速仪的尾端垂直安装有磁钢， 与旋桨同步旋转，干簧管封装在防水部件中，垂直的固定在壳体上，紧靠磁钢。 当水流推动流速仪旋桨旋转时，磁钢和旋桨同步旋转，磁钢旋转一周，簧片被磁 化两次，触点吸合两次，电路导通两次产生两个脉冲信号 理想流速仪信号是方波，但是在实际中，检测流速仪信号和理想波形有很大 的区别，比较多的是，在方波中会含有触点抖动干扰，尖峰干扰信号。由于流速 仪脉冲信号的前后沿抖动及外界电磁干扰，信号本身和理想信号相比已经发生了 巨大差别。如果把这种脉冲信号直接送入单片机计数器，将会导致计算机计数不 准确从而直接影响到流速仪检定精度：同时脉冲信号中的尖峰干扰对计算机硬件 也会产生损害。所以需要一套合理的信号处理设计。 流速仪脉冲信号抗干扰部分主要包括：信号转变，滤波，信号隔离，去抖动 和接地等几个部分。 1 信号转换。流速仪信号转换电路将干簧丝机械信号转换成电信号。 2 滤波。通常使用的方式是利用r c 和l c 的滤波特性对窜入接口的强干扰脉 冲进行衰减和抑制。根据出现的干扰幅值和频率特性确定出r ，c ，l 的值， 组成一个简单的衰减滤波网络。 3 信息隔离。为了彻底地把流速仪电信号和计算机系统在电气上分开，需要采 用信息隔离手段，常用的隔离器件有隔离变压器，光电耦合器，断电器，场 效应继电器等。 4 去抖动。流速仪脉冲信号的抖动源自于干簧管触丝临界状态的不良接触，通 6 硕士学位论文 常考虑使用n e 5 5 5 定时器组成单稳电路来进行去抖动。 5 接地。正确的接地是抑制噪声和防止干扰的主要方法。可以毫不夸张的讲， 电子电路的一切抗干扰方法都是无一例外的和接地有关。 综上所述，流速仪信号经过信号转换、滤波、隔离、去抖、放大处理以后， 信号已经基本满足计算机处理的要求，并有效的防止了干扰，可以接入计算机计 数器接口。 2 2 数据采集方案 我们的数据采集方案使用分布式数据采集，原理图如图2 2 所示。 厂 r ，卜 厂 厂 几厂 图2 2 数据采集方案 信号采集部分有一个p c ，多个单片机以及信号调理电路部分组成。每台流 速仪对应一台采集单片机，这些流速仪的脉冲信号经过信号调理之后，送入单片 机的计数端口。 分布式数据采集使用多台单片机，相对于集中式采集方式，最重要的好处是 在于大大提高了系统的安全可靠程度。因为在集中方案中，只要单片机出现故障， 将直接影响到检测系统，不得不立即更换新的单片机。然而在分布式方案中，即 使多台单片机中的某一台出现了故障，也不会影响到其他流速仪的测量工作，仍 然可以利用性能运转良好的单片机去测量其他的流速仪，从而大大降低了检定车 的维修时间。 7 臾臾臾 硕士学位论文 2 3 流速仪信号检测器 o 么方心 流速仪 参数设定 图2 3 信号检测器原理图 流速仪检测器的核心部分由单片机组成，另外还包括数据采集模块，键盘模 块，l c d 显示模块，通信接口模块等几个部分。 检测人员通过键盘可以预先设定检测参数：脉冲检测个数，检测时间，流速 仪转子转率，车速因子，流速仪水力螺距系数，仪器常数等，同时l c d 模块帮 助用户完成参数的设定。在流速仪信号采集过程中，l c d 动态的显示已经采集 过的信号个数。采集过程完毕后，单片机自动把数据存储到f l a s h 中，预防断电 后的数据丢失；同时，单片机还可以把采集到的数据通过串行口传给p c 机。 流速仪信号检测器上配有两个串行通信接口r s 2 3 2 、r s 4 8 5 ，用于检测器和p c 之问的数据传输。众所周知，r s 4 8 5 比r s 2 3 2 相比具有更强的抗干扰能力，更 适宜于在大功率电机附近的数据传输。本文考虑保留两个串行端口，r s 4 8 5 作为 常用手段，r s 2 3 2 作为备用选择。 2 4 无线数据传输设计 无线数据传输系统包括车上和车下部分，每个部分由射频模块、功放模块、 天线、以及电平转换芯片组成。每个部分均可以进行发送和接收，相互对称。车 载p c ( 或者车下p c ) 的r s 2 3 2 串行接口通过电平转换芯片和射频芯片n r f 4 0 3 的 u a r t 接口连接，同时车载串口的r t s ( 发送请求信号) 控制继电器选通功放发射 模块。无线数据传输设计框图如图2 4 所示： 8 硕士学位论文 图2 4 无线数据传输设计框图 2 5 本章小结 本章介绍了流速仪的检定信息采集系统的总体构架。通过这一系统，流速仪 在检定过程中的时间、速度、转速等信息经过处理传输到车载p c 中，再通过无 线传输方式传给车下p c ，等待后期的进一步分析处理。 9 硕士学位论文 第三章信号采集接口电路及软件设计 3 1 研究背景 前文中提到流速仪信号检测器上配有两个串行通信接口r s 2 3 2 和r s 4 8 5 ， 用于检测器和p c 之间的数据传输。可是我们知道现在市场上保留r s 2 3 2 接口 的p c 就已经很少了，基本没有预留r s 4 8 5 接口的p c 。而r s - 4 8 5 传输方式具 有很强的抗干扰能力，更加适宜于在大功率电机附近传输。所以我们希望能够设 计一个接口电路，解决这一问题。同时，本文设计了流速仪检测器和主机之间的 通信协议 3 2 接口电路设计方案 u s b 接口现在是大多数p c 机配有的标准接口，在工业与民用领域被广泛使 用，我们考虑将r s 4 8 5 信号转换成为u s b 信号，由p c 机的u s b 接口接收。 图3 1 接口信号转换 接口电路的设计涉及到以下3 个方面，包括串口转换芯片的选择、信号与电源的 隔离传输、r s 4 8 5 芯片保护。 3 2 1c h 3 4 l 串口转换芯片 c h 3 4 l 是一个u s b 总线的转接芯片，通过u s b 总线提供异步接口、打印口、 并口以及常用的2 线和4 线等同步串行接口，有较多的电压选择空间，提供的驱动 相对更加完善，和同类产品相比c h 3 4 1 可以改变数据位和停止位，c h 3 4 1 的生产 厂商是南京沁恒公司，售后和技术支持优势明显。综合以上考虑，我们选用沁恒 公司的c h 3 4 1 作为我们的串口转换芯片。 3 2 2 信号与电源的隔离传输 1 、信号的隔离传输。为了使用信号能够隔离传输，提供良好的电绝缘能力 和抗干扰性，我们使用光电耦合器。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用。 光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱 动发光二极管( l e d ) ，使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流， 再经过进一步放大后输出。这就完成了电一光一电的转换，从而起到输入、输出、 l o 硕士学位论文 隔离的作用。由于光电耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特 点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。 2 、电源的隔离传输。为了使电源隔离，我们使用隔离d c d c 电源模块 d y 0 5 s 1 2 。该系列d c d c 电源模块专业用于r s 2 3 2 瓜s 4 8 5 有源隔离转换器， 具有体积小、效率高、高隔离电压、高可靠性、低价格等显著优点，其适用于数 字信号处理电路及对电压稳定度要求不高的模拟电路。 3 2 3r s 4 8 5 芯片保护 由于工程环境比较复杂，现场常有各种形式的干扰源，所以4 8 5 总线的传输 端一定要加有保护措施。r s 4 8 5 总线传输线通常暴露于户外，有时也会因为静电 等原因引入过电压。而r s 4 8 5 收发器工作电压较低( 5 v 左右) ，其本身耐压也 非常低( 7 v + 1 2 v ) ，一旦过压引入，就会击穿损坏。在有强烈的浪涌能量出现 时，甚至可以看到收发器爆裂，线路板焦糊的现象。所以我们引入抗浪涌的t v s 瞬态杂波抑制器件。 瞬态电压抑制二级管简称t v s 器件，在规定的反向应用条件下，当承受一 个高能量的瞬时过压脉冲时，其工作阻抗能立即降至很低的导通值，允许大电流 通过，并将电压箝制到预定水平，从而有效地保护电子线路中的精密元器件免受 损坏，尔后，随着脉冲电流按指数衰减，t v s 两极的电压也不断下降，最后恢复 到起始状态。t v s 能承受的瞬时脉冲功率可达上千瓦，其筘位响应时间仅为1 p s 。 自恢复保险丝在线路出现异常状况时，能够自动过电流或阶段电流，当排除 故障后又自动恢复原态的保险丝。它在的作用也是为了保护4 8 5 芯片。 自恢复保险丝是由特殊的聚合物( p 0 1 y m e r ) 及导体( c o n d u c t i v e ) 组成，在 正常电流下，聚合物紧密地将导体束缚在晶体的结构内，构成了一个低阻抗的 “碳链 。因为阻抗相当低，所以流经自恢复保险丝的电流所产生的热能小，不 会改变聚合物的晶状结构，然而，当异常电流发生时，导体上所产生的热便会将 聚合物由结晶状变成胶状，在此状态下，被束缚在聚合物上的导体便会分离，导 致阻抗迅速提高而限制了异常的高电流，当异常原因消除后，导体又重新建立恢 复成低阻抗。 硕士学位论文 3 3 软件及通信协议设计 通过上述接口电路的设计，车载p c 可以通过u s b 接口同检测器之间进行 通信。 打开设置串口主要代码如下： v o i dc c o m l s e j r e d l g ：o p e n - p o r t ( ) 1 打开指定串口 t m p = c r e a t e f i l e ( c o m c o n t ， g e n e r i c j 也a dg e n e r i c w r i t e ，0 ，n u l l ，o p e n j ! x i s t i n g f i l ea t t r _ i b u t e n o r m a l ， o ) ； 2 设置串口参数：波特率、数据位、校验位、停止位等信息 d c bd c b ： g e t c o m m s t a t e ( h c o m m ，& d c b ) ； 获取该端口的默认参数 修改波特率 d c b b 钒l d r a t e = 9 6 0 0 ： 重新设置参数 s e t c o m m s t a t e ( h c o m m ，& d c b ) ； ) 以下是读取发送和超时代码部分主要代码： 宰下面设置超时信息木 c o m m t i m e o u t st i m e o u t ；设置超时结构体 g e t c o m m t i m e o u t s ( h c o m m ，& t i m e o u t ) ； m e m s e t ( & t i m e o u t ，0 ，s i z e o 绯i m e o u t ) ) ； t h e o u t r e a d i n t e n ，a l t i m e o u t = 10 0 ；每个字符之间x 毫秒超时 t i m e o u t r e a d t b t a l t i m e o u t c o n s t a n t = 0 ：l0 s t i m e o u t r e a d t o t a l t i m e o u t m u l t i p l i e f o ； t i m e o u t 砸t e t b t a l t i m e o u t m u l t i p l i e f 0 ； t i m e o u t m t e t o t a l t i m e o u t c o n s t a i l t = o ： r e t 啪v a l = r e a d f i l e ( h c o m m ，l p r e a d b u e1 1 n 啪b e 幻f b ) r t e s t o r e a d ，i l b ”e s r e a d ， 1 2 硕士学位论文 n u l l ) ：读串口 r 鲍l 珈i v a l - w r i t e f i l e ( h c o m m ，啦r x d a t a ，i l n u m b e r o f b y t e s t o w r i t e ， & n b y t e s s e n t ，n u l l ) ；写串口 检测器通过识别不同的帧实现与车载p c 的数据交换。帧定义如下： 1 、握手帧o x 2 h 和0 x 0 3 h ：只有当流速仪信号检测器连续收到握手帧之后才进 入数据上传状态。 2 、数据上传命令帧0 x 0 a h ：流速仪信号检测器收到该帧后进行数据的上传。 3 、校验和正确帧o x 0 4 h ：如果校验和正确，车载p c 返回该帧。 校验和错误帧o x 5 5 h ：如果车载p c 计算出的校验和与收到的不符，车载p c 向检测器返回该帧。 4 、错误信息帧0 x 5 1 h 0 x 5 3 h ：当检测器与车载p c 工控机通信过程出错，根据 不同的错误类型，返回不同的错误信息帧： 曲0 x 5 l h ：握手过程出错： b ) o x 5 2 h ：数据上传出错； c ) o x 5 3 h ：校验和过程出错； 流速仪信号检测器数据上传的三个过程( 握手、上传、校验) 分别由标志字 f l a g j 锄d l e 、f l a g _ s e n d 、f l a g c r c 来控制。通信程序流程如图3 - 6 所示。 流速仪检测器首先处于握手进程( f l a g _ h a n d l e = 0 ) ，接收车载p c 的握手信号， 并且置握手进程标志位( f l a g _ h a n d l e = 1 ) 进入数据上传，反之，在收到命令后上传 完毕进入校验和确认状态( f 1 a 艮s e n d = 1 ) ，如果检测器没有收到正确的上传命令，返 回错误帧；如果检测器收到校验和正确的回复帧o x 0 4 ，那么返回o x f f f f ，表示 此数据上传成功结束，否则重新上传数据及积累校验和。 实验中调试界面如图所示，串口调试助手的通信格式为：波特率9 6 0 0 b p s ， 数据位1 位，停止位1 位，无奇偶校验位，采用1 6 进制发送和显示。流速仪检 测器存储两组数据到f l a s h 中，每组数据包含1 0 个速度点，头文件6 个字节， 包括批次、时问、速度测速点个数，文件尾两个字节0 x f f f f h 。 硕士学位论文 图3 6 检测器数据上传程序 1 4 硕士学位论文 ，一发送数据一一 ，接受数据 l 而 | o o4 0 ；| e 5d o | g c3 3 i 0 a3 b 1 0 13 f | f 4f d ，一 关闭串口l e 一满i ；，。， ! 溪； 波特率i 9 6 0 0习 笺i ； i l | 串口摹赢r 1 i 黪字舭1 磅些撵筘习 i i 誊譬擎乒_ 萎 0 a0 1 1 28 3 3 d 3 9 a 2 3 c d f1 f 3 7 8 9 5 4 3 d 4 04 e 5 43 e 3 3a 2 0 了0 4 3 f3 7 4 23 e 5 24 9 图3 - 7 3 4 本章小结 前文中提到我们需要用r s 一4 8 5 串行通信接口用于检测器和p c 之间的数据传 输。而u s b 接口是现在大多数p c 机配有的标准接口，在工业和民用领域被广泛 使用，我们在这一章里考虑设计一个接口电路将r s 一4 8 5 信号转换成u s b 信号， 由p c 接口接收。经过综合考虑，使用南京沁恒公司的c h 3 4 l 串口转换芯片。为 了使电路具有良好的电绝缘能力和抗干扰性，使用光耦对信号进行隔离传输。本 文选用东芝公司的光耦t l p l 8 1 ，经过对参数性能的计算和试验，用t l p l 8 1 传输 效果理想，性能稳定，满足使用性能要求。为了对r s 一4 8 5 收发芯片进行保护， 本文在电路中使用了瞬态电压抑制二极管。当它承受一个高能量的瞬时过压脉动 时，其工作阻抗能立即降至很低的导通值，允许大电流通过，并将电压箝制到预 定水平，从而有效地保护电子线路中的精密元器件免受损坏，尔后，随着脉冲电 流按指数衰减，最后恢复到起始状态。除此之外，本文在电路中使用了自恢复保 险丝，增强了电路对浪涌的抗击能力。最后介绍了，在使用该接口电路的基础上， 流速仪检测器和主机的通信软件和协议设计。 j 墅j 口一 待一 受一 串一 等一 接一 开一 并一 备一 打一 送一 准一 蠹一 卫4 c 2 1 c 4 a f 3 0 4 5 a 4 e b f 9 e 8 1 3 c f 8 3 a a d b f 0 2 1 0 f f f 4 4 c a 0 6 c 0 f c l t 1 3 0 8 3 4 4 d 8 3 c b 0 a 3 2 a 5 c 8 f 8 l t f b 0 3 4 c d 3 f 0 0 4 5 0 1 6 0 8 b 5 4 0 1 硕士学位论文 第四章流速仪检定曲线的拟合 4 1 引言 流速仪检定曲线的拟合是本文重点要讨论解决的问题。在采集到转速n 和水 流速v 的数据之后，我们应该建立一个数学模型来表达转速n 与水流速v 之间的曲 线关系。按照中华人民共和国水利部1 9 9 5 年颁布直线明槽中转子式流速仪的检 定方法的标准，在数据处理时，可分为低速和中高速两部分进行。其中低速部 分是本章研究的重点部分。流速仪n v 曲线低速部分确定，以前的方法是依靠手 工绘制，现在借助计算机的帮助，由于检定方程的不同，也有着不同的方法。本 文先讨论了工程中使用较多的多项式方法。在总结了多项式方法不足的基础上， 本文提出了自己的新数学模型，并讨论了在各种情况下，该模型的实际效果。在 现有数据条件下，该数学模型能较好的反映n v 曲线的关系。 4 2 绘制v n 曲线的基本原则 按照中华人民共和国水利部1 9 9 5 年颁布直线明槽中转子式流速仪的检定方 法的标准，在数据处理时，可分为低速和中高速两部分进行。 这里假设k 点称为临界点，在k 点以上称为中、高速部分，它的v n 关系基本 是线性的，因此可以用直线公式表示： v = 砌+ c ( n = nk )4 - 1 式 式中： v k 流速，1 1 1 s 水力螺距，m n 转子每秒转速， r s c 仪器常数， i l l s 在临赛点一下v n 关系用曲线表示，在以前曲线是由人手工绘制。曲线绘制 质量因人而异，没有确切的依据，只有基本原则： 1 、曲线与直线在k 点要光滑连接。 2 、曲线应当使所检定的实测点距离曲线尽可能近( 基本符合最小二乘法) 3 、曲线只能向上弯曲。( 最多只能是k 点以上的直线向下延伸) 1 6 硕+ 学位论文 结合上面的基本原则，选择适当的数学模型，利用计算机绘制临界点k 以下的v n 曲线关系 4 3 流速仪低速v n 曲线数学模型讨论 用计算机拟合低速v n 曲线时，首先应该构造一个v n 曲线的数学模型。假 定v n 曲线可以用v ( n ) 表示，那么v ( n ) 应该满足以下条件： l 、根据v n 曲线的规律可知：当n = n k 时， 应该满足： l i m 车= 常数 z 一。d 玎 曲线的切线基本是常数，所以v ( n ) 4 2 式 fv ( n k ) 水匝k + c 沮瑙 4 诚 3 、根据绘制流速仪低速v n 曲线的原则第三条，曲线只能向上弯曲，最多是直 线。所以： 姿o 4 4 式 幽2 下面我们将讨论建立合适的数学模型。 4 3 1 多项式模型 对于曲线拟合问题，在工程应用中，最多的是采用多项式的方法进行拟合， 在南京铁心桥水文所正在设计建设的流速仪检定项目也探讨了使用多项式作为 数学模型，结合最小二乘法对v n 曲线的低速部分，进行绘制。 首先，根据上面给的第三条原则，我们知道曲线只能向上弯曲( 最多是直线) ， 换句话说，在绘制成的低速曲线部分，不能出现拐点。这就要多项式的次数不能 1 7 硕士学位论文 大于2 ，对于大于2 的多项式拟合的结果要么是直线，要么会产生拐点，所以不予 以考虑。 于是，我们考虑多项式等于2 时的形式 设v = + 口1 聆+ 口2 聆2 4 5 式 分析时，将该模型化为多元线性的问题来进行讨论 令_ = 刀 恐= 刀2 原式为 v = + 口l 五十吃恐 q = ( 1 ，一一q 薯l 一吃_ 2 ) f = 1 m 为低速部分去点的个数，根据直线明槽中转子式流速仪的检定方法的标准， 在低速部分必须取点5 个以上 t l 墨2 是 f f 历 根据最小二乘法： 罢卅打一矿瑚 署羽耔- 矿蝴铲。 署q 分旷喇= 。 用矩阵形式表示是： x = 鼍l 而l ： l 2 砭2 ： l y = 巧 芬 ： 吃 f q 彳= i 呸 l f 码 于是，上式可以写成： x7 1 别= x7 y 4 6 式 以上仅仅是最小2 乘法应满足的条件，根据曲线绘制原则我们可以知道，曲线必 1 8 硕士学位论文 须是向上弯曲的。曲线的弯曲方向由二次项系数来决定，即等= 2 呸，我们计 算时必须辅以限制条件a 2 o 。 与此同时，我们绘制出的曲线必须满足在临界点k 点与直线相切，于是在曲 线拟合的时候还必须满足v = k 时c 觌儿= k ，这两个条件。 根据以上的限制条件，结合最小2 乘法，做出的结果如下所示 图4 1 多项式模型曲线拟合图 我们看到如图4 1 所示，用多项式作为模型，对曲线进行拟合，结果曲线完 全退化成近似一条直线，效果非常不理想。 分析多项式拟合不理想的原因，我们可以看到，当多项式的次数等于2 时， 多项式只有3 项，即曲线只有3 个自由度，由于曲线在临界点k 点，被限制了两个 咖i， 自由度( v ( n k ) = m k + c 忑l “九留给曲线的只有一个自由度，同时曲 线还要保证其2 次项系数大于零，有了这些约束条件，留给曲线拟合的调整空间 1 9 硕士学位论文 非常小了，不能保证曲线有很好的拟合效果。 4 3 2 新模型的提出 通过上述分析，作为在工程上使用最为普遍的二项式模型，在这里拟合低速 曲线的效果并不十分理想。为了在