（控制科学与工程专业论文）智能仪表辅助教学设备的完善与改进.pdf

摘要 自制教学设备用于提高实验教学条件，为理论教学提供实践辅助，利于培养学生的 学习能力和实践能力，是体现高校教学质量的一项重要指标。许多国内外高校都在积极 开展这方面的研究和丌发。鉴于其重要性，中国石油大学针对教学实际，也开展了相应 的研究工作。本课题就是结合自动化仪表类课程的教学需求，自行研制了基于h a r t 协 议的智能仪表辅助教学设备。 智能仪表辅助教学设备的设计分为硬件设计和软件设计两大部分，各部分的设计采 用模块化的设计思想，按功能划分成不同的模块，独立设计完成。设备的硬件设计由温 度模拟转换模块、涡街模拟转换模块、差压模拟转换模块和数字处理模块四部分组成， 软件设计由测控程序模块和h a r t 协议通信程序模块组成。设计中增加了中间变量输出 接口电路的设计，用于向学生演示各变送模块中的信号转换过程。 本文是在以酊的研制基础上，对整个智能仪表辅助教学设备进行完善和改进。介绍 了设计的总体方案和设计思想，设计完成了涡街模拟转换模块和差压模拟转换模块，编 写了部分h a r t 通信程序和测控程序，完善了辅助教学设备的实验功能，基本实现了课 题预定的功能要求。 关键词：自制教学设备；h a r t 协议；模拟转换 t h eim p r o v e m e n to fa s s i s t a n tt e a c h i n ge q u i p m e n tf o rs m a r t i n s t r u m e n t x ud a ( m e a s u r e m e n tt e c h n o l o g ya n da u t o m a t i ce q u i p m e n t ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rg e n g y a n f e n g a b s t r a c t s e l f - m a d et e a c h i n ge q u i p m e n ti su s e df o ri m p r o v i n gt h ee x p e r i m e n t a lt e a c h i n gc o n d i t i o n s ， p r o v i d i n gp r a c t i c ea i d sf o rt h et h e o r yo ft e a c h i n g i ti su s e f u lf o rs t u d e n t st od e v e l o pl e a r n i n g a b i l i t ya n dp r a c t i c a la b i l i t y i na d d i t i o n ，s e l f - m a d et e a c h i n ge q u i p m e n ti sa l s oa ni m p o r t a n t i n d i c a t o rw h i c hs h o w st h e u n i v e r s i t yt e a c h i n gq u a l i t y m a n yd o m e s t i ca n df o r e i g n u n i v e r s i t i e sr e s e a r c h e r sa r ea c t i v ei nt h i sa r e ao fr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t i nv i e wo fi t s i m p o r t a n c e ，s c h o l a r so fc h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u mh a v ec a r r i e do u ts o m ec o r r e s p o n d i n g r e s e a r c hw o r kf o rt h et e a c h i n gp r a c t i c e t h i st h e s i si s d e s i g n i n ga na s s i s t a n tt e a c h i n g e q u i p m e n t f o rs m a r ti n s t r u m e n tb a s e do nh a r t p r o t o c o l ，c o m b i n e dw i t hp r a c t i c a lt e a c h i n go f a u t o m a t i o ni n s t r u m e n t a t i o nc o u r s e s t h ed e s i g no fa s s i s t a n tt e a c h i n ge q u i p m e n tf o rs m a r ti n s t r u m e n ti sd i v i d e di n t ot w op a r t s ， h a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g n b yi n t r o d u c i n gm o d u l a r i z e dd e s i g nt h i n k i n g ，e a c hp a r t o ft h ed e s i g ni sd i v i d e di n t od i f f e r e n tm o d u l e sa c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o n s a n de v e r ym o d u l e i s d e s i g n e di n d e p e n d e n t l y t h eh a r d w a r ed e s i g n c o n s i s t so ff o u rp a r t s ，t h o s ea r et h e t e m p e r a t u r e a n a l o gc o n v e r t e rm o d u l e ，t h ev o r t e x a n a l o gc o n v e r t e rm o d u l e ，t h ed if f e r e n t i a l p r e s s u r e - a n a l o gc o n v e r t e rm o d u l ea n dt h ed i g i t a ls i g n a l sp r o c e s s i n gm o d u l e a n dt h es o f t w a r e d e s i g nc o n s i s t so ft w op a r t s ，t h o s ea r et h ec o n t r o lp r o g r a mm o d u l e sa n dt h ec o m m u n i c a t i o n p r o g r a mm o d u l eb a s e do nh a r tp r o t o c 0 1 i nt h ed e s i g np r o c e s s ，i tw a sa d d e dt h ei n t e r f a c e c i r c u i tu s e dt oo u t p u tt h ei n t e r m e d i a t ev a r i a b l e s s oi tc a l ls h o wt h ec o n v e r s i o np r o c e s so f s i g n a l st ot h es t u d e n t s t h i sa r t i c l ei sb a s e do nt h ep r e v i o u sr e s e a r c h ，f u r t h e ri m p r o v ea n d p e r f e c ta s s i s t a n tt e a c h i n g e q u i p m e n tf o rs m a r tin s t r u m e n t i td e s c r i b e st h ed e s i g no ft h eo v e r a l lp r o g r a ma n dd e s i g n g u i d e l i n e s ， a n d c o m p l e t e s t h e v o r t e x a n a l o g c o n v e r t e rm o d u l ea n dd i f f e r e n t i a l p r e s s u r e - a n a l o gc o n v e r t e rm o d u l e a n di t a l s oc a r r i e so u ts o m eh a r tc o m m u n i c a t i o n p r o c e d u r e sa n dm o n i t o r i n gp r o c e d u r e s ，i m p r o v e st h ef u n c t i o n so ft h ee q u i p m e n t ，a n d b a s i c a l l ya c h i e v e st h ep r e d e t e r m i n e df u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t s k e y w o r d s ：s e l f - m a d et e a c h i n ge q u i p m e n t ；h a r tp r o t o c o l ；a n a l o gc o n v e r t e r 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：i 垒三日期：w 儿年月f 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版和电 子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位 论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和复印，将 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他复制手段 保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：耋坌吏。 指导教师签名： 辛挚午 日期：加d 年舌月f 日 日期：一年月f 日 中国油人学( 华东) 硕 ：学位论义 1 1 课题的背景及意义 第1 章绪论 现代信息技术的快速发展为高校教学仪器设备的改善提供了良好的技术条件。现代 化的教学仪器设备从很大程度上直接影响着学生的学习效率与学习质量。传统的纯理论 的教学方式既不利于学生积极主动的学习，又不利于培养学生的学习能力和实践能力。 实验因其直观性、实践性、科研性及综合性等独特条件，在高校的整个教学体系中占有 十分重要的地位，各高校也都在积极的进行实验室的建设。辅助教学设备应用于教学实 验是高等教育改革的大势所趋，符合了现代实验教育的要求。现如今教学仪器设备在高 校教学中的重要作用同益凸现，全国的各大高等院校都对自制教学设备的应用和发展十 分重视，它已经成为高校教学质量水平的一种具体体现。它可以起到改善教学条件、开 发创新实验项目、提高教学质量等作用【l 】。同时自制实验教学仪器设备对于满足实验教 学需要，推动实验教学改革，提高实验室技术水平，弥补经费不足均大有益处。在某种 意义上说，自制教学设备是教学仪器设备在研制和改进上的生命源。自制教学设备不仅 推动了教学内容和教学方法的改革，符合高校办学的具体要求，而且保证了学校科研课 题的落实和完成【2 l 。另外，自制教学设备与同类型的购置设备相比，其教学效果和经济 性都要更强。 现有的实验室罩的教学设备有些陈旧老化、精度不高、功能单一，已经不能满足需 要，阻碍了学生能力和素质的培养。作为全国2 1 1 工程的重点大学，中国石油大学( 华 东) 在自制教学设备的研制方面十分重视。中国石油大学( 华东) 信息与控制工程学院自动 化系结合自动化仪表类课程的教学实际，为改善目前的教学现状，立项资助并自行研制 了智能仪表辅助教学设备。经过几年的努力，该智能仪表辅助教学设备的研制已完成部 分工作，该课题是在已完成的工作基础之上，完成剩余的研制任务，并根据需要进一步 改进、完善和优化己完成部分的工作。 1 2 教学设备的国内外研究现状及发展状况 在国内，我国教育装备领域还处于相对落后的水平【3 1 。但在研制开发方面紧紧瞄准 国际趋势，努力实现赶超。国内许多高等院校具有自制教学设备的传统，而且随着近几 年来对自制教学设备问题的日趋重视，国内高校自制教学设备的数量也有所增加。例如， 第l 章绪论 哈尔滨工业大学白行设计制作了五种“机械系统方案设计与结构分析”实验设备；东南 大学结合教育部“电工电子教学基地”的建设，研制开发了一整套国内居先进水平的计 算机硬件应用实验设备；东方振动和噪声技术研究所的应怀樵教授研发完成大d a s p 虚 拟数据库和i n v 3 0 3 3 0 6 移动实验室，可以把“实验室拎着走 。另外如现场总线核心技 术、基因芯片生产技术等都跨入了世界先进行列。 自“九五”以来教育设备的发展进入了历史最好时期。全国各大院校实验室建设及 设备水平都在大幅度提高。尤其是“2 1 l 工程”项目学校、国家重点建设的大学，其实 验技术设备( 硬件) 水平是相当高的。实验室装备的教学科研仪器的品牌、型号、规格标 准等完全可与国外发达国家的同类院校媲美，而且在国内各种教育设备展览会应接不 暇。据统计，仅从2 0 0 4 年3 月至l o 月，已确定的参展计划就有2 2 项，几乎每十天就 有一个教育设备的展览会。 国外自制教学设备发展已经成熟，涉及的范围很广，许多设备已不仅仅用于教学， 还广泛用于工业生产。目前教学设备的研制和生产趋向智能化、微型化、集成化和芯片 化以及网络化。仪器设备的发展已成为国家的战略。发达国家仪器设备的研制已从自发 状态转入到有意识、有目标的政府行为上来。美、日、欧等发达国家早已制定各自的发 展战略并锁定目标，专门投入，以加速原创性仪器装备发明、转移( 化) 和产业化进程。 并企图遏止发展中国家仪器设备的自主研制。譬如墨西哥教学仪器公司生产的教学仪器 【4 l ，其产品设计精巧，提供给学生实验使用的钩码，废弃了传统钩码上下有钩，中间是 砝码的原始设计，而是采用互相啮合的连接方式，使连接更稳定牢固且使用方便。法国 生产的光具座，使用激光技术作为光源，支架和玻璃砖工艺精良，在屏幕上映出的光路 图清晰可见，教室不用遮光即可观察。 1 3 论文研究内容 在现代化的教学中，辅助教学设备的作用越来越重要。随着科技的进步，新型智能 化现场仪表的功能越来越多，一般具有数据的采集、存储、处理以及传输功能。为了在 仪表类课程的教学中演示这些功能，满足教学内容的需求，本课题研制了智能仪表辅助 教学设备，以提高相关课程的教学质量。 课题的设计是基于h a r t 总线协议的智能仪表，选择了温度、差压及涡街三类变送 器，研制出一套适于实验教学的基于h a r t 协议的智能仪表辅助教学设备，目的在于让 大家更清楚的理解这种智能仪表的工作原理和仪表基本的设计过程。设计样式采用实验 2 中圜石油大学( 华东) 硕士学位论文 箱样式。 课题设计由硬件、面板和软件三部分设计内容组成：在硬件电路的设计上，划分为 几个模块完成，主要模块有模拟信号转换模块、a d 转换模块、单片机模块、d a 转换 模块、液晶显示模块和通信模块。模拟信号转换模块完成信号的转换、放大及滤波；a d 转换模块实现模拟信号到数字信号的转换，送交单片机m c u 处理；单片机( m c u ) 模块 则是课题设计的核心，其主要功能有数据的采集和滤波、线性化处理、显示和输出控制 以及自校正功能；存储器的功能主要是存放工作参数、组念命令以及通信数据；d a 转 换模块的主要作用是将数字信号转换为4 , - - 2 0 m a 电流输出信号，同时还为芯片和部分电 路提供电源及参考电压，此外还有h a r t 信号耦合端，使h a r t 信号叠加在4 2 0 m a 电流信号上在环路上传输：通信模块的作用是完成m c u 与上位机相互间的通信；液晶 显示模块的作用是实现对数字信号处理信息及输出文本信息的实时显示。 面板的设计用于实现设备的教学演示功能，主要包括智能仪表的内部原理图、中间 信号变换的观察与测量、设备的工作状态显示和单片机复位控制等。 软件的设计由测控程序和h a r t 通讯程序两大部分组成。测控程序主要由数据采集 程序、线性化处理程序、数字滤波程序、量程调整程序、自校正程序、l c d 显示控制程 序、读写存储器程序组成；h a r t 通信模块的程序主要由d a 控制程序和h a r t 协议 通信程序组成。 本论文是在前面研究的基础上对辅助教学设备的进一步完善和改进，以前完成的课 题内容有： 1 、在硬件电路的设计上，完成了数字信号处理电路和温度变送器模拟信号转换电 路的设计与调试。并设计了相关的中间变量测量接口及演示面板。 2 、软件部分的设计方面，分模块实现了设备数据采集、定时中断、数字滤波、标 度变换、液晶显示及d a 转换等部分的功能，编写了h a r t 部分调试程序。 本论文进一步完成的工作有： 1 、h a r t 通信程序的编写完善、调试及优化。 2 、差压变送器的模拟部分的数据转换设计、制版及调试。 3 、涡街流量变送器的模拟部分的数据转换设计、制版及调试。 4 、辅助教学设备整体的硬件调试、软件调试及软硬件的结合调试。 3 第2 章辅助教学没备的歧计思想 第2 章辅助教学设备的设计思想 2 1 总体设计方案 依据国内外自制教学设备和智能仪表的发展现状，本课题采用模块化的设计思想【5 j ， 即将智能仪表内部电路结构进行细化，按照各个电路部分的功能划分成若干模块，然后 对各个模块进行设计、制作及改进。在该辅助教学设备的设计中还增加了测量中间信号 转化过程的接口，从而能够直观地把中间信号的变化呈现出来。整体设计样式采用实验 箱的样式，将内部原理框图绘制在面板上，使智能仪表的设计的基本过程和内部的工作 原理更易于学生理解。图2 一l 是设备整体设计的工作原理图： 图2 1 工作原理图 f i 9 2 - 1p r i n c i p l eo f a s s i s t a n tt e a c h i n gi n s t r u m e n t 本课题的具体设计思路为：首先，依据智能仪表辅助教学设备的功能要求做出总体 设计方案；其次，将软硬件分别进行具体细化设计，即按照模块化的设计思想将软硬件 两大部分细化为各个功能模块再对模块进行设计，遵循从整体到局部也即自顶向下的设 计原则。各个功能模块都是彼此相互独立的实体，可进行单独的设计和调试。在完成各 功能模块调试后，进行整体设备的组装并完成整体调试，进而完成整个系统的设计。 图2 2 为辅助教学设备的设计与开发的总体方案框图。如图2 。2 所示，总体设计步 骤如下： l 、辅助教学设备的硬件设计。绘制出辅助教学设备的电路原理图，然后分模块进 行设计、印制电路板及调试，最后进行硬件整体的调试和改进。 2 、辅助教学设备的面板设计。以现有实验箱的面板设计样式作为参考，设计出美 观实用、便于实现演示功能的实验箱。 3 、辅助教学设备的软件设计。采用模块化程序设计，将软件总框图中的各个功能 模块分别进行设计，逐级画出程序流程框图，编写程序并调试。 4 、辅助教学设备的整体组装调试。通过简单的实验检验整个设备的功能并进行必 4 中国缸油人学( 华东) 颀，i ：学位论义 要的改进和完善。 总体设计方察 l i i上 l 疆件设计l i 面板设计l l 软 稍殳计i l l 毒l i l工 援姒转援 致譬处理l 浇控毽字h a r t 通信程序 lli 弓申申自申 i 0l； 审申嚼 司厂 固覃孵 鼗 厂7 。i l 实骏摄安襞溺试 程序缡写 图2 - 2 总体方案 f i 9 2 2 b l o c kd i a g r a mo f o v e r a l ld e s i g np r o g r a m 2 2 模块化设计思想 本课题采用模块化设计思想【5 】，将辅助教学设备划分成具有独立功能的模块分别进 行设计和调试，然后把各个模块连接组合在一起进行设备整体的调试。采用模块化的设 计思想有以下优点：复杂的设计过程简单化。在硬件和软件的设计中，各个功能模块 都是相互独立的，可以完成独立地设计、调试和修改。辅助教学设备的工作过程简明 易懂。模块化的设计使学生更易理解智能仪表的工作过程，达到实验教学的目的。 由图2 2 可知，辅助教学设备的设计分为三大模块，即硬件设计、软件设计和面板 设计。每个大的模块下面又逐级分成各个小的模块，直至最后具有独立功能的单元模块。 硬件电路的设计分为模拟信号转换和数字信号处理两个电路模块的设计，模拟信号转换 电路是对了温度、涡街和差压信号的转换电路设计，数字信号处理电路包括a d 转换、 单片机、d a 转换、液晶显示和h a r t 通信模块的设计。软件设计模块分为h a r t 通 讯程序模块、主程序模块以及测控程序模块的设计。面板设计模块完成实验箱设计，实 s 第2 章辅助教学设符的设计思想 现辅助教学设备的演示功能。 2 1 3中间变量测量接口的设计 为了在教学中便于学生深入了解新型智能仪表的内部构成和工作过程，在各个模拟 转换模块的设计中均有中问信号转化过程的测量接口，使用万用表、示波器等测量设备 可对测量接口的电信号进行读取。在每个模拟转换电路模块设计中，增加了信号的测量 接口，用于测量和观察信号的实际转换过程，并且设备的工作状态可以由液晶显示模块 直观显示出来，以达到使学生理解智能仪表内部结构和工作过程的设计目的。 在辅助教学设备设计中的三个模拟信号转换电路模块及数字处理电路模块中，对中 间变量的测量都留出了测量接口，用于实验中学生对中间信号转换的观察和测量。下面 对各个硬件模块中的预留测量接口分别进行介绍。 图2 - 3 温度模块中间变量接口 f i 9 2 - 3i n t e r f a c eo fi n t e r m e d i a t ev a r i a b l eo ft e m p e r a t u r em o d u l e 温度模块：如图2 3 所示，是温度模块设计中留出的中间变量测量接口。温度模 块的原理是根据r t d 阻值随温度变化而变化的特性来检测热电阻( r t d ) 上的信号变化 6 1 。通过在r t d 上加载恒流源，从而引起其两端电压的变化。因此，设计的中间变量测 量接口用于测量r t d 两端的电压信号以及经过2 5 0 q 负载电阻两端的输出电压信号。 涡街模块：如图2 4 所示，交变压力作用于涡街流量变送器模拟转换模块的检测 元件上产生交变电荷信号，该电荷信号经过电荷放大器的前置放大、低通滤波器的滤波 限幅和施密特触发器触发整形后，输出电压方波脉冲信号，其频率等于漩涡分离频率i r ，j 【8 】。所以在涡街模块中，设计的接口将前置放大器的输出信号、低通滤波器的输出信号 和施密特触发器输出的脉冲信号作为测量的中间变量。 图2 - 4 涡街模块中间变量接口 f i 9 2 4 i n t e r f a c eo fi n t e r m e d i a t ev a r i a b l eo fv o r t e xm o d u l e 6 中固缸油大学( 华东) 硕士学位论义 图2 5 差压模块中间变量接口 f i 9 2 - 5i n t e r f a c eo fi n t e r m e d i a t ev a r i a b l eo fd i f f e r e n t i a lp r e s s u r em o d u l e 差压模块：如图2 5 所示，差压模块是将差动电容的相对变化量转换为差动电流， 然后经放大和输出限制电路处理后输出标准电流信号。为了演示中间信号的转换过程， 在差压变送器模拟转换电路模块中设计了3 个中间变量接口。c i 转换电路的作用是实 现差动电容值转换成差动电流信号，它由高频振荡器、解调器、振荡控制放大器三部分 组成【9 1 。所以设置的3 个中间变量接口用于测量高频振荡器的输出信号、解调器产生的 差动电流信号和经闭环反馈放大后的输出电流信号i o 。 i 图2 - 6 数字处理模块中间测量接口 f i g2 - 6 i n t e r f a c eo fi n t e r m e d i a t ev a r i a b l eo fd i g i t a lp r o c e s s i n gm o d u l e 数字处理模块【1 0 1 ：如图2 - 6 所示，数字处理模块的中间测量接口，用于观察h a r t 通信模块中信号的调制和解调过程。h a r t 调制解调器a 5 1 9 1 h r t 的i p x a 端用于监测 叠加在环路4 2 0 m a 电流信号上的f s k 信号，解调得到的数字信号经o r x d 端输出； i t x d 端接收m c u 发回的应答数字码，调制得到的f s k 信号经o t x a 端输出【l l 】【1 2 1 。 2 4 设备面板设计 辅助教学设备的面板设计是以便于学生理解智能仪表的内部构成和工作过程为设 计的目的，从而达到以实验辅助教学的教学目标。面板设计框图如图2 7 所示，面板上 实现的智能仪表辅助教学设备的演示功能有数字信号处理电路的原理、模拟信号转换电 路的中间量测量及单片机的复位等。 7 第2 市辅助教学设备的设计思想 图2 - 7 设备面板设计方案 f i 9 2 7d e s i g ns c h e m eo fe q u i p m e n tp a n e l 按照功能把辅助教学设备的面板划分为3 个区域： 模拟信号转换电路，主要作用是把差压、温度和涡街信号转换成标准电流信号。 设计完成了温度模块、差压模块和涡街模块三种信号转换电路板，这三个模块与实验箱 相对独立，可根据实验需求自行拆装。 数字信号处理电路，主要作用是采集模拟信号转换电路的输出信号后送到单片机 进行处理，经液晶显示模块把信号的转换过程显示出来。实现h a r t 通信功能，与上位 机进行通信。 复位和控制部分，包括单片机复位按钮、液晶显示屏的亮度调节按钮、电源丌关、 + 2 4 v 直流电源接口以及接地端。 8 中冈t i 油人学( 。仁东) 颂l ：学位论义 第3 章辅助教学设备的硬件设计 3 1 辅助教学设备的硬件设计 依照辅助教学设备的总体设计方案，硬件设计采用模块化的设计思想侈j ，即将硬件 电路进行逐步细化，使每一个模块就是一个具有独立功能的单元电路。在实际设计中， 首先分析设备的工作原理，根据功能划分模块，画出电路原理框图，然后对各模块单独 设计。画出各模块的电路原理图，并对实现电路的芯片进行选型，完成p c b 图的绘制； 其次，购买电子元器件和电路印刷板，焊接元件制作完成实验电路板：最后，对实验板 进行调试和改进。硬件设计由温度模拟转换模块、涡街流量变送器模拟转换模块、电容 式差压变送器模拟转换模块及数字处理模块四部分构成。本文主要完成涡街流量变送器 模拟转换模块和电容式差压变送器模拟转换模块的设计。 3 2涡街流量变送器模拟转换电路 3 2 1 涡街流量计测量流量的原理 涡街流量计也称为漩涡流量计【1 3 】，是2 0 世纪7 0 年代以来发展起来的基于流体震荡 原理工作的一种流量计，用于气体、蒸汽或液体流量的测量。涡街流量计在热电、石油、 化工、冶金等工业部门以及市政工程和环保行业得到了广泛的应用，主要用于实施计量 及检测和控制液体、气体和蒸汽( 饱和蒸汽、过热蒸汽) 的流量。 v 图3 1 涡街形成原理示意图 f i g3 - 1 s c h e m a t i co f v o r t e xf o r m a t i o n 涡街形成原理如图3 1 所示。在流体中垂直于流向的方向插入一根非流线型柱状物 体( 如圆柱或梯形柱等) ，即为涡街发生体。当流速大于一定值时，在柱状物的下游将产 生两列涡转方向相反、交替出现的旋涡，这两列平行的涡街称为卡门涡街。 实验证明，当涡列之间的间隔h 与漩涡之间的距离l 满足下列关系 厅7 _ o 2 8 1 ( 3 1 ) 时，卡门涡街才是稳定的，所产生的单侧漩涡频率f 和流体速度v 之间存在如下关系【1 4 】 9 第3 章辅助教学设备的硬件设计 式中仁单侧漩涡频率，h z ； v _ 漩涡发生体两侧的流速，m s ； f = s , v d d 一漩涡发生体的迎流面最大宽度，m ； ( 3 - 2 ) s 厂斯特罗哈尔数( 无量纲。当漩涡发生体几何形状确定时，在一定的雷诺数范围 内为常数) 。 流体的平均流速v 与卡门漩涡的产生频率f 成正比，测得f 可求得v 的值，由v 可 求得被测流体的体积流量。 在管道中插入漩涡发生体时，假设在漩涡发生体处，流通面积为a ，管道内径为d ， 漩涡发生体柱宽为d ，则漩涡发生体处的流通截面积为： 么= 讣韶 4 l万ld 当d d j 载波监听定时处理 间霜鬻盛，：一 间隔定时器正工作? 一一 发送，接收字节 间隔定时处理 定时鉴熏空作。二：一 定时器正工作? 一一一一一一 誓套妻器爹、二：一 正在工作? 一 恢复w ，恢复s t a t u s 定时器中断返回 响应定时处理 猝发周期定时处理 图4 - 1 4 定时器中断服务子程序流程图 f i g4 1 4 t i m e ri n t e r r u p ts e r v i c er o u t i n ef l o w c h a r t 字节发送接收f b j i 璃( g a p ) 定时器。h a r t 协议规定，传送接收的两个字节间的最 大时间问隔不得大于9 1 6 7 m s ，以避免干扰引起的通信错误。设g a p t i m e r 为控制位， 4 0 中困石油大学( 牛东) 硕l ? 学位论文 对定时单元进行减l 操作，当定时单元减为0 时，发送接收超时标志位置为1 。 帧响应时i h j ( t t o ) 定时器。从设备接收到主设备的请求帧后必须在规定的时间内 作出响应，在规定时间内从设备要发出应答帧。这个时间设定为2 5 6 m s ，并设立 t t o t i m e r 作为控制位。 猝发周期( b u r s t ) 定时器。两次猝发的间隔为7 5 m s ，以便有足够的时间响应上位 机的命令。设立b u r s t - t i m e r 作为控制位。 以上四个软件定时器都包括定时单元、控制位和超时标志位。启动软件定时器时， 相应的控制位置为l ，同时把计数值送到定时单元，超时标志位清0 。定时器中断的处 理过程是当定时器控制位为1 时，对该定时器的计时单元进行减1 操作，当计时单元的 值减为o 时，将定时器的超时标志位置为1 ，供程序判断处理用。 4 5 调试工具简介 辅助教学设备是采用p i c l 6 f 8 7 7 单片机进行设计完成的，因此选用m p l a bi c d 2 作 为软件调试工具。m p l a bi c d 2 是一款p i c 单片机开发工具，它集调试、编程于一体， 与m p l a b i d e 软件( v 6 0 以后版本) 结合可实现在线调试和程序下载，观测和检验程序 运行结果【3 5 】。它不仅是一个编程器，还是一个实时在线调试器。它的主要功能特性有： 编辑源程序； 在源程序界面直接调试； 可设置1 次断点一个； 观察变量和寄存器； 观察程序代码区； 修改寄存器； 停止冻结( 当上位机停止运行程序时，冻结芯片的运行) ； 过电压短路保护电路； 实时背景调试。 使用m p l a bi c d 2 可以完成以下三项工作： ( 1 ) 软件调试：将自己编写的源程序在实验电路板中实时运行和调试： ( 2 ) 硬件调试：对自制的电路板上的电路用自己编写的源程序来调试及检验： ( 3 ) 程序固化：采用在线串行编程技术( i c s p ) 将目标程序烧写到目标单片机中。 使用m p l a bi c d 2 进行开发的过程由四步组成：首先，把m p l a bi c d 2 作为当前的调 4 1 第4 章辅助教学设备的软件设计 试工具，将应用代码烧写到目标板中；其次，调试应用程序：再次，修改源代码，重 新编译项目，并重复上述步骤，直到应用程序按照设计正常运行：最后，将m p l a bi c d 2 作为当前的编程器，对目标板中使用的器件编程。 在编写程序时，目标单片机不需要时钟，但必须提供电源。m p l a bi c d 2 在v p p 引 脚上加编程电压，在p g c 引脚上发送时钟脉冲信号，在p g d 引脚上发送串行数据。给 p g c 发送时钟脉冲信号，使用p g d 读回数据即可校验p i c l 6 f 8 7 7 单片机是不是实现正 确编程，这与p i c 单片机的i c s p 协议一致。此外需注意的是，在编程时，程序存储器中 的首条指令( 地址0 x 0 0 0 0 ) 必须放置一条空操作指令n o p 。图4 一1 5 是利用m p l a bi c d 2 进 行软硬件调试的流程图。 4 2 中国石油人学( 华东) 硕r j ：学位论义 图4 1 5m p l a bi c d2 软硬件调试的流程图 f i g4 15m p l a bi c d2t od e b u gh a r d w a r ea n ds o f t w a r ef l o w c h a r t 4 3 第5 章实验及结果的分析 第5 章实验及结果的分析 在完成智能仪表辅助教学设备的软硬件设计和整体调试后，为了验证辅助教学设备 测量数据的准确性，根据现有的实验条件，进行了部分智能仪表辅助教学设备的相关实 验与测试。主要完成的测试有： ( 1 ) 涡街流量变送器模拟转换模块中间信号的测试； ( 2 ) 差压变送器模拟转换模块中间信号的测试； ( 3 ) 数字处理模块中间变量接口信号的测试。 以上的测试实验都是针对辅助教学设备的的研制目的进行的，即通过对中间信号的 转换过程的测试了解智能仪表的工作原理，达到实验教学的目标。 5 1涡街模块中间变量测试 5 1 1前置放大器输出信号的测试 ( 1 ) 电路原理介绍 电荷放大器。 图5 - 1电荷放大器原理图 f i 9 5 - 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fc h a r g ea m p l i f i e r 如图5 1 所示，电荷放大器电路中共模输入电压为v 。，差动输入电压为1 2 e s 。由 图可得 由式( 5 1 ) 可得 巧= 圪+ 等 巧= k 告 ( 5 1 ) 中囝石油人学( 华东) 颂i ：学位论文 ie = k k 。 k 如k ) 2 根据电路图可得= 夏霸( k 一圪) + 圪 ( 5 - 3 ) 式中：k 一电容c l ，的容抗；量。，- - 电容- c , ，的容抗。 因为流过c i ：的电流与流过c l 。、蜀：的电流相等则有： 簪：磊告( 其中砭：) ( 5 - 4 ) 五? 1 2墨20 1 4 2 ( 1 + 訾 捌一i r l l x c m + 訾 刹+ i l l x c 卸 十( t + 警) 而x ( l l 圪 ( - + 訾) - 蒜4 - 掐r 焉一訾= 。 仔6 ， lx c l 2jx c l l 【1 30 x c i3 ) x c l 2 为了使电路得到较高的共模抑制比，在器件的选取中，成对选择输入电容c 1 ，与c 1 ：、 偏流补偿电阻r 。，与反馈电阻墨：，输入平衡电容c l ，与反馈电容c 1 。，即有外部回路电阻 fr 1 3 = 蜀2 c 1 ，= c l ： ( 5 7 ) 【c l ，= c 1 。 巧：挚 ( 5 8 ) 数。因此，要想得到不同的墨，值，选取不同的阻抗比值即可。 4 5 第5 章实验及结果的分析 一是使电荷放大器的直流工作点保持稳定；二是与c 1 2 构成低通滤波器，滤除输入信号 中的高频干扰信号。 可调增益电压放大器。 图5 - 2 可调增益的电压放大器 fi9 5 2g a i na d j u s t a b l ev o l t a g ea m p l i f i e r 如图5 - 2 所示，电路设计中r l = 5 1 k q ，r 2 = 3 0 0 k q ，电位器g b 阻值为i o o k q 。 其增益计算式为： g ( j w ) = 1 + r 1 + l r g b ( 5 - 9 ) 由公式( 5 - 9 ) 可知，通过调节如可以改变放大器的增益。 ( 2 ) 当c i 4 = 1 8 0 p f 时，对设计的电路板中的前置放大器输出信号测量得： 如图5 3 所示，当输入峰值为o 8 m v 的4 0 0 h z 正弦信号时，电路模拟仿真得到的 电荷放大器输出波形。图中横坐标为1 m s 格，纵坐标为2 v 格。 弋、二f 一，、l 一 图5 3 高峰值2 9 1 v ，低峰值2 0 9 m v ，频率4 0 0 h z f i 9 5 - 3h i g hp e a k2 9 1 v , l o wp e a k2 0 9 m v , f r e q u e n c y4 0 0 h z ltil ； l 图5 - 4 高电平3 4 2 v ，低电平1 5 8 m v ，频率4 0 0 h z f i 9 5 4h i g h3 4 2 vl o w1 5 8 m v , f r e q u e n c y4 0 0 h z 如图5 - 4 所示，对电位器g b 进行调节后，电路模拟仿真得到的可调增益电压放大 4 6 中固石油人学( 华东) 硕1 - 学位论义 器输出波形。图中横坐标为1 m s 格，纵坐标为2 v 格。 如图5 5 所示，当输入峰值为1 0 m v 的2 5 0 0 h z 正弦信号时，电路模拟仿真得到 的电荷放大器输出波形。图中横坐标为1 m s 格，纵坐标为2 v 格。 llll llli illi 图5 - 5 高电平3 2 1 v ，低电平1 7 8 v ，频率2 5 0 0 h z f i 9 5 - 5h i g h3 2 1 vl o w1 7 8 m v , f r e q u e n c y2 5 0 0 h z 如图5 - 6 所示，对电位器g b 进行调节后，电路模拟仿真得到的可调增益电压放大 器输出波形。图中横坐标为l m s 格，纵坐标为2 v 格。 l il i t 图5 6 高峰值3 4 2 v ，低峰值1 5 8 v ，频率2 5 0 0 i - i z f i 9 5 - 6h i g hp e a k3 4 2 vl o wp e a k1 5 8 m v , f r e q u e n c y2 5 0 0 h z 由以上两组信号测试的图形可以看出： 当涡街信号的频率比较低时，用于检测涡街信号的压电传感器输出的电荷信号比较 微弱( 图中为输入的峰值08 r n v 的4 0 0 h z 正弦信号) ：当涡街信号的频率升高后，压电传 感器输出的电荷信号增强( 图中为输入的峰值1 0 m v 的2 5 0 0 h z 正弦信号) 。调整电位器 g b 可得到不同的电压放大器的放大倍数。 5 1 2 滤波限幅电路的分析 图5 7 简化的低通滤波原理图 f i 9 5 7 s c h e m a t i cd i a g r a mo fs i m p l i f i e dl o w - p a s sf i l t e r 4 7 第5 章实验及结果的分析 滤波电路的电路图如图5 7 所示。设计中采用反向输入低通滤波器实现滤波作用。 滤波电路中，当厂= 0 时，c ，和c 均开路，故通带放大倍数为 a u - 。一百瓦4 由于n 点虚地，所以m 点的电流方程为： u i ( s ) - u 材( s ) ：u m ( s ) 牟塾盟 r 3 l上 马2 s c l 同理n 点的电流方程为： 型堕一二丝盟 如划i 去 设计中选取r 3 ，= 马：则有： 舶，= 币者蒜而= 丽丽焉装面 根据低通滤波器传递函数 4 ( s ) ：1 生( 其中a u p 为滤波器通带增益) s 1 + a c o o s i = 一1 其中 ( - 0 0 2 鱼鱼+ 盟 、jq r 3 1 、q r 3 。 得幅频特性为 ( c o ) = ( 5 一l o ) ( 5 - 1 1 ) ( 5 - 1 2 ) ( 5 - 1 3 ) ( 5 - 1 4 ) ( 5 - 1 5 ) ( 为上截止角频率，口为阻尼系数) ( 5 - 1 6 ) 当缈= 0 时，- ( c o ) = 1 ，一0 0 ，日( 国) = o 。 4 8 ( 5 - 1 7 ) ! 望鱼些苎兰! 兰苎! 些i 兰丝堡! 得截止频率为 。五习焘( 5 - 1 s ) 如图5 - 8 所示，根据幅频特性公式( 5 1 7 1 作出的4