（机械制造及其自动化专业论文）基于can总线的智能流量检测仪表与系统的研究开发.pdf

浙江大学颐十学位论文 摘要 恐3 9 9 7 0 本文在分析国内外电磁流量计发展现状的基础上，综合应用新型微处理器、 计算机软硬件及现场总线技术，开发集电磁流量传感器、转换器、积算仪于一体的 基于c a n 总线的智能流量检测仪表与系统。伪满足电磁流量检测仪表与系统发展需 要，增强系统开放性、可靠性和通讯功能，首次将c a n 总线技术应用到电磁流量检 测仪表系统中，对提高我国电磁流量检测技术水平其有积极意义和重要应用价值。 硬件实现中，提出可编程励磁新技术，同时对小信号放大、v f 转换、量程自动切 换、电源监视和掉电保护及c a n 通讯接口等重要电路作了洋细分析和设计。系统软 件丌发中，提出引用w i n d o w s 消息驱动程序设计思想构建单片机系统软件体系结构 的新思想，并基于此思想建立了本项目控制软件体系结构，开发出具体软件功能模 块。最后对项目进行了系统总成和测试及总结和展望。哆 第一章回顾了电磁流量计发展历史，综述了其技未发展动向和应用现状，介 绍了现场总线仪表系统产生的原因、特点、发展趋势和作用。最后根据目前国内外 电磁流量计发展现状及实际需要，论证开发基于c a n 总线的智能流量检测仪表系统 的必要性及其意义，并给出本文的研究内容及总体安排。 第二章介绍了电磁流量计的基本原理和c a n 总线技术基础，并针对c a n 总线 的特点重点研究分析了其协议的分层结构、技术规范、报文传输、帧结构及c a n 总线接口电气连接方式等内容 第三章根据本项目实际应用情况以及用户要求，对项目进行了任务分析，确定 设计原则，同时对电磁流量仪表系统开发所涉及到的相关技术进行了分析、研究、 比较和论证，提出使用可编程励磁新技术，确定了系统各功能模块所采用的技术实 施方案，建立了基于c a n 总线的智能型、一体式电磁流量检测仪表系统的总体结 构，并分析了系统各组成部分的作用。 第四章根据系统设计任务、设计原则以及总体设计方案重点介绍了小信号放 大电路、模数转换、可编程励磁技术、量程自动切换、c a n 通讯接口以及系统抗干 扰等硬件功能模块电路设计。 第五章介绍了消息驱动思想产生的背景，阐述了w i n d o w s 消息驱动工作原理， 提出引用v i n d o w s 消息驱动程序设计思想构建单片机系统软件体系结构的新思想， 并在此思想的指导下建立了本项目软件开发体系结构，开发出项目软件功能模块。 f 第六章在前面工作的基础上进行了系统总成和测试试验。 羚七章对全文工作进行总结和展望。、j 关键字 电磁流量计，c a n 总线j 单片毗积算仪，励磁技术，v f 转换器i 消 启冯动 ，、 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a f t e r h a y i n ga n a l y z e de l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e r t e c h n o l o g y d e v e l o p m e n ts t a t u sa n dt r e n d ，u s in gn e wm c ua n dc o m p u t e rh a r d w a r e s o f t w a r e t e c h n o f o g ya n df i e l db u st e c h n 0 1 0 9 yt od e v e l o pi n t e l l i g e n tf l o wm e a s u r e i n s t r u m e n t s y s t e mb a s e do nc a nb u si sp r e s e n t e d i no r d e rt om e e ts y s t e m s n e e d s ，e n h a n c es y s t e m so p e n i n g ，t e l i a b n i t ya n dc o m m u n i c a t i o nf u n c t i o n ， c a nb u st e c h n o l o g yi sa p p l i e dt of l o wm e a s u r e s y s t e mf o rt h ef i r s tt i m e i nh a r d w a r er e a l i z a t i o n p u t sf o r w a r dp r o g r a m m a b l ee x c i t a t i o nt e c h n o l o g y a tt h es a m et i m et i n ys i g n a la m p l i f y ，v fc o n v e r s i o n ，s c a l ea u t o m a t o ns w i t c h a n dc a nc o m l n u n i c a t i o ni n t e f f a c ea r ea n a l y z e da n dd e s i g n e d i ns o f t w a r e d e v e l o p m e n t a n e w t h i n k i n g t h a tr e f e r e n c ew i n d o w s m e s s a g e d r i v i n g p r o g r a m m i n gd e s i g nt h i n k i n gt oe s t a b l is hm c us y s t e ms o f t w a r ea r c h i t e c t u r e isp r e s e n t e d u n d e ri t sd i r e c t i o n s e tu pt h isi t e m ss o f t w a r ed e v e l o p m e n t a r c h i t e c t u r e ，a n dd e s i g n e ds o f t w a r ef u n c t i o n sm o d u l e i nc h a p t e r1 ，l o o kb a c ke l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e rd e v e l o p m e n th i s t o r y s u m m a r i z e di t s t e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t t r e n da n d a p p l i c a t i o ns t a t u s ， i n t r o d u c e df i e l db u si n s t r u m e n t s c h a r a c t e r i s t i c d e v e l o p m e n tt r e n da n d r o l ea t l a s t ， a c c o r d i n g t o e l e c t r o m a g n e t i c f l o m l l e t e r t e c h n o i o g y d e v e l o p m e n t s t a t u sa n dt r e n d 。d e m o n s t r a t e dt h a ti ti s n e c e s s a r y a n d s i g n i f i c a n tt od e v e l o pi n t e l l i g e n tf l o wm e a s u r ei n s t r u m e n t s y s t e mb a s e d o nc a nb u s i nc h a p t e r2 ， e l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e rh a s i cp r i n c i p l ea n dc a nb u s b a s i c t e c h n o l o g y isi n t r o d u c e d i na l l u s i o nt oc a nb u s t e c h n o l o g y c h a r a c t e r i s t i c ，r e s e a r c h e da n da n a l y z e dt e c h n o l o g yc r i t e r i o n ，m e s s a g e t r a n s m is s i o n f r a m es t r u c t u r ea n dc a nb u si n t e r f a c ee l e c t r i cc o n n e c t i o n m o d e i nc h a p t e r3 ， a c c o r d i n gt ot h i si t e ma p p l i c a t i o na n dc o n s u m e rd e m a n d ， s u m m a r i z e ds y s t e md e s i g nt a s k sa n dr u l e s ，r e s e a r c h e ds o m eo ft h es y s t e m s k e yt e c h n o t o g y ，p u tf o r w a r dp r o g r a m m a b l ee x c i t a t i o nn e wt e c h n o l o g y ，b u i l t s y s t e md e v e l o p m e n ta r c h i t e c t u r ea n da n a l y z e da l lm o d u l e s f u n c t i o na n d i t sr o l e i nc h a p t e r4 ，a c c o r d i n gt os y s t e md e s i g nt a s k s ，r u l e sa n dt o t a lp r e c e p t ， s o m eo fi m p o r t a n th a r d w a r ec i r c u i t s ，t i n ys i g n a la m p l i f y ，v fc o n v e r s i o n ， p r o g r a m m a b i ee x c i t a t i o nt e c h n o l o g yr e a l i z a t i o n ，s c a l ea u t o m a t i o ns w i t c h ， c a nc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ea n da n t i i n t e r f e r e n c e a r e a n a l y z e d a n d d e s i g n e d f n c h a p t e r5 ， a f t e rh a v i n ge x p l a i n e dt h ew o r kp r i n c i p l eo fw i n d o w s m e s s a g e d r i v i n g an e wt h i n k i n gt h a tr e f e r e n c e w in d o w sm e s s a g e d r i v i n g p r o g r a m m i n gd e s i g nt h i n k i n gt oe s t a b l i s hm c us y s t e ms o f t w a r ea r c h i t e c t u r e i sp r e s e n t e d u n d e ri t sd i r e c t i o n b u “tt h i si t e m ss o f t w a r ed e v e l o p m e n t a r c h i t e c t u r e 。a n dd e s i g n e ds o f t w a r ef u n c t i o n sm o d u l e i nc h a p t e r6 ， s y s t e mi n t e g r a t i o na n dt e s t i nc h a p t e r7 ，t h em a i nc o n c l u s i o n so ft h i sd i s s e r t a t i o na r es u m m a r i z e d a n dt h ef u t u r er e s e a r c hw o r kis p u t f o r w a r d k e y w o r d s ：e l e c tr o m a g n e t i c f l o w m e t e r m c u ，c a nb u s f l o wt o t a liz e r e k e i t a t i o nt e c h n o l o g y v fe o n v e r s i o n ， m e s s a g e d r i v i n g 浙江大学硕卜学位论文 第一章绪论 【内容摘要】本章在综述电磁流量计的发展历史、技术发展动向和应用现状的基础上，介绍了 现场总线仪表系统产生的原因、特点、发展趋势和作用。最后根据目前国内外电磁流量计发展 现状及实际需要，论证开发基于c a n 总线的智能流量检测仪表系统的必要性及其意义，并给出 本文的研究内容及总体安摊。 1 1电磁流量计发展历史 1 1 1电磁流量计发展的历史乜”2 ”1 1 大家知道，当导体在磁场中作切割磁力线方向运动时，就会产生一个方向与 磁力线和导体运动方向垂直、大小与磁感应强度和导体运动速度成正比的感应电动 势。这就是英国物理学家法拉第在1 8 3 1 年发现的电磁感应定律。电磁流量计是根 据法拉第电磁感应定律研制成的一种测量导电液体体积流量的仪表。 1 8 3 2 年，法拉第在英国泰晤士河滑铁卢桥两头放下两根电极，想利用地磁场 以河水作为导体来测量河水的流量，这是世界上最早利用电磁感应原理测量流量试 验。可是当时测出来的感应信号未能反映河水的流量，而全是于扰信号。后来有人 分析法拉第失败原因时认为，感应信号的失真不仅与电化学的极化作用和热电效应 的影响有关，而更重要的是当时测量技术落后所致。 到1 9 1 7 年，史密斯和斯皮雷安曾将电磁感应原理用于制造船舶测速仪，并且 应用交流磁场来消除极化作用。1 9 3 0 年，威廉斯等人对电磁流量计工作原理进行 了数学解释，分析被测液体流速在测量管横截面上各点分布不均匀性以及液体的导 电率对感应电势的影响，同时也解释了在电磁流量计中可能产生干扰的一些原因。 自此以后，才有了比较系统的电磁流量计基础理论。但他们的研究大多属于理论分 析，还不能做出有实用价值的电磁流量仪器。 1 9 3 2 年以后，生物学家柯林等人根据法布伦的建议，利用电磁流量计来测量 和记录瞬时动脉血液流量，并且获得成功。不过当时还只能作为实验室专用仪器， 并没有得到广泛应用。 第二次世界大战以后，原子能工业有了迅猛地发展，因而测量液态余属的永 磁流量计力得以发展起来，并在这些特殊工业的试验和生产中得到应用。但是，由 于当时电子技术还没有得到相应的发展，因此，它的使用领域还不能扩大到一般的 工业中去。 1 9 5 1 年，荷兰人首先在挖泥船上采用电磁流量计测量泥浆流量。后来，电磁 流量计在美国一般工业中得到应用。i 9 5 5 年，日本研制成功电磁流量计，并不断 进行推广应用。 到了五十年代后期，由于电子工业飞速发展，自动化程度不断提高，尤其是 电子计算机和程序控制系统在工业上开始应用，要求检测仪表除了更加稳定可靠、 进一步提高精度外，还要求仪表的输出信号有统一标准，以便能方便、迅速地进行 测量、控制、调节和数据处理。电磁流量计在用户需求的驱动下，经过不断改进而 发展成为一种性能优异的流量仪表，并逐步在工业中得到广泛应用。 浙江大学硕士学位论文 1 1 2电磁流量计发展现状 一、技术发展动向 1 、提高仪表智能性“、“、”、6 7 - 7 21 。仪表的智能性主要是功能上的智能性， 特别是近年来新型微处理器的出现和应用，使仪表通过软件控制和管理整个测量和 工作过程得以实现，充分发挥出微机的功能和灵活性。另外，流量仪表的智能性还 体现在空管检测、正反向流量测量、小信号处理、非线性补偿、数字滤波、零点 自校准等新功能的增加上。 2 、提高励磁技术水平，改善测量性能“3 “、4 ”4 “5 2 - 5 4 o 测量精度和稳定性 是电磁流量计的重要技术指标，并与所采用的励磁技术密切相关。随着电磁流量计 和电子技术的发展，励磁技术也从直流励磁、交流励磁、低频矩形励磁发展到三值 低频矩形励磁及双频励磁技术阶段，其目的就是为了减少干扰、提高检测精度和仪 表零点稳定性。目前低频矩形励磁和三值低频矩形励磁已成为国外电磁流量励磁方 式的主流。另外，国外还出现了可由微机控制励磁电压，可按被测流体性质选用所 需励磁方式，并能根据各种励磁方式进行信号运算处理，准确地找出被各种噪声埋 没的流量信号的智能电磁流量计。 3 、增强信号处理能力，减小测量误差“7 1 - 7 z o 智能化电磁流量计经降低励 磁电流、改进传感器结构及其磁通分布密度，使其小型、轻量一体化的目标得以实 现，但其单位流速电感也变得更小，而对于不同的测量介质，流量传导内阻变化很 大，增加了信号处理的难度。随着微电子技术和计算机技术的进步，用高性能集成 芯片和微处理器来提高信号放大处理精度、拓宽仪表检测量程、补偿检测误差及零 点校准已成为当今仪表的发展方向之一。同时，在软件上采取非线性补偿和数字滤 波等高级处理能力也是增强仪表信号处理能力、减少测量误差的一个重要举措。 4 、提高系统的开放性“”- 3 7 、“- 2 、“”。系统的开放性包括硬件电路开放 性、软件结构开放性、通讯接口开放性以及人机界面开放性。增强系统开放性有利 于系统功能扩展、仪表间的互联以及系统组网，更有利于操作和维护。随着现场总 线技术发展和日趋成熟，流量仪表工业进入了新的发展时期。目前，国外各大公司 纷纷推出新一代各具特色的智能化流量仪表，其中，基于现场总线的智能化电磁流 量计的开发尤其引人注目。 二、应用现状n 5 、2 7 、”1 电磁流量计是一种测量导电介质体积流量的计量仪表，它主要由电磁流量变 送器、流量转换和处理仪表等部分组成。具有无节流阻流部件，不易堵塞，耐腐蚀 性好，适用介质范围广；测量精度不受被测介质温度、粘度、密度、压力、比重等 物理参数的影响，其示值与被标定的液体种类在一定的导电率范围内无关等特点。 除可测量一般液体的流量外，还可测量液固两相流、高粘度液流及盐类、强酸、强 碱液体的体积流量。可广泛应用于水泥、化工、轻纺、冶金、矿山、造纸、医药、 给排水、食品饮料、制糖、酿造等工业技术部门，特别是在环保领域，电磁流量仪 表已成为定量管理企业污水排放的有力手段。 电磁流量计在当代十大流量仪表品种( 差压式、浮子式、容积式、电磁式、涡 轮式、涡街式、超声式、科羁奥利质量式、热式和明渠式) 中，销售金额和生产台 数分别居于第3 位和第4 位。9 0 年代中期，世界范围电磁流量计销售金额约占工 浙江大学硕l 学位论史 业用流量仪表( 不包括家用水表和家用煤气表) 的1 5 。f r o s ta n ds u l l i v a n 市场 信息公司( 荚) 估计，1 9 9 4 年全球销售台数为9 5 一i 2 5 万台之间，并且每年以2 5 的比例增加。 当前国外著名电磁流量计专业生产厂有5 0 家以上，其中美国至少有1 8 家， 德国和日本至少各有1 0 家，英国至少有5 家。有竞争力和有一定生产规模的电磁 流量计专业制造企业有：b a i l e y f i s c h e r p o r t e r 、k r o h n e ，横河，e n d r e s s + h a u s e r ，a b b k e n t t a y l e r ，f o x b o r o ，山武， 3 r o o k r o s e m o u n t ，d a n f o s s ，东 芝，富士电机，t u r b o w e r k ，s p a r l i n g 等( 大体上按市场占有率排序) 。 我国电磁流量计在工业上应用始于6 0 年代初，其中上海光华仪表厂是国内首 家提供产品的企业。目前国内仪表行业已可提供较为完整的系列仪表，其中最大口 径已可做到3 m ( 上海光华爱而美特仪器有限公司) 。近年国内电磁流量计全国销 售台数估计在8 5 0 0 一1 0 0 0 0 台之间，并且每年以3 5 的比例增加。迄今我国至少 有2 l 家电磁流量计制造厂，产量排在前4 位的是：上海光华爱而美特仪器有限 公司、开封仪表厂、上海横河电机有限公司和上海光华仪表厂，它们占有电磁流量 计中国市场8 0 左右的份额。 1 1 3电磁流量计的优缺点 电磁流量计之所以能在较短的时间内得到较快的发展，主要与以下优点有关： 1 、变送器结构简单可靠，没有可动部分，也没有阻碍被测介质流动的节流部 件，不会发生阻塞问题。因此，电磁流量计特别适用于测量液固两相介质，像带有 悬浮物、固体颗粒、纤维等或粘性较大的导电性浆液，也可以用来测量泥浆、污水、 矿浆、纸浆、化学纤维等介质流量。由于变送器的测量管直通无死角，便于清洗和 灭菌消毒，因此，电磁流量计特别适用于食品、制药工业，如用来测量玉米浆、果 酱、糖浆、药浆或血液等特殊介质的流量。 2 、由于没有节流部件，被测介质在变送器的测量管内流过时几乎没有压力损 失，仅有可忽略不计的沿程阻力。 3 、电磁流量计是一种体积流量测量仪表，它不仅可测量单相导电性液体流量， 也可测量液固两相介质流量，而不受被测介质的温度、粘度、密度、压力、比重以 及导电率( 在一定范围) 等物理参数变化的影响。电磁流量计标定后就可以用来测 量其它导电性液体或液固两相介质的流量，而不需附加修正值。这也是其它类型流 量计所不具备的优点。 4 、电磁流量计量程范围极宽，而且可任意改变量程。而孔板、文丘利管等类 型的流量计其最大额定流量是由压差决定的。在设计计算时，按被测介质的各种参 数选定，在使用中一旦参数改变，就会带来测量误差，甚至原先选用的流量计不能 使用，这给使用者带来很多不便。电磁流量计只与被测介质的平均速率成正比，而 与被测介质种类无关，这就给使用者带来很大方便。 5 、电磁流量计无机械惯性，反应灵敏，可以测量瞬时脉动流量，而且线性好， 可将测量信号直接用转换器线性地转换成标准信号输出。 6 、耐腐蚀性能好。由于电磁流量计与液体接触的部分只有测量管衬里和电极 表面，因此可根据被测介质的物理化学性质选择合适材料。 7 、安装、使用维护方便，使用寿命较长。 尽管电磁流量计具有上述许多优异的性能，但在使用上也存有一定的限制。它 的不足之处有： 浙江大学硕士学位论文 1 、电磁流量计不能测量气体、蒸汽以及含大量气泡的液体。 2 、电磁流量计目前还不能测导电率很低的液体，如石油制品或有机溶剂等。 3 、由于衬里材料和电气绝缘材料的温度限制，目前一般工业电磁流量计还不 能测量高温介质。 此外，电磁流量计要求避免外界强磁场的干扰，并对仪表接地措施有一定的要 求，如果处理不当，就会影响仪表的正常运行。 1 2 现场总线仪表 过程控制系统体系结构从第1 代基地半自动检测系统、第2 代单元组合仪表 系统、第3 代数字化集中控制系统发展到第4 代d c s 系统 3 6 - 5 9 1 0 与前3 代相比， d c s 系统发生了质的变化，可以说是一次革命，但仍存在不少问题，如比较突出的 兼容性问题。第一，供应商的系统各不相同，用户一旦选择，便完全处于一种功能 需求和投资的被动地位：第二，d c s 中的各级通信虽然部分己采用i e c 的过程数据 公路p r o w a y 标准，但仍基本属于按各制造商本身的通信协议工作的非开放系统。 在管理级和监控级是数据总线通信，而处于现场的控制级与监控级通信则采用4 2 0f i l a 模拟信号。在一个d c s 系统中，现场仪表占得比例最大，数量最多，一对一 的布线方式使系统庞杂，安装费用大，初期投资高。4 2 0m a 的现场通信方式， 使管理人员、操作人员在管理级和监控级上不能直接获得现场仪表工作状态，不能 直接对参数进行调整或改变运行方式。某些d c s 新产品即使软件硬件及功能得到很 大改善，但由于4 2 0m a 现场通信方式，使其扩容和发展受到限制。 在这样的实际背景下，现场总线为现场设备接口智能化、网络化、标准化和 低成本提供了可能性。以现场总线为基础的第5 代过程控制体系结构呼之欲出。现 场总线是过程控制技术、仪表技术和计算机网络技术3 个不同领域结合的产物。当 过程控制技术由分立设备发展到数据、设备共享，仪表技术由简单电子仪表发展到 智能仪表，工业计算机网络技术由m a p 制造自动化协议网发展到现场网络技术时， 必然会走向现场总线1 5 6 - 5 9 1 。 现场总线的节点是现场仪表或现场设备，如传感器、变送器、执行器等。但 它们不再是传统意义上单功能的现场仪表，而是有综合功能的微机化仪表。每台仪 表内都有一台( 或以上) 微处理器，既有c p u 、内存、i 0 接口、通信接口等，有 非电量信号检测、变换、放大、处理等模拟电路，还有数据采集、控制输出等模数 混合电路，具有硬、软件结合的技术优势和比传统仪表更为优越的性能。其综合功 能可举例说明，流量变送器不仅具有流量信号变换和补偿功能，而且有p i d 调节和 其它运算功能；调节阀不但能进行信号驱动和执行，还能做输出特性补偿、自校验 和自渗断。用于过程自动化的基本现场仪表或设备如下： l 、变送器，常用温度、压力( 差压) 、流量、物位和分析五大类变送器，每 类又有很多品种。变送器既有检测、变换和补偿功能，又有p i d 控制和运算功能； 2 、执行器，常用电动、气动两大类执行器。执行器的基本功能是驱动和执行， 但内含调节阀输出特性补偿、p i d 控制和运算等功能，还有阀门特性、状态自校验 和自诊断功能。 ：3 、j 监控发备，工程师站提供现场总线组态，操作员站提供工艺操作与监视， 计算机站用于优化控制与建模。 现场总线仪表系统具有以下优点： 1 、消除了4 2 0m a 模拟信号通讯瓶颈现象； 浙江大学硕士学位论文 2 、为用户提供更多功能： 3 、减少i o 装置，降低布线量和安装成本 4 、增强系统的自治性： 5 、提高检测精度和鲁棒性； 6 、用户拥有更大的选择权； 7 、调试维护方便，使用寿命长。 总之，现场总线将使仪表的发展产生以下根本的变化： l 、用多变量、双向、数字通信方式代替传统仪表的单变量、单向、模拟传输 方式。 2 、一对信号线只能连接一台模拟仪表的形式将变成一对信号线连接多台微机 化仪表的形式。 3 、多功能的微机化现场仪表代替单功能的现场模拟仪表。 1 3 本课题研究意义 流量检测仪表与系统可广泛应用于水泥、化工、轻纺、医药、造纸、给排水、 食品饮料等技术部门，其产品的性能、质量和可靠性对上述企业的经济效益有着重 要的影响。特别是近几年来，随着我国改革开放的进一步深入、社会经济的高速发 展，大量的工业污水无序排放已严重影响到我国水资源环境和社会、经济的可持续 发展，因此，企业污水监督和控制已成为环保等政府职能部门的重要工作任务，而 计量污水排放的流量仪表系统则是定量管理企业污水排放不可或缺的工具。 电磁流量检测仪表是利用法拉弟电磁感应原理制成的测量导电流体体积的仪 表，与现有各种非电磁流量检测仪表相比，性能好，适用范围广，是目前应用最广 泛的流量仪表之一。 我国经过多年的技术探索和产品开发，虽然已在电磁流量检测仪表开发方面取 得了一定的成绩，但由于起步迟、起点低，还处于比较落后的状况。主要表现在： 1 、功能弱。目前国产的流量检测仪表一般只有信号放大、转换、积算、记忆 保存及显示等基本功能，而缺少正反向流量检测、空管检测等高级功能。 2 、检测精度低。国产流量仪表多数缺乏量程自动切换、零点自校准、小信号 切除、非线性补偿以及数字滤波等高级信号处理能力，影响了流量检测精度。 3 、可靠性不高。系统设计存在不足，信息转换环节多，增加了信号处理的中 间环节和信号之间的连线，易引入干扰信号，影响系统的检测精度和抗干扰能力。 另外，没有很好地采用有效的软硬件容错、隔离等抗干扰措施。 4 、开放性差。目前的电磁流量计在硬件结构上多由分离式模拟器件构成，未 采用新型集成芯片，使仪表的结构、功能扩充性和使用维护都较困难：软件设计采 用过程化软件设计思想，其可读性和可扩展性较差；网络通讯接口一般只配置 r s 2 3 2 类串行接口，只有物理联接上的规定，缺乏数据通讯和校验等链路层协议标 准，因此，难以满足用户开放性、易组态的要求。 如采用新型微处理器、计算机软硬件及现场总线技术，研究开发新型智能电 磁流量检测仪表及现场总线流量检测系统恰好能弥补以上不足“3 ”“、“。“”一 。现场总线式的智能化电磁流量仪表以单片微处理器和各种新型集成电路：笛j 午为 核心进行设计，因此可充分利用单片机系统良好的软硬件资源达到增强仪表功能、 提高测量精度、可靠性及开放性的目的。因此，本项目的开展不仅能有力地增强我 国电磁流量仪表产品的性能质量、更广泛地满足用户需求，而且对促进我国流量检 浙江大学硕仁学位论文 测技术的发展和开发水平提高及水资源环境的保护等方面都具有重要的意义。 1 4 本论文任务及安排 根据目前国内电磁流量检测产品现状及国外智能化、网络化、一体化发展趋 势，应杭州维通电子公司的委托及省科技厅资助下，综合应用新型微处理器、计算 机软硬件及现场总线技术，研究开发集电磁流量传感器、转换器、积算仪于一体的 基于c a n 总线的智能流量检测仪表系统。在本项目软硬件开发过程我们主要作了 以下方面的技术考虑： 以a t 8 9 c 5 2 m p u 为核心器件，软硬件设计充分利用其丰富的内部资源、强 大的运算控制能力和灵活的输入输出功能，以增强系统的智能性； 硬件结构模块化，硬件电路设计应具有可扩展性和易维护性： 采用可编程励磁新技术，改善系统励磁性能，降低系统励磁功耗，增强系 统励磁方式配置的灵活性； 采用高精度放大电路和v f 转换器设计信号转换模块，提高系统信号处理 的抗干扰能力和检测精度，减少系统误差； 采用c a n 现场总线作为系统的通信接口，增强系统组网的开放性和通讯过 程的可靠性； 软件设计采用消息驱动的程序设计方法以提高系统软件质量和开发效率： 采用容错、软件陷阱、数字滤波等多种技术措施提高系统的可靠性。 本文各章内容安排如下： 第一章：回顾电磁流量计技术发展历史，综述电磁流量计技术发展动向和应 用现状，介绍现场总线仪表产生原因、技术特点和作用，论证开发基于c a n 总线的 智能流量检测仪表系统的必要性及其意义，并给出全文研究的内容和安排。 第二章：介绍电磁流量计的基本原理和c a n 总线技术基础，针对c a n 总线性 能特点详细分析研究其分层结构、协议和数据帧结构，并给出i s o l1 8 9 8 建议的c a n 总线接口电气连接关系。 第三章：根据本项目开发的实际要求给出系统的设计任务和设计原则，并对 本项目开发过程所涉及到的有关关键技术进行分析研究，最后确定系统设计总体结 构和主要功能模块的技术实施方案。 第四章：根据系统设计任务和所确定的总体设计方案详细介绍小信号放大电 路、模数转换、可编程励磁技术、量程自动切换、c a n 通讯接口以及系统抗干扰等 硬件功能模块的设计实现。 第五章：介绍消息驱动程序设计思想产生的背景以及w i n d o w s 消息驱动工作 原理，提出引用w i n d o w s 消息驱动原理构建单片机系统软件开发体系结构的新思 想，并在此思想的指导下进行了下位仪表软件系统的具体开发。 第六章：在上述工作基础上进行系统总成、测试和分析。 第七章：对全文工作进行总结和展望。 浙江大学颐：e 学位论文 1 5 本章小结 本章首先回顾电磁流量计的发展历史，并综述了目前电磁流量计的技术发展 动向和应用现状。 其次分析了现场总线仪表系统产生的原因，并介绍了现场总线仪表的组成特 点、发展状况和趋势以及对过程自动化领域产生的作用。 最后根据目前国内外电磁流量计发展现状及实际需要，论证了开发基于c a n 总线的智能流量检测仪表系统的必要性及其意义，并给出本文研究内容及总体安 排。 浙江大学硕士学位论文 第二章电磁流量计的基本原理及c a n 总线技术基础 【内容摘要】本章在简介电磁流量计基本原理的基础上，重点研究分析了c a n 总线协议的分层 结构、技术规范、报文传输、帧结构及c a n 总线接口电气连接方式等内容为基于c a n 总线的 智能流量检测仪表与系统的开发作了必要的技术准备。 2 1电磁流量计的基本原理 2 1 1法拉第电磁感应定律 众所周知，当导体在磁场中作切割磁力线运动时，导体两端就会产生感应电动 势。此感应电动势u 与通过回路面积的磁感应通量o 。的变化率成正比： u ：k d c b 。( 2 一1 ) d l 式中，比例系数k 由实验确定。在国际单位制中，u 的单位为v ，o 。的单位 为w b ，t 的单位为s ，根据实验结果k 等于l 。如果考虑u 的方向，则上式可写为： u ：一盟( 2 2 ) 出 这就是法拉第电磁感应定律。 如果只考虑u 的大小，就可以略去上式中塑1 的负号，即： d t u ：d ( i ) b ：b l v ( 2 3 ) 出 式中，b 为磁感应强度( g s ) ，l 为在磁场中垂直切割磁力线方向的运动导体长 度( m ) ，v 为导体在磁场中作垂直于磁场方向运动的速度( m s ) 。感应电动势的方 向就是旷豆矢量积的方向，可用右手定则来确定。 由( 2 3 ) 式可知，当磁感应强度b 恒定不变，同时导体的长度l 定长，则 感应电动势的大小仅与导体运动速度成正比。 2 1 2 电磁流量变送器的基本原理 电磁流量变送器就是利用法拉第电磁感应定律制成的，只是其中切割磁力线的 导体不是一般的金属导体，而是具有一定电导率的液体流柱，切割磁力线的长度是 两电极之问的距离，近似等于液体流柱的直径，即测量管内径d ( 如图2 1 ) 根据( 2 3 ) 式可知，电极两端感应电动势的大小近似等于： u = 日d v( 2 4 ) 浙江大学硕士学位论文 式( 3 4 ) 与式( 3 3 ) 不同的是用电极两端的距离来代替l ，而电极间的距 离近似等于测量管内径d ，故可用d 代替l 。此外，可用被测液体的平均流速旷( m s ) 代替了导体的运动速率v 。 根据( 2 4 ) 式可知，当磁感应强度b 和两电极间的距离固定不变时，电极两 端产生的感应电动势只与被测液体的平均流速成正比。 图2 1 电磁流量变送器工作原理 在测量管内，穿过测量管横截面的液体瞬时流量为： d ：兰d 2 1 7 。4 以( 2 4 ) 式中的旷代入( 2 5 ) 式中，得 o ：兰d 旦( m3 s ) 4b 即 u ：竺o ( v ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 由( 2 7 ) 式可以看出，当磁感应强度b 和测量管内径d 一定时，感应电动 势u 与瞬时体积流量q 是线性关系，而与其它物理参数无关，这也是电磁流量计的 最大优点之一。在此需要说明上列计算方程式的成立还应符合以下的假设条件。 首先假设磁场是恒定不变，而且是均匀分布的。这就可以忽略导电液体在磁场 中运动产生另外两种效应的影响，即液体中感生电流对磁场分布的影响以及这一感 生电流与电磁力相互作用对液体运动的影响。这两种效应在测量液体金属时则不能 忽略。 其次，假设被测液体的流速为轴对称分布，而且液体中的感生电流与电场对称， 且平行于液体的轴向；另外，假设液体的导电率是均匀和各向同性，且不受电场或 液体运动的影响，从而可排除“霍尔效应”。并且还假定被测液体的导电率变化和 由于液体温度的非均匀性所引起的热点效应及离子迁移等影响在此都可忽略不计， 这是因为在通常情况下，这些效应的影响是非常小的。 此外，还假设被测液体是非磁性的，并且它的磁导率“与真空磁导率“。一致， 可忽略液体磁性与工作磁场相互作用的影响。 可见，在上述假设条件下测定流量时，可以认为感应电动势u 与瞬时体积流 9 浙江大学硕士学位论文 量q 成正比，且完全是线性关系。 2 1 3电磁流量计的基本原理 电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律来测量导电液体体积流量的仪表。整套 仪表由电磁流量变送器和转换器两部分组成。变送器安装在工艺管道中，它的作用 是将流经管道内液体流量值线性地变换成感应电势信号，并经过传输线将此信号送 到转换器中去。转换器的作用是将变送器送来的流量信号进行比较、放大，并转换 成标准的输出信号，以实现对被测液体流量的指示、记录、积算或调节。电磁流量 计的工作原理方框图如图2 2 所示。 图2 2 电磁流量计工作原理图 2 2c a n 总线技术基础 2 2 1c a n 性能特点 c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k 即控制器局域网络) 属于现场总线范畴，它 是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，最初是由德国b o s c h 公司 为汽车监测、控制系统而设计的。现代汽车越来越多地采用电子装置控制，如发动 机的定时、注油控制、加速、刹车控制( a s c ) 及复杂n 抗锁定刹车系统( a b s ) 等， 这些控制需检测和交换大量数据，采用硬接信号线的方式不但烦琐、昂贵，而且难 以解决问题，但采用c a n 总线上述问题便得到很好地解决。目前国外已有许多大汽 车公司( b e n z ( 奔驰) 、b m w ( 宝马) 、p o r s c h e ( 保时捷) 、r o l l s r o y c e ( 劳斯 莱斯) 和j a g u a r ( 美洲豹) 等) 都已开始采用c a n 总线来实现汽车内部控制系统 与各检测和执行机构间的数据通信。由于c a n 总线本身的特点，其应用范围目前己 不再局限于汽车行业，而向过程工业、机械工业、纺织机械、农用机械、机器人、 数控机床、医疗器械、传感器及智能仪表等领域发展。c a n 已经形成国际标准，并 已被公认为几种最有前途的现场总线之一。 c a n 属于总线式串行通信网络，由于其采用了许多新技术及独特的设计，与一 般的通信总线相比，c a n 总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。其 特点可概括如下： c a n 为多主方式工作，网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其 他节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活，且无需站地址等节点信息。利用这 一特点可方便地构成多机备份系统。 c a n 网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时要求，高优 先绂的数据最多可在1 3 4 9 s 内得到传输。 c a n 采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时，优 先级较低的节点会主动退出发送，而最高优先级的节点可不受影响地继续传输数 据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间。尤其是在网络负载很重的情况下也不会出 o 浙江大学硕卜学位论文 现网络瘫痪情况( 以太网则可能) 。 c a n 只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方 式传送接收数据，无需专门的“调度”。 c a n 的直接通信距离最远可达l o k m ( 通信速率5 k b p s 以下) ；通信速率最 高可达t m b p s ( 此时通信距离最长为4 0 m ) 。 c a n 上的节点数主要取决于总统驱动电路，目前可达1 1 0 个：报文标识符 可达2 0 3 2 种( c a n2 o a ) ，而扩展标准( c a n2 o b ) 的报文标识符几乎不受限制。 c a n 采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低。 c a n 的每帧信息都有c r c 校验及其他检错措施，具有极好的检错效果。 c a n 的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。 c a n 节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出的功能，以使总线上其它 节点操作不受影响。 c a n 中的总线数值为两种互补逻辑数值之一：“显性”或“隐性”。“显性” ( d a m i n a n t ) 数值表示逻辑0 ，“显性”状态以大于最小阀值的差分电压表示。 而“隐性”( r e c e s s i v e ) 表示逻辑i ，在“隐性”状态下，m 和。被 固定于平均电压电平，p 0 近似为0 。“显性”和“隐性”位同时发送时，最后总线 数值将为“显性”。在总线空闲或“隐性”位期间发送“隐性”状态。在“显性” 状态改写“隐性”状态并发送( 如图2 3 所示) 幽23 总线位的数值表示 2 2 2c a n 技术规范 c a n 总线是一种串行数据通信协议，在c a n 总线通信接口中集成了c a n 协议的 物理层和数据链路层功能，可以完成对通信数据成帧处理。c a n 协议最大一个特点 就是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码。采用这种方法的 优点是使网络内节点个数理论上不受限制，数据块的标识码可由1 1 位或2 9 位二进 制数组成，因此可以定义2 “或22 9 个不同的数据块，这种按数据块编码的方式，还 t 可以使不同节点同时接收到相同的数据。数据段长度最多为8 个字节，可以满足通 常工业领域中控制命令、工作状念及测试数据的般要求。同时8 个字节不会占用 总线时1 日j 过长，保证了通信的实时性。c a n 协议采用c r c 检验并提供相应的错误处 浙江大学硕卜学位论文 理功能，保证了数据通信的可靠性。 随着c a n 总线技术在各种领域里应用和推广，对其通信格式的标准化提出了 要求。为此，