（机械电子工程专业论文）分布式流量测量系统的研究与开发.pdf

分布式流量测量系统的研究与开发摘要随着科学技术的不断进步、工业自动化程度的提高，往往需要实现对工业过程参数的远程监控和集中控制。所以进行分布式智能检测系统的研究和开发具有重要的现实意义。分布式流量测量系统是以农业用水和工业废水排放的计量为主要目的。该系统采用单片机作为信息采集单元，将采集的相应于流量信号的电信号进行运算处理和实时显示，通过r s 2 3 2 建立与p c 机之间的数据通信。利用v i s u a lb a s i c 强大的数据库访问功能将数据实时入库保存。通过s q l结构化查询语言对数据库中的数据进行操作，实现月累计流量和月水资两项参数的实时查询。文章在分析研究了智能检测仪器的发展概况及发展趋势的基础上，建立了分布式检测系统多枫通信的体系结构并完成了上、下位机之恻通信的软硬件设计。关键词：分布式检测系统流量测量多机通信数据库t h er e s e a i ha n dd e v e i o p m e n to nd i s t r i b u t e df l o w - m e a s u r i n gs y s t e ma b s t r a c tw i t ht h ea d v a i l c e m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya i l dt h ei m p r o v e m e n to fl n d u s t r i a la u t o m a t i o n ，i ti sn e e d e dt oi n s p e c tr e m o t e l ya n dt oc o n t m lc o n c e n t r a t es o m ep a r 锄e t e r so fi n d u s t r i a lp r o c e s s h e n c ei th a si m p o r t a n c es e n s et od or e s e a f c ho nd i s t i b u l e dj n l e l l j g e n li n s p e c t i 玎gs y s c e m t h ed i s t r i b u t e dn o w - m e a s u r i n gs y s t e ma i m so nt h em e a s u r e m e n t0 fw a t e ru s i n gi na g r i c u l t u r ea i l dt h em o n i t o ro fw a s t ew a t e rd i s c h a r g ei ni n d u s t r y b yu s eo ft h es i n g l e - c h i pm i c r o c o m p u t e r ( s c m ) a ss i g n a lc o l l e c t i n gu n i c t h es y s t e mm a n i p u l a t e st h ee l e c t r i cw h i c hc o r r e s p o n dt ot h em e a s u r e dn o ws i g n a la n dd i s p l a y st h ef l o wd a t ai nt i m e w i c hr s - 2 3 2i n t e r f a c et h ed a t a m m u n i c a t i o nb e t w e e ns c ms y s t e ma n dp ci se s t a b l i s h e d t h ed a t ac a nb es a v e di n t ot h ed a t a b a s e b yt h ep o w e r f u li n q u i r i n gd a t a b a s ef h n c t i o no fv i s u a lb a s i c ，d a t aa l s oc a nb em a n i p u l a t e di nt h ed a t a b a s e w i t ht h es t r u c t u r a lq u e r yl a n g u a g e ( s 0 l ) ，t h ep a r a m e t e rd a t ao ft h et o t a if l o wi nm o n t ha n dm ec h a r g ei nm o n t ha r ea b i et ob ei n q u i r e da ta n yt i m e i nt h ef b u n d a t i o n0 fr e s e a r c ho nt h ed e v e l o p m e n ts i t u a t i o na n dt r e n do fi n t e l l i g e n ti n s p e c t i o ni n s t r u m e n t ，t h ea u t h o ro ft h i sp a p e rh a se s t a b l i s h e dt h ea r c h j t e c u r eo fd j s t r i b u t e dm u l t j m e a s u r i n gs y s f e mc o m m u n i c a t i o n ，f u l f i i l e dt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no nt t l ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h eu p p e ra n d1 0 w e rc o m d u t e r _ 【e yw o r d s ：d i s t r i b u t e di n s p e c l i o ns y s t e m ，n o w m e a s u r i n g ，m u l t i p l ec o m p u t e rc o m m u n i c a t i o n d a t a b a s e合肥工业大学本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学硕士学位论文质量要求。主席委员导师二、匆皇答辩委员会签名老磊u乡乎气厂乏严q 誊挚l 。寸撅1j、o 、否上机多谚犬露敏捷仓眇多 彤舀1 弧缀合肥夕箩髓驯叛扭缓插图清单图1 1 主从分布式局部网络系统2图1 2 串行总线式局部网络系统3图2 1 总体结构示意图8图2 2 卡发基( k h a f a g i ) 水槽形状和尺寸9图2 - 3 液位传感器结构及其安装图9图2 4 磁阻角度传感器工作原理图1 0图2 5 系统总体结构图1 0图2 6 子站的体系结构图1 1图3 一la d c 0 8 0 9 原理图1 5图3 2a d c 0 8 0 9 查询方式接口电路1 6图3 3 程序判断滤波法程序流程1 7图3 4 去极值滤波程序流程图1 8图3 5 智能仪表的操作面板2 0图3 6 键盘显示器接口电路2 l图3 7 两种基本的通信方式2 3图3 8r s 一2 3 2 c 串行通信的典型连接形式2 6图3 9c p u 与m a x 2 3 2 接线座连接图2 7图3 1 0 软件流程图2 9图3 1 1 单字节的压缩b c d 数3 1图3 1 2 流量计量区程序流程3 4图3 1 3 下位机发送数据流程图3 8图4 1 上位机软件流程图4 5图4 2 系统登陆界面4 7图4 3 主界面4 8图4 4 数据传送区总费用子界面图4 9圈4 5 数据传送区累计流量子界面4 9图4 6a d o 对象模块5 1图4 7 数据查询区累计流量子界面5 1图4 8 数据传送区月水资子界面5 2表格清单表3 1r s 一2 3 2 c 标准接口的脚位定义2 5表3 2 系统代码转换表3 2表3 3 数字量对应的瞬时流量3 6表3 4 波特率误差表4 0表4 1c m d 的值及其所对应的功能4 l表4 2v i s u a lb a s i c 支持的数据类型4 4独创性声明本人声明所里交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究1 作及取得的研究成果。据我所知，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袭或撰写过的研究成果也不包含为获得盒胆兰些左堂或其他教育机构的学位或证 5 而使用过的材料。与我一同工作的同忠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谢意。学位论文作者签名：李；纱签字日期：加- ；年尸月3 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解盒目b 王业厶堂有关保留、使j 4 学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁鼎，允许论文被查阅和借阅。本人授权盒世e 业厶堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采川影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适川本授权二i5 )学位论文作者签名钐矽签字日期：哆年7 月多日学位论文作者毕业后去向“r 作单位：通讯地址：导溺镶使签字日期土两弓年7 丹今日电话：邮编：致谢在三年的研究生生涯中，通过系统的学习和对课题的研究，本人的知识结构得到显著提高；对科研的思路和方法有了更加深刻的认识；独立工作能力得到加强。这一切都是老师和同学的帮助和鼓励是分不开的。首先要感谢我尊敬的导师苏梅俊老师。三年来，苏老师在学业上对我严格要求；生活上则给予无微不至的关怀。苏老师严谨的治学态度，宽广豁达的性格和渊博的学识是我终生学习的榜样。同时，非常感谢刘志峰老师，尹志强老师，朱华炳老师，张建军老师，丁苏赤老师在课题研究工作中给予的无私帮助。在课题的研究及论文的撰写过程中，得到了蒋怀伟、张怀、梁峰、段刚、薛峰、赵晓玲、庄旭、董艳萍、范仁杰等同学帮助，在此表示深深的谢意。最后，感谢父母给予的物质上的支持和精神上的鼓舞。作者：李多扬2 0 0 3 年6 月第一章绪论1 1 论题的目的和意义随着现代科学技术的迅猛发展，工矿企业中的自动化程度的不断提高，人类对环境保护意识不断加强。企业需要对其污水排放情况有一个准确的了解，以便对企业行为迅速做出决策，更好的适应瞬息万变的市场经济。这样原来那种以人工方式到各个污水排放点去采集各个地方数据的做法已越来越不适应企业发展的需要。这种方式采集的数据缺乏实时性，因而也就缺乏一定的有效性，并且效率低下。本论文开发的分布式流量测量系统，由p c 机和多台单片机构成。它集机械、电子、计算机于一体，形成了一个多机网络化测控系统。它通过单片机完成数据的采集和上传，并通过p c 机与数据库相连对数据进行存储。该系统充分发挥了单片机在实时数据采集、处理和微机对图形显示及数据库管理上的优点。该系统还适用于其它大流量液体( 如农业用水) 的自动计量。因此它具有很强的现实意义和实用价值。1 2 单片机多机应用系统的发展现状”单片机应用系统按照其功能和拓扑关系可分为功能弥散系统；并行多机系统以及局部网络系统。( 1 ) 功能弥散系统多功能弥散系统是为了满足工程系统各种外围功能要求而 发置的多级系统。例如一个加工中心的计算机系统除完成机床加工运行控制外还要控制对刀系统、坐标指示、刀库管理、状态监视、伺服驱动等机构。机器人的计算机多机控制系统是一个典型的功能弥散型系统。机器人的感觉系统、姿态控制系统、遥控系统、行走控制系统都可以分别由一个单片机应用系统承担，而它们之问的协调管理由中央控制主机完成。( 2 ) 并行多机控制系统并行多机系统主要解决工程系统的快速性要求，以便构成大型实时工程系统。典型的有：快速并行数据采集、处理系统，实时图像处理系统等。例如对于大规模的多点数据采集与处理系统，如果每一组采集通道都用单片机构成一个独立的采集处理单元，在主机的管理下，不仅可以实现多点的快速采集，而且还可以分别对所采集的数掘进行预处理。并行多机系统的快速性除了单片机本身的高运行速度外，主要是依靠多机的并行工作而取得的。( 3 1 局部网络系统单片机网络系统的出现，使单片机的应用进入了一个新的水平。目前单片机构成的网络系统主要是分布式测控系统。单片机主要用于系统中的通信控制，以及构成各种测、控用子站系统。典型的分布式测控系统主要有两种类型：主从分布式网络系统与串行总线式网络系统。在主从分布式网络系统中，单片机是用来构成网络的通信控制总站与各个功能子站系统。通信控制总站通过标准总线和串行总线与主机相连，因此主机可以采用一般通用计算机系统，它享用网络系统中所有的信息资源，并对其进行调度指挥。通信控制总站是一个单片机应用系统，除了完成主机对各功能子站的通信控制外，还协助主机对各功能子站的协调、调度，大大减轻了主机的通信工作量。从而实现了主机的间歇工作方式。通信控制总站通过串行总线与各个安放在现场的具有特定功能的子站系统相连，形成主从式控制模式。如图1 1 所示：图1 1 主从分布式局部网络系统圈1 2 所示的为多单片机或多c p u 的串行总线形式的局部网络系统。每个单片机或c p u 独自构成一个完整的应用系统，应用系统中均有串行口驱动器，它们都连接在一个串行总线上。各个应用系统的优先、主从关系由多机系统的硬件、软件设定。1 3 智能检测仪器的发展概况”智能检测仪器是计算机技术与测量仪器相结合的产物，由于它具有对数据进行存储、运算、判断及自动操作等功能，具有一定的智能作用，被称为智能幽1 2 串行总线式局部网络系统送收仪器。近年来，智能检测仪器已丌始从较为成熟的数据处理向知识处理发展。它体现为故障诊断、容错技术、传感器融合、机件寿命预测等，使智能检测仪器的功能向更高的层次发展。自从1 9 7 1 年世界上出现了第一种微处理器( 美国i n t e l 公司4 0 0 4 型4 位处理器芯片) 以来，微计算机技术得到迅猛发展。智能仪器在测量过程自动化、测量结果的数据处理及多功能化方面取得了巨大的进展。到了9 0 年代，高准确度、高性能、多功能的测量仪器大都采用微计算机技术。可以从下面两个方面柬归纳智能仪器的发展概况。1 对传统仪器性能的改进传统的测量仪器采用微机控制后，功能更加多样，使用更加方便可靠，准确度大为提高。2 新型仪器不断出现随着工业现代化的发展，需要在生产线上对产品或半成品进行实时检测。为了满足这一新的要求，一大批c a t ( c o m p u t e r d e dt c s 计算机辅助测试) 仪器被研制丌发出来。如用于检测印刷电路板( p c b ，p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ) 的设备。1 4 智能检测系统的作用及特点2 1现代传感技术、电子技术、计算机技术、自动控制技术、信息处理技术和新工艺、新材料的发展为智能检测系统的发展带来了前所未有的契机。在工业、国防、科研等许多应用领域，智能检测系统正发挥着越来越大的作用。智能检测系统包括了信息获取、信息传送、信息处理和信息输出等多个硬件、软件的环节。1 41 智能检测的定义智能检测是包含测量、检验、自故障诊断、信息处理和决策输出等多种内容。它具有比传统的测量远远丰富的范畴，是检测设备模仿专家信息综合处理能力的结晶。1 4 2 智能检测系统的特点智能检测系统充分利用计算机资源在人工最少参与下尽量利用软件实现系统功能。总的漉来，它具有以下特点：1 测量过程软件控制智能检测系统可实现多功能测试和自动巡回检测，这些过程可利用软件控制。测量过程的软件控制可以简化系统硬件结构、缩小体积、降低成本并且提高了系统的可靠性和自动化程度。2 智能化数据处理智能化数据处理是智能检测系统最突出的特点。计算机可以方便快捷地实现各种算法。因此智能检测系统可用软件对测量结果进行及时在线处理，提高测量精度。3 高度的灵活性智能检测系统以软件为工作核心，生产修改复制都较容易，功能和性能指标修改方便。但是传统的硬件检测系统，生产工艺复杂，参数分散性较大，每次更改都牵涉到元器件和仪器结构的改变。4 实现多参数检测和信息融合智能检测系统一般配备多个测量通道，可由计算机对多个测量通道进行高速扫描采样。因此智能检测系统可以对多种测量参数进行检测。在进行多参数检测的基础上，依据各路信息的相关特性，可以实现智能检测系统的多路传感器信息融合。从而提高检测系统的准确性、可靠性和容错性。5 测量速度快高速测量是智能检测系统追求的目标之一。目村，高速d 转换器的采样频率在2 0 0 m h z 以上，3 2 位p c 机的时钟频率也在5 0 0 m h z 以上。这些技术为智能检测系统的快速检测提供了条件。1 5 智能检测系统发展趋势2 1 8 1人类的信息化时代必将为智能检测系统提供更为广阔的应用前景。随着传感器技术、微电子技术、计算机技术和信息处理技术的发展，智能检测系统将向着高可靠性、高智能化方向发展。1 智能检测的高可靠性4智能检测系统在设计和使用中的安全性和准确性对于厂家和用户都至关重要。系统将采用下列技术提高测量、判别、控制和决策的可靠性。( 1 ) 广泛采用新技术采用新的传感技术、集成电路技术和信息处理方法有利于提高智能检测系统的工作性能，获得更准确的观测与决策结果。智能检测系统的发展将是传感技术，微电子技术，信息处理、信号传输、计算机人工智能等多学科综合应用的发展结果。( 2 ) 加强系统的安全性设计智能检测系统的安全性设计包括两方面的内容：系统的工作安全性与电器的安全性。随着网络技术的普及，智能检测系统今后很难作为一个单独的智能设备使用。为交流传递信息，智能检测入网已成趋势。由于智能检测系统的工作核心是软件，软件存在可以执行与可改写性，系统的软件可靠性设计将成为今后智能检测系统安全性设计的重要内容。此外，智能检测系统也将充分考虑电气安全性设计。2 智能检测系统的高智能化智能检测系统将在社会生产与人们生活的各个方面获得广泛应用。今后智能检测系统将越来越简单。系统的用户修改性将越来越强。提高检测系统智能化将会采用以下方法：( 1 ) 采用高智能化语言。高级语言的发展始终是计算机技术发展的主要标志之一。今后的计算机语言在智能化方面将远远超过现有的高缀语言。指令的功能将非常强大；使用将越来越简单。因此未来的智能检测系统具有自学习、自组织、自适应功能。( 2 ) 大力发展虚拟现实技术充分利用计算机强大的软件功能，广泛采用虚拟检测技术以最少的硬件和完善的软件实现系统的功能。这不仅有利于降低智能检测系统的硬件成本、方便用户设计使用，而且有利于提高智能检测系统的实用性和智能化。( 3 ) 采用功能更高的新型计算机计算机技术是当今世雾发展最快的技术之一。智能检测系统的设计者应当密切注意计算技术的发展方向，及时了解包括单片机、p c 机、工控机和系统机的技术进步，尽快将计算机新技术应用于智能检测系统，提高系统的性能和智能化水平。( 4 ) 采用智能部件智能检测系统应选择采用已有的智能部件。例如智能传感器、智能控制器等。采用智能部件有利于提高系统的可靠性。在系统局部出现故障的情况下，还能尽可能的提供观测与估计结果。3智能检测系统的通用化和标准化为便于传输和获取信息，实现系统更改与升级。智能检测系统的通用化、标准化设计十分重要。目前的接口与总线系统较多。随着智能检测系统的发展，可望制订一种全球通用的统一接口与总线系统标准，或者制订几种互相兼容的总线系统标准以便于系统的组建、更改、升级和连接。4 智能检测系统的网络化检测系统实现智能化为其网络化创造了前提。在确保j 下确检测的前提下，将检测系统联到网中，用局域网或广域网来实现网络化管理和网络化服务。这将会极大的提高检测系统的管理水平和维护水平。1 6 本课题的主要研究内容本文所研究丌发的分布式流量测量系统是曹涝的明渠流量测量系统的研究与开发一文的延伸与拓展。它是为了对工矿企业中污水排放进行多点实时采集，并且将采集的数据上传给p c 机，实现网络化管理。基于这些功能，并且鉴于明渠流量测量系统的研究与丌发前期工作，本文主要完成以f 内容：l 部分硬件电路主要是模数转换电路的设计与调试及有关部分电路板的制作。2 编制系统的一些应用软件，并利用仿真器进行软件调试和硬件仿真。3 人机交互界面的设计，实现单片机与p c 机之阳j 的通信联结。4 单片机上传的数据自动进库，并实现对数据库信息的实时查询。本课题研究工作的关键性问题主要有以下几点：1 采集信号的软件滤波本测控系统设计的目的是要对流量进行计量。计量的丁f 确性是必须首先要保证的。因此作为系统的前置级信号采集的正确性就显得至关重要。本文将采用一种改进的软件滤波的方法，将采集到的信号尽可能的接近真实流量，减小偶然性带来的误差。2 微机系统的网络通讯分布式流量测量系统就是要将多点的流量信息通过各个下位机分别采集，然后通过串行口与上位机进行通讯。在微机系统的硬件电路中设计了相应的通讯接口电路，使其具有与上位机通讯的功能。本系统采用的是目前比较流行的r s 一2 3 2 c 总线结构。因此，根掘串行通信的功能要求设计出与上位机通讯的子程序模块是系统软件开发的重要工作之一。3 数据库丌发为了提高工作效率，需要对单片机采集的数据进行集中管理。使管理者能够有效的查询、分析数据。本文利用a c c e s s 数据库软件建立一个数据库，用以汜录各子站的累计流量和总费用。利用s u “b a s i c 强大的数据库访问功能来实现对数据库的操作。因此利用s o l ( 结构化查询语言) 设计出合理正确的程序来存取数据是十分重要的。第二章测量系统原理简介2 1 测量系统原理简介2 1 1 测量系统单机结构图2 1总体结构示意图图2 1 中，1 是水渠。2 是卡发基量水槽，它作为一次敏感器件被安放在水渠中，水槽中有一个最狭窄部分，不同流量的水流通过时引起上层水面高度h 的变化。3 是浮子杠杆，浮予随水面高度变化而造成杠杆转角的变化。4 是角度传感器，它将杠杆转角转换成相应的电压量。电压信号经电缆传送到仪表箱内，利用单片机进行信号处理并可把数据经r s 一2 3 2 上传给p c 机进而实现分布式监测。为了对系统的工作原理有进一步的理解，下面重点介绍一下它的两个重要组成部分：卡发基槽和液位传感器。2 1 1 1 卡发基槽它是德国学者k h a f a g i l 9 4 2 年在苏黎士工业大学做研究时发明的。形状和尺寸见图2 2 。它的各部分尺寸由排放量q 来选择确定。可以选用玻璃钢材料。流入量水槽的水在收缩部位加速成为临界流，使上流侧水位升高并随流量而变化，流量和水位的关系式为：q = c 。h 。“5( 1 )式中：卜流量c 一流量系数，常量，其大小与槽的几何尺寸有关。h 一上层水面的高度图2 2 发基( k h a f a g i ) 水枘形状和尺寸2 1 1 ，2 液位传感器图2 3 是液位传感器的形状结构及其安装示意图罐目蠢霄、，撇x 。图2 3液位传感器结构及其安装图它由两部分组成：l 是浮子杠杆，2 是安装在机壳内的磁阻式角度传感器。水位变化后，杠杆的角度n 产生了相应的变化。这一变化由磁阻式角度传感器来探测。( a 的安装初始值约为3 0 度) 磁阻式角度传感器的工作原理如图2 4所示。9图2 4磁阻角度传感器l ：作原理图它由一个可动磁铁和两个半圆形磁敏电阻元件组成。在流量测量系统中，可动磁铁的转轴与浮子杠杆的转轴相互连在一起。当浮子杠杆带着可动磁铁转动时，便改变了左右两个半圆形磁阻的阻抗。若两个磁阻元件的阻抗分别是m r 和h l r 。，外接直流电压为v ，输出电压为v 。，则有：v 。：m r 。v ( m r ， m r 。)( 2 1 )而且该传感器有1 0 0 。的线性范围，可满足测量要求。2 1 2 系统的总体结构本文所开发的流量测量系统主要出上位机和下位机构成。图2 5 和2 6 分别为系统的总体结构图和系统的子站体系结构图。图2 5 系统总体结构图1 0数嚣单元l土寄釜控堕一兀圈2 6f 僚机系统于站的体系结构图1 下位机系统分布式流量测量系统的各子站出单片机构成：它主要完成对数据( 流量信号) 的采集、处理及显示，并把它存储在一定的内存空间。然后通过单片机的串行口把数据传送给p c 机。据此分析，可知以单片机为核心的各子站系统由以下几个模块单元构成：1 ) 数掘采集单元：数据采集单元的作用是通过a d 转换器将由角度传感器输出的模拟电压信号转换为可为微机系统所谚 别的数字信号。由于角度传感器输出的是大电压信号( 2 5 v ) ，可以直接满足电路的电平要求，因此在下位机系统的前向通道中不需要信号的调节与放大电路。2 ) 主控单元：主控单元是微机系统的核心，它是由m c s 5 l 系列单片机及其外部扩展芯片( r o m ，r a m ) 所组成，负责对微机系统各组成部分进行协调和控制以及完成全部的数据处理与计算工作。主控单元在进行流量计量工作的同时还负责与上位机之间的数据通信。3 ) 显示单元：参数显示单元的作用是根据要求完成对系统各项参数的实时显示，其中最主要的是对由测量和计算得到的流量数据的显示。由于被测水流的流量数据包括瞬时流量和累积流量两部分，因此显示单元应能够分别对这两项参数进行显示。另外，为了计价和收费的需要系统还能对总费用和水资单价进行显示。4 ) 键盘控制单元：键盘控制单元是由一系列数字键和功能键所组成，主要完成系统的参数设定、功能控制、以及状态切换等任务。它与显示单元联系在一起，共同实现了智能仪表的人机交互功能。5 ) 通讯接口单元：微机系统的通讯接口电路是根据所采用的通信标准而设计的。该单元作为微机系统与上位机之间的通信接口，能够自动实现信号电平的转换，即将数字电路中所使用的信号电平( 如t r l 电平) 转化为符合通信标准所规定的信号电平，以完成在通信信道中的数据传输。2 上位机系统利用v i s u a lb a s i c 所提供的串行通信组件m s c o m m 控件，完成与单片机系统的数据通讯。同时通过a d o 对象把前端应用程序与后端的数据库连接起来，实现下位机上传的数据自动存入数据库。并能检索、修改和删除数据库中的数据。第三章下位机的功能分析和设计介绍1 系统功能分析根据系统的总体设计方案，下位机系统应具有以下功能：测量信号的采集数据处理与运算显示、控制及参数设置单片机与p c 机通讯与数据传输3 2 信号采集单元”们1 1 5 1 嘲在单片机的实时测控和智能化仪表等应用系统中，常将需检测到的连续变化的模拟量如温度、压力、流量、速度等转变成离散的数字量，才能输入到单片微机中进行处理。对于本系统，出于输入的是非电的模拟信号一流量，因此还需经过传感器将流量信号转换成电信号。再由d 转换器实现模拟量变换成数字量。3 2 1a d 转换器( a d c ) 的选择要点随着超大规模集成电路的发展，品种繁多、性能各异的集成a d 转换器不断涌现。我们在设计数据采集系统、测控系统和智能仪器时首先要解决的问题是：正确选择a d 转换器以满足应用系统的设计要求。l 确定a d 转换器的位数a d 转换器位数的确定与整个测量控制系统所要测量控制的范围和精度有关。系统精度由传感器转换精度、信号预处理电路精度和a d 转换器及输出电路、伺服机构精度、软件控制算法等方面的因素决定。在总体估算时，a d 转换器的位数至少要比总精度要求的最低分辨率高一位，并且与其它环节所能达到的精度相适应。一般情况下，对于8 位的微处理机，一般选用8 位以下的a d 转换器。当采用8 位以上的a d 转换器时，就要加缓冲器接口，数据要分两次读出。2 确定a d 转换器的转换速率a d 转换器每秒钟能完成的转换次数称为转换速率。不同类型的转换器的转换时间一般说来相差很大。积分型a d 转换器转换速度较慢，转换时间从几毫秒到几十毫秒。一般适用于温度、压力、流量等变化缓慢的参数的检测和控制。逐次比较型a d 转换器的转换时间可从几微秒到l o o 微秒，常用于工业多通道单片机控制系统和声频数值转换系统等。3确定是否加采样保持器原则上直流和变化非常缓慢的信号可不用采样保持器，其他情况下都要加采样保持器。对于是否要加采样保持器，根据分辨率、信号频率、转换时间来确定：如果a d 转换器的转换时间是1 0 0 毫秒，a d c 是8 位时，没有采样保持器时，信号的允许频率是o 1 2 h z ；如果a d c 是1 2 位，该频率为0 0 0 7 7 h z 。如转换时问为1 0 0 微秒，a d c 是8 位时，该频率为1 2 h z 。4工作电压和基准电压工作电压是a d 转换器正常工作时需要输入的电压。基准电压是提供给a d转换器在转换时所需要的参考电压这是保证转换精度的基本条件。若芯片的工作电压与基准电压一致，这样与单片机共用一个电源比较方便。但是在要求较高精度时，基准电压要用高精度稳压电源供给。3 2 2a d 转换器设计要点1 ) a d c 与单片机的接口一般8 位a d c 输出寄存器含有三态门，可直接和8 位单片机总线连接，转换结束后c p u 用读入指令读入转换数据，而1 0 位以上的a d c 为了能和8 位单片机匹配，输出数据寄存器增加了读写控制逻辑，把l o 位以上的数据分时两次读出，若不包含此逻辑，应增设三态门；a d c 转换启动信号分脉冲启动和电平启动，脉冲启动只需在转换启动引脚上加符合要求的脉冲即可，a d c 0 8 0 4 0 8 0 9 1 2 1 0均属于此类，而电平启动则要求施加一符合要求的电平且在转换的整个过程都要保持该电平，否则会终止转换的进行，该电平一般由d 触发器锁存供给，a d c 5 7 0 5 7 l 5 7 4 均属电平启动；a d c 转换结束输出一结束标志电平以通知c p u读取转换数据，而读取方式分为中断、查询和定时三种，这三种方式的选择取决于a d c 转换的速度、程序安排和系统总体要求。2 ) a d c 的可控硅现象又称闩锁现象，即正常使用中a d c 芯片电流骤增、突然发热现象，长时间会烧坏芯片，但这时只要切断电源重新打丌就会恢复f 常。产生这种现象的原因在于芯片衬底寄生的纵向n p n 管和横向p n p 管形成的可控硅结构，若输入脉冲( 较大的干扰信号) 超过了额定值( v 。+ o 5 v v 。 v 。一0 5 v ) 而产生较大的电流时，使寄生可控硅导通，使上限电压v 。与下限电压v 。或地之间形成直接通路，产生大的电路电流。防止该现象的措旌有：a ) 加强各级的抗干扰措施，避免较大的电流干扰窜入电路。b ) 加强电源稳压滤波措施，在a d c 芯片电源入口加褪耦滤波电容，为了防止窄脉冲窜入，在所有电解滤波电容上并联o o luf 的高频滤波电容。c ) 在a d c 的v 。端串接1 0 0 2 0 0 0 的限流电阻，该电阻基本不会影响a d c 的正常工作，在出现可控硅现象时可有效的把电流限带4 在5 0 0 l l l a 以下。3 ) 影响a d c 技术指标的主要因素a ) 工作电源电压不稳定。b ) 外接时钟频率不适合。1 4c ) 环境温度不适合。d ) 与其他器件的电特性不匹配，如负载过重等。e ) 外界有强干扰。f ) 印刷电路板布线不合理。3 2 3a d c 0 8 0 9 芯片简介a d c 0 8 0 x 系列是美国半导体公司的产品，其中a d c 0 8 0 l 5 是目前较流行的中速廉价型单通道8 位全m o sa d c ，a d c 0 8 0 8 9 为中速8 通道a d c ，a d c 0 8 1 6 1 7为1 6 个通道。下面以应用较广的a d c 0 8 0 9 为例介绍a d c 与单片机的接口：片内带有锁存功能的8 路模拟多路开关，可对8 路o 5 v 的输入模拟信号分时进行转换，片内还有多路开关的地址译码和锁存电路、比较器、2 5 6 r 电阻t 型网络、树状电子开关、逐次逼近寄存器s a r 、控制与时序电路等，输出具有t t l 三态锁存缓冲器，可直接连到单片机数据总线上。其分辨率为8 位、最大不可调误差小于1 l s b 、单一+ 5 v 供电、模拟输入范围为0 5 v 、不必进行零点和满度调整、转换速度耿决于芯片的时钟频率( 1 0 k h z 1 2 8 0k 1 z ) ，当取5 0 0k h z 时转换速度为1 2 8us 。具有锁存控制的8 路模拟开关。a d c 0 8 0 9 与单片机有查询、中断和软件延时三种接口方式，可按系统要求选用，在实时测控系统中查询方式和中断方式应用较多。8 路模拟输入3 位地址地址锁允许启动时钟圈3 一la d c 0 8 0 9 原理圈结束8 位输出在本系统中a d c 0 8 0 9 与8 0 5 1 单片机的硬件接口电路我们采用查询方式。查询法就是当c p u 启动a d c 开始转换数据后，c p u 通过检查e o c 脚位的电平来判断转换是否结束。若p 1 7 位为0 则说明转换结束，通过一条读入指令将数据读走：否则延时等待p 1 7 脚电位变为低电平。p d o 7a l e鹱c l kl 心a d d aa d d ba 1 3 1 5a d d cw r舅s n r ta l er do ep 1 7e o ca d c 0 8 0 9图3 2a d c 0 8 0 9 查询方式接口电路3 3 测量信号的处理胁1 ”3 3 1 数字滤波模拟信号必须经过a d 转换才能被单片微机所接受，干扰信号作用于模拟信号之后，使a d 转换结果偏离真实值。若仅仅采样一次，剐很难确定所采样的结果是可信的真实值，为此常采用多次采样，得到a d 转换的一个数据系列，通过某种方法处理后，才能得到一个可信度比较高的接近真实的数据。这种从数据系列中提取逼近真实数据值的方法称为数字滤波。由于软件算法比较灵活，不需要硬件投资，其效果比硬件滤波好。缺点是需要c p u 丌销。干扰信号可分为两类：一类是周期性的；一类是不规则的或称之为随机性的。对于周期性的干扰信号，采用积分时间为2 0 毫秒整数倍的双积分a d 转换器，可有效抑制它。对于随机干扰信号，用数字滤波算法和程序可予以有效削弱或抑制。数字滤波克服了模拟滤波器的不足之处，具有以下优点：( 1 ) 数字滤波是用程序申f 见的，不需增加硬件设铝。”：低，可靠性高，稳定性好。( 2 ) 数字滤波可以对拟，f ，l “j 信号( b ，一) 实现滤波，克服了模拟滤波器韵缺陷。( 3 ) 数字滤波可以根据信号的不同，采用不同的滤波方法或滤波参数，具有灵活、方便、功能强的特点。随着单片机的广泛应用和发展，滤波算法也越来越多。下面简要介绍几种比较常用的数字滤波方法。1 程序判断滤波在生产实践中，很多物理量的变化有一定的规律和需要一定的时间，相邻两次采样值之间的变化范围也有一定的限度。为此，可根据经验数据，规定一个最大可能的变化范围，每次采样值均与上一次的有效采样值进行比较。如果变化幅度不超过规定的范围，则认为本次采样有效，否则本次采样值视为受到干扰而舍弃以上次采样值为本次采样值。则种方法适用于缓慢变化的物理参数的采样过程，如温度、湿度、液面高度等。程序流程图如图3 3 所示。图3 3 程序判断滤波法程序流程幽2 中值滤波对目标参数连续进行若干次采样，然后将这些采样值进行排序，选取中间位置的采样值作为有效值这种方法称为取中值算法。采样次数常取奇数次，一般取3 次或5 次。对于变化较慢的参数也可增加次数，但是当采样次数超过5次，排序程序就较为复杂，可采用冒泡法进行排序。对于变化较为剧烈的参数，不宜采用这个算法。3 去极值平均滤波为了消除比较明显的脉冲型干扰，在设计平均滤波程序时，要将远离真实1 7值的采样值剔除，不参加平均值的计算，从而使平均滤波值更接近真实值。具体算法如下：连续采样n 次求其累加和，同时求出他们的最大值和最小值，将他们从累加和中扣除，然后再除以( n 一2 ，即得有效采样值。为了便于计算，一般n 取偶数。这样除法就相当于执行右移指令。对于数据的处理可采用两种方法：对于变化比较快的参数，一般先连续n 次采样，把采样值暂时存储在r a m 中，回圈3 4 去极值滤波程序流程圈然后再处理；对于变化缓慢的参数，可一边采样，一边处理。这种方法不需要在r a m 中开辟数据暂存区。图3 4 为采样次数为6 次的边采样边处理去极值滤波流程图。本课题在开发过程中考虑到单片机的数据处理能力，对去极值平均滤波算法作了如下改进：( 1 ) 连续采集数据6 次( 2 ) 通过排序找出最大值和最小值( 3 ) 把剩余的四个中间值累加求和并求其平均值作为采样值。3 3 2 非线性校正在检测技术及智能仪器的设计过程中，总希望测量装置的输入与输出之间呈线性关系。但是在工程实际中，任何仪器仪表都存在着一定的线性度误差。它们来源于传感器本身的非线性特性和非电量转换电路。微机化仪表中a d 转换器也存在非线性。为改善检测系统的输入输出特性，必须对其进行线性化处理。在常规检测仪表中常采用硬件方式补偿电路的方式来减小非线性误差。在微机化仪表中，常采用软件法来消除误差。非线性补偿软件方法有三种：计算法、查表法和插值法。1计算法当检测系统的输入量和输出量有确定的数学表达式时，可采用计算法进行非线性补偿。软件编程的任务是将数学表达式用程序段柬实现。2查表法若系统的输入输出特性过于复杂，很难通过编程实现非线性补偿时，可采用查表法。由于输入输出特性不能连续测定和校准，只能通过计算将有限个分散的数据组成输入输出表格。然后将表格固化在外部数据存储器中。这样在数据处理模块中只需通过简单的查表指令就可获得所需的输入量，提高了系统运行的实时性。3插值法查表法只适用于模拟量经d 转换后所得的数字量恰好与数据存储器中的表格的数据完全一致的情况。然而在实际测量时，输入值经常介于某两个表格数据之间，此时就要应用插值法进行计算。插值法又分为线性插值法和分段曲线拟合法两种。本课题中对瞬时流量的处理采用查表法。瞬时流量信号经d 转换后的数字量位于1 0 2 与2 5 5 之间，通过计算将每个数字量对应的瞬时流量做成表格固化在外部r o m 中。3 4 显示控制单元“删1。应用系统的人机交互指的是操作人员与系统之间的信息交流，它包括操作人员对应用系统的状态干预与数据输入以及应用系统向操作人员报告运行状态和运行结果这两方面的互动行为。目前，键盘和数码显示器是在大多数智能仪1 9表应用系统中使用最为普遍的人机交互设备。人机交互功能几乎是所有单片机应用系统不可或缺的重要功能之一，因此它在应用系统的开发中占有十分重要的地位。1 智能仪表的操作面板设计应用系统的人机交互单元分为两个组成部分：一是用于人机交互的输入输出设备，如键盘、显示器、打印机等；二是应用系统和这些设备之间的接口电路。在本课题所开发的应用系统中。用于人机交互的输入输出设备安装在仪表的操作面板上。在这一部分的硬件设计中，根据参数范围和精度要求来确定显示器的显示位数，根据数字输入和控制功能要求确定按键数量、功能及相应接线也即是指完成智能仪表操作面板的设计。i固固固圆三言鬻l 圆圆圆圆回国三蓄黧量l田田曰曰i田曰团田：l曰曰口囤；f回国园回i如图3 5 所示，智能仪表的操作面板上有上下两组共阴极数码显示器( l e d ) ，共1 0 位。为了与显示器接口电路的实际连接形式相一致，两组l e d 显示器统一编号，自右至左，且自上而下分别从o 到9 排列。上面一组显示器共有四位( 0 3 ) ，其作用是根掘系统的工作状态分别对水费单价和被测水流的瞬时流量两项参数进行显示。通过该组显示器右侧的两个发光二极管形式的指示器可以指示当前显示的是水费单价还是瞬时流量。该组显示器的数据显示格式为无符号四位定点数，定点数位是第三位，即：nn nn ，因而其所显示数据的范围为0 o 9 9 9 9 ；下面一组显示器共六位( 4 9 ) ，其作用足根据系统的工作状态分别对总费用和累积流量两参数进行显示，而其右侧的两个指示器的作用与前面一组的相同。该组显示器的数据显示格式与所显示的参数有关。对于总2 0费用参数的显示，数据格式为无符号整数，即：nnnnnn ，显示数据的范围为0 9 9 9 9 9 9 ；对于累积流量参数的显示，数据格式为无符号六位定点数，定点数位是第二位，即：nnnnn n ，数据范围为o 0 9 9 9 9 9 9 。以上这些参数的数据显示格式都是根据测量系统的总体设计方案而定的。图3 5 所示的智能仪表的操作键共有1 6 个，位于两组l e d 显示器的下方，并呈4 4 的排列方式。这些操作键分别是：数字键0 9 ：数字键是在参数的设定和修改过程中供操作人员进行数据输入的。“一键：“e n t ”键：“m o d ”键“c l r ”键“s t o p ”键“r s t ”键：该键用于小数数据的输入。在参数的设定与修改完毕后，按下该键可使应用系统转入流量计量工作状态。在应用系统处于参数设定与修改状态时，按下该键可对水费单价参数进行修改。在应用系统处于参数设定与修改状态时，按下该键可清除累积流量和总费用两项参数的值。在应用系统进行流量计量时，按下该键可使系统返回参数的设定与修改状态。此键为单片机系统的复位键。2 人机交互单元的接口电路设计图3 6 键盘显示器接口电路本系统中人机交互单元的接口电路是以8 2 7 9 芯片为主体，并包含相应的译码和驱动等外围器件。i n t e l 8 2 7 9 芯片是一种通用可编程键盘显示接口器件，单个芯片便可以自动完成键盘的扫描输入和l e d 的显示输出。8 2 7 9 与其它键盘扫描输入和动态l 叻显示方式相比，具有占用c p u 时问少、显示扫描无间断且质量高等特点；与静态l e d 显示方式相比，8 2 7 9 又具有占用i 0 口线少的特点。因此，对于多位l e d 显示和多键输入的应用情况，8 2 7 9 芯片是较理想的选择。在如图3 6 所示的应用系统的键盘显示器接口电路中，8 2 7 9 的两组显示输出线0 u t b o o u tb 3 和o u t a 。o u t a ：，通过两片六输入一输出的0 c 门( 集电极开路)驱动芯片7 4 0 7 及各限流电阻与共阴极l 叻显示器的段选脚相连，从而进行段选码的输入；由于操作面板上的l e d 显示器共有1 0 位，因此8 2 7 9 是以1 6 位字符显示的方式工作，其扫描线s l 。s l ，以编码的方式输出，并通过4 1 0 线译码驱动芯片7 4 l s l 4 5 实现对显示器的位选控制。在这里，l e d 显示器在接口电路中的连接次序与操作面板上的标号一致；8 2 7 9 的前三位扫描输出线s l 。s b 经3 8线译码器7 4 l s l 3 8 译码后，译码器的前两位输出线y 。，y 与8 2 7 9 的8 根回复线r l 。r l ，将操作面板上的前1 5 个操作键连接成一个准2 x 8 的矩阵形式( 第1 6 个操作键为系