计算机直接读取测速信号实现流速仪智能化流量测验

计算机直接读取测速信号实现流速仪

智熊化流量测验王慧撰，张英骏3,熊孟琴3(1.河北水利电力学院，河北沧州061001；2.河北省高校水利白动化与信息化应用技术研发中心，河北沧州061001；3.河北省沧州水文水资源勘测局.河北沧州061000)［摘要］河流流量测验与成果管理系统(ITMS)实现了从流速仪测速信息来源，性采集到加工处理，自动完成断面测脸和分析计算、成果整编工作，由便携式计算机支持测验作业，把传统的测验模式提高到信息化的测验水平。其中的软硬件接口设计是系统目标能否实现的瓶颈，在简单介绍整个系统功能的基础上，对计算机COM端口读写与施测过程设计的成功方法和经验进行叙述，给出了详细的端口通讯协议，可供用户自行研发其它各种工作原理下的流速仪测速信号装置与之配於。［关键词)流速仪；便携式计算机;COM端口；智能化；流量测验〔中图分类号］P332.4［文献标识码］A［文章编号］1006-7175(2017)01-0080-05ComputerDirectlyReadSpeedSignaltoRealizeIntelligent

VelocityInstrumentFlowTestWANGHui12,ZHANGYing-jun3,XIONGMeng-qin3(1.HebeiUniversityofWaterResourcesandElectricEngineering,Cangzhou061001,Hebei,China；2.WaterResourcesAutomationandInfonnatizationApplicationTechnologyResearchandDevelopmentCenterofHebeiColleges,Cangzhou061001,Hebei,China；3.BureauofHydrologyandWaterResourcesSurreyofCangzhou,Cangzhou061000,Hebei,China)Abstract:RiversflowtestandITMSachievedfromtheacquisitionofthecurrentmeterspeedinformationsourcetoprocessing,automaticcompletenessofsectiontest,analyticalcalculationandtheresultsofcompilation.Theyaresupportedbyportablecomputertestperformance,increasingthetraditionaltestpatterntotheinformationizationlevel.TheinterfacedesignofthesoftwareandhardwareisthekeyoftherealizationofthegoalInthispapertbasedonthebriefintroductionofthewholesystemfunction,theauthorsdescriedthemethodandtheexperienceofcomputerCOMportandthemeasuringprocessdesign.Besidesthatttheauthorsgavethedetailedportcommunicationprotocol,availableforuserstodevelopotherkindsofworkundertheprincipleofcurrentmeter［收稿日期］2016-11-03［作者简介］王慧(1983-)，女,河北沧州人，讲帅，硕士，研究方向为水文水资源;张英骏(1967-).男，河北黄骅人,正高级E程师.主要从事水文测报T.作;熊孟琴(1972-).女.四川大竹人，高级「程师，主要从事水文整编工作.speedsignaldevicetomatch.Keywords：currentmeter；portablecomputer；COMport；intelligent；flowtest1概述河流流量测验是最基本的水文业务工作，流速仪测流一直是水文行业流量测验的主要方法，也是率定和衡量其他各种测流方法精度的标准,一般采用桥测、船测或水文缆道测量，人工记时、记数和计算，手段落后,工作效率低。现在ADCP测流方式已广泛应用且已纳入行业规范,但受水质、河床等条件限制，始终不能完全取代流速仪法、浮标法等传统测验方式。因此，几十年来，人们也就始终没有间断围绕流速仪法的开发研究,电动缆道、智能测算仪等配套产品相继推出。但是，任何不能直接连接计算机实现来源性采集信息和拥有一个成熟可靠的软件系统来支持的技术革新，受其灵活性和可开发性所限，都不可能达到自动化、信息化的最高水平。“实测流14、输沙成果管理系统”是水文测验整编人员在长期工作实践中基于PowerBuilder工具开发的集流量、输沙测验信息的录入计算、误差分析、辅助整编等一体的计算机软件系统，经过多年的完善，已经成为水文基层人员深深信赖的测报工具，特别是断面流量分析计算功能，以其同人工记录相同的界面和即时得到测羚结果的人性化、规范化，对流速仪工作原理的理解的全面性、严谨性和作业中的简单性、计算结果的正确性，以及程序设计了计时计数功能，使用便携式计算机取代了停表、记录纸、计算器等测验工具，使测验水平有了本质的提高。在此基础上进一步开发,成功为该系统配套了可供计算机直接接收的测速无线信号装置，实现了从信息来源性采集到自动化加工处理的信息系统一河流流量测验与成果管理系统（ITMS），彻底改变了传统的人工测验模式。本文在简单介绍ITMS的基础上着重介绍计算机同信号装置连接通讯和施测过程设计思路与实现。2ITMS简介ITMS是由测速信号采集和计算机软件处理共同组成的流最测验整编系统，其工作模式见图lo图1PC-LL3n型测速信号装置下的工作模式Fig.1TheworkingpatternbasedonPC-LL3nspeedsignaldevice1测速信号的采集方式测速信号的获取可分为3种：0基于单片机的PC-LL3n型（无线）测速信号装置。由接收端通过USB接口与计算机通讯，形成由水面、河底、流速仪3路信号和包括故障检测等10种提示组成的成本低廉而稳定可靠的智能的信息采集系统。2）专用鼠标信号器⑴。简单改装电脑鼠标，以USB鼠标的中键连接并采集流速仪无缘信号.简单且稳定可•靠，但不能控制河底和水面信号，只能用于小河断面的桥侧、船测、涉水测验等。3）人工录入。传统测验方法得到的测速计时计数等仍可■以人工录入，还可融入采用浮标、电波流速仪等其他测速方式取得的垂线的测速数据。FlowIrsldalaroll<*<*li(mandanalyticalcalculation=FlowIrsldalaroll<*<*li(mandanalyticalcalculation=HK=HH===””二”：•»•小Mbnx:S图2流■测验信息采集与分析计算1）流ht、输沙率智能分析计算,在同一界面上可接收处理上述3种万式的测速信息，通过PowerBuilder的EditChanged事件驱动，实现即时得到计算过程和统计分析结果.实时检测作常和错误数据，各种特殊情况的处理和“四舍六入”数字修约等完全遵从行业规范耍求其智能化体现在：对测验使用的新的一架流速仪自动注册，为用户今后选择使用，按照测验历时动累加使用时间，对使用超过80h的给予提示；代测验或录入开始和结束，程序自动获取计算机系统日期时间作为本次测验的起讫时间，也允许管理级别的用户人为修改.并通过通用自定义时间中值函数门动取得规范格式的平均时间；n动识别处理巫线多点测速方法、发式河槽、岸边、死水边；自动检查每一测点流速，对超出所使用流速仪测速范围的实时提示；在借用大断面模式下.自动添加每条测速推线的相应水深和测点位队并允许用户修改；任何可以由程序自动添加的数据，如垂线编号、默认的测速相对位置0.6、流速F诅23.2信号获取PowerBuilder!1.（）版本后增加\byte数据类型，为本系统读取COM端口数据提供了技术支持。测速信号装置接收端接收的各路信号由单片机处理后通过COM端口向计算机发送，这里使用通用软件转换到USB口.并使用USB的5V电源支持工作系数等均由程序自动完成。2）测验不确定度和误差分析。提供了可维护的测流允许误差实验数据表,用户能够据此对任一测次进行分析。3）日平均流量、沙量的推求及过水总最计算，为用户“四随”工作提供了强有力的T.具。4）成果输出。可随时生成与行业规范相一致的实测流最、沙量整编成果'；历史特征值的住洵；以文本文件的形式导出和导入任一断面的测验成果，实现资料共享。5）流速仪自动注册管理、大断面更新维护等。3端口读写与施测过程设计I交互界面对测速装置的测试、施测、提示等均在分析计算界面进行，给用户一个图、文、声、表并貌的开放式操作平台，并为野外作业能有一个最佳视线.设计多种屏幕颜色可供选择。见图2。1）识别端口。为保证接收端插入计算机的任一USB口能够被有效识别.在每次工作开始前进行测试，点击“接仪器信号”选择图框,通过遍历Windows虚拟的全部COM端口，发送和接收市先同单片机约定的□令，直到配对找到为止,给「成功连接提示并准备施测.查找失败则表明采集发射端电源未开启或出现故障。

2）数据读取。试识别成功并在接到计算机的开始工作指令后，单片机向端口以0.1s的频率和波特率9600,N,8,1连续发送处理后的数据⑴，程序采用Timer事件驱动，以0.055s的频率和相同波特率读取。这样尽管函数Timer（0.055）的时间不是很精确，但足以保证不会丢失端口数据，当然也必须对读到的空值进行处理,采取累计连续读空值的时间，并设置超过2s表I测速装衢测速装衢PC读取井姓理水面流速仪河底敏片机发送读取数据处理结果（byte型）（byte型）水而流速仪河底测速装衢PC读取井姓理水面流速仪河底敏片机发送读取数据处理结果（byte型）（byte型）水而流速仪河底测速装置接收端与COM测速装衢PC读取井姓理水面流速仪河底敏片机发送读取数据处理结果（byte型）（byte型）水而流速仪河底测速装置接收端与COM端口读写协议Table1ThereceivingendofspeedingmeasuringdeviceandtheCOMport,readingun<lwritingagreementAm（P）Ahc（P）识别端口陶对成功和开始准备（谟-写）（写-读）工作的交互口令A«c（T>（读■写）0000001!010201131004101511061117人工控制按地（削键循环）Ahc（T）（写-读）停止丁•作的交互指令0无无大!无X有2无有无3无有有4有无无5有无有6有X7有有fl控制测速开始/结束9（也W通过PC人工控制）Null连续读空（ft超过2Null连续读空（ft超过2»视为故障图3流速仪信号音效设置Fig.3Thesoundsettingsofcurrentmetersignal1）信号提示。同传统的测验方式使用的皆响器一样.对读取的各路信号使用声明的Win-（lows的API函数PlaySound实现多媒体播放形式提示用户，包括水面、流速仪、河底，以及由此派生的其它提示信息共10个。例如当水面信号分别在0—1和1-0的改变后发出入水和出水提示，流速仪汁数前响铃则是指未开始施测期间因风力等造成的信号由0-1的改变。建立可自由扩充维护的提示铃声库，由用户自由添加和设置，见图3。同时，在交互界面设计的信号状态栏上对3个必要信号各制作一个指示灯。例如当测速装置入水后.水面信号将连续读取到1,程序控制入水指示灯保持红色。2）用户实施测验。选择第1条测速垂线（测点），流速仪置于相应测速位置时，点击停表图框开始测验，程序自动将停表和信号数（由流速仪转数得到）同时复制到该测点所在行进行动态计时和计数,到达设定的测速时间（如60s）后的第一个流速仪信号接收，即完成本次测点流速测验，并自动触发EditChanged事件完成计算分析，自动跳转下一垂线（测点），直至断面最后一条垂线完成，相应的断面统计分析工作同时完成,整个断面流量的测验结束。对任一有疑问的测点,可重新选择该测点或通过采集发射端的人工按键人为控制，以单•向循环的方式跳转至该测点重新施测。当然也可以人工干预或全部由人「操作记录测速历时和信号转数完成，即不必须选择垂线，从点击停表图框开始施测，视为传统测验方式的音响器，由人工录入取得的测验信息。停表图框是程序读取计算机CPU时间而设计的停表和流速仪信号计数器，也被设计为用户可任意控制开始/结束的交替按钮，并编程实现在相应的提示音后附加真人语音报数，为测验人员佩戴无线蓝牙耳机会达到最佳效果。4实际应用评价1TMS的成功研制虽然滞后于ADCP在水文行业上的普遍应用，但对于大部分小河断面和冰期测验等仍然会发挥其作用，甚至比走航式AD-CP更加方便快捷，而且其测验信息和成果能够直接用于n均流量和断面径流量的推求等，以及口J直接加工为资料整编成果。针对桥测或船测，如果不是初设断面需要布设垂线和丈量起点距，则只需一名测羚人员手提铅鱼或操作绞车顺利完成断面流量测验，因为不再需要记录、计算和停表计时人员，不足之处是在降雨天气下，桥测情况要避免雨淋电脑,一般要配备工作车；针对缆道断面，考虑避免计算机应对不可预见的机械故障的困惑，系统没有设计电脑操控缆道，但它可以准确和灵活指挥电动或手摇缆道，同时也叫以接收处理缆道原有的流速仪可靠的有线信号。5结语实现上述测速装置信号的读取和处理，特别是迎合测验人员的工作习惯和同时解决规范太多的特殊要求，在数据库设