为了增强流量系统的开放性、可靠性和通信功能,文中介绍如何将单片机、CAN总线及组态软件技术应用于涡轮流量计测量系统中,文中给出了系统的设计思想与实现方法。

　　流量测量广泛地应用于工农业生产、防建设、科学研究、产品贸易输送以及人民日常生活等各个域,流量测量的好坏对生产质量,供需争议,能源的 利用等也有很大响,别像我这样个能源消耗大,流量测量的作用是非常重要。为了对流量进行准确的测量,就必须研究不同流体在不同条件下的流量测 量方法,并提供相应的测量仪表,即流量计。对于封闭管道的流量测量到目前为止,使用的工具主要有速度式流量计、容积式流量计、质量流量计等几十种流量计, 每种各有点。由于速度式中的涡街流量具有其他流量计兼得的优点,结构简单而牢固,无可动部件,可靠性,压损小,运行费用低,量程宽等,是种新型 的流量测量仪表[3],它正随着传感器及单片机技术的发展而不断改进完善。

　　随着现代工业的自动水平不断提,在很多情况下需要集中监测多个流量点,如石油注水开采过程中,为了保持开采效果、保护地下环境以及日后分析注 水数据,需要对注水量进行监测,需要测量的节点往往几百个以上,因此如何地对多点进行流量监测,就需要将流量计通过种标准的总线接口联成流量系统。

　　1　涡街流量系统的硬件组成

　　系统由上位机和下位机两部分组成。上位机的任务是完成对总线上所有节点流量状况,获取各节点瞬时流量和累积流量数据,并对数据作后续处理, 即保存、显示、统计、查询及报表工作,主要由工控机、CAN通信适配卡、打印机等构成。下位机的主要任务是将各种信号转变为电信号,经放大整形、模数转换、积算、显示、保存等处理,通过RS232与上位机通讯,或通过CAN总线接口与上位机交换数据。下位机仪表系统主要由涡街流量传感器、压力和温度传感 器、转换部分、智能流量积算仪等构成的智能涡轮流量计。网络拓扑结构采用总线式结构,此种结构虽然比环形结构信息吞吐率低,但结构简单、成本低,并且采用无源抽头连接,系统可靠性。CAN总线连接各个网络节点,形成多节点网络,传输介质采用双绞线。因为本系统应用在工业现场,为进步提系统的抗能 力,在控制器和传输介质之间增加了速光耦进行光电隔离[2],流量节点采用了电池供电,并具有掉电保护等措施。

　　流量系统的总原理图如图1(图中只画了多个智能节点中的个完整节点,在CAN总线多可以挂110个节点),器件全部选用低功耗器件。单片机 选用TI公司的具有低功耗的16位MSP430F149单片机,该单片机的工作电压范围很宽为1·8~3·6 V,系统功耗低,别适合用在干电池供电的仪表。

　　文中设计的涡轮流量计实现了智能化,在满足传统涡轮流量计流量显示之外,通过数字技术加强了对涡街信号的处理,提测量精度。不但能测液体,也可测量气体流量,测气体时需要进行温压补偿功能。流量计除了具有RS232通信功能以外,还嵌入了CAN总线接口技术,进步提了通信的距离。其中单片机是流量计的核心。流量计的所有数据都必须由它来处理。没有单片机智能流量计就不能进行流量信号的收集、处理和输出[1]。其中CAN总线部分的详细原理 如图2。文中使用SJA1000作为流量计的CAN控制器,与CPU(单片机)的I/O口直接相连,再通过PCA82C250组成CAN总线。这种结构很容易实现CAN网络节点中的信息收发,从而实现对现场的控制。

　　SJA1000的AD0~AD7连接到MSP420F149的P0口,INT接到P1·0,/CS接到P1.1,/RD连接到P1·2,/WR 连到P1·3,ALE连到P1·4,SJA1000的RX0与TX0分别通过两个速光耦CNW137与PCA82C250相连后,连到CAN总线上。

　　PCA82C250为CAN总线收发器,是CAN控制器与CAN总线的接口器件,对CAN总线差分方式发送,其RS引脚用于选择 PCA82C250的工作方式:速方式、斜率方式。RS接地为速,RS引脚串接个电阻后再接地,用于控制上升和下降斜率,从而减小射频。RS引 脚接电平,PCA82C250处于等待状态。此时,发送器关闭,处于低电流工作,可以对CAN总线上的显性位做出反应,通知CPU。实验数据表明 15~200 kΩ为较理想的取值范围,在这种情况下,可以使用平行线或双绞线作总线,文中PCA82C250的斜率电阻为取30 kΩ.CNW137为速光耦,速度为10 Mbps,用于保护CAN总控制器SJA1000。CAN总线的终端匹配电阻起相当重要的作用,不合适的电阻会使数据通信的抗性及可靠性大大降低,甚 无法通信,范围为108~132Ω,文中使用的电阻为124Ω.

　　2　涡轮流量系统的软件组成

　　设计的系统主要由上位机(带有接入PC内部的CAN总线适配卡)和若干个CAN总线接口的网络节点(智能涡轮流量计)组成,软件设计分上位机程序与下位机的单片机程序两部分。

　　采用了产组态软件组态6·5+VB编写上位机程序。组态软件是通用组态软件,支持研华、西门子、欧姆等厂商生产的底层硬件设备 (PLC、智能仪表、智能模块、板卡、变频器等)。利用软件提供的控件加入用户的动画连接后,可实现数据在主控界面上的实时显示、报警以及实时趋势曲线和 历史趋势曲线等显示功能。每个下位机节点的数据不但能自己存储,还可以传输到计算机中。数据在组态内部是以变量的形式存在,用户通过在数据词典中定义变 量以及与变量相对应的设备来实现组态与底层硬件设备的数据交换。但是组态不支持CAN总线,所以通过VB采集CAN总线适配卡的数据,以DDE的方式 传到组态中。

　　本系统在组态环境中设计所需要的各种静止画面,通过链接形成个整体。组态软件为每个涡轮流量计的图形元素定义了不同的动画属性,该动画属性 与管道流量的数据变量相关联,连接到实时数据库中。当现场管道的流量发生变化时,通过CAN适配卡将变化的数据采集到实时数据库的变量中,该变量是与动画 属性相关的变量,数值的变化,使图形的状态产生相应的变化。由于现场的数据是连续被采集进来的,这样就会产生逼真的动画效果.

　　本系统共开发了十几个界面,包括计量间界面、报警控制台界面、曲线显示、报表、参数设置等。通过主界面可以调用不同的界面,对于操作人员设置了不同的权限,微机软件主程序结构如图3。

　　本系统下位机程序的设计采用自向下的模块化设计方法,就是从整体到局部再到细节。先制定整体方案,然后将系统的每个功能都用对应的相互立的子程序模块来实现,主程序大部分时间处于低功耗状态。系统测量的主程序流程图如图4。

　　仪表上电后,在进行测量之前先进行系统功能和变量初始化,然后接收各种信号,其中涡轮流量信号经二进制计数器输入单片机内,温度、压力经过相 关处理后,经过CPU自带的A/D转换口输入。如果被测介质是液体,读出仪表系数,根据温度对系统进行补偿后,计算液体流量,存入内存;如果被测液体介质 是气体,根据补偿设置,完成温度和压力的补偿,计算气体的标准体积流量。涡轮流量计将测量数据通过CAN接口送到上位机中。

　　当多个涡轮流量计与上位机联网后,系统运行良好,这种基于现场总线的抗、性能可靠的流量监测系统完满足工程需要。