[導(dǎo)讀] 描述了DSP控制實(shí)現(xiàn)的
明渠非接觸式流量計(jì)，對(duì)非接觸式流量計(jì)的數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)及通信接口電路組成做了詳細(xì)討論。介紹了在多數(shù)據(jù)量采集以及實(shí)時(shí)處理的要求下，采用數(shù)字信號(hào)處理器TMS320LF2407A實(shí)現(xiàn)采樣運(yùn)算的方案。采用FIR算法對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字低通濾波，將數(shù)據(jù)通過(guò)串行口傳送到上位機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。根據(jù)所提出的方案研制了一臺(tái)基于TMS320LF2407A明渠污水流量計(jì)。
引言
為了對(duì)腐蝕性較強(qiáng)的流體進(jìn)行流量計(jì)量，本研究提出了一種新型非接觸式流量計(jì)的設(shè)計(jì)。該流量計(jì)采用了先進(jìn)的微處理器和機(jī)電一體化技術(shù)，具有時(shí)間比例、流量比例兩種采樣模式，可全天候?qū)α黧w流量進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣。整機(jī)準(zhǔn)確、可靠、且操作簡(jiǎn)單、維護(hù)方便。對(duì)自然水源、工業(yè)廢水、未處理污水及以處理污水均能實(shí)現(xiàn)水質(zhì)采樣過(guò)程中的流量計(jì)量。可廣泛應(yīng)用于制藥、冶金、電鍍、造紙、化工、輕紡、食品、污水處理廠等行業(yè)和科研部使用。
1 明渠污水流量計(jì)簡(jiǎn)介
1.1 明渠流量計(jì)
明渠流量計(jì)是在非滿管狀敞開(kāi)渠道測(cè)量自由表面自然流的流量?jī)x表。非滿管態(tài)流動(dòng)的水路稱作明渠，測(cè)量明渠中水流流量的稱作明渠流量計(jì)（openchannelflowmeter）。明渠流量計(jì)除圓形外，還有U字形、梯形、矩形等多種形狀。明渠流量計(jì)應(yīng)用場(chǎng)所有城市供水引水渠、火電廠引水和排水渠、污水治理流入和排放渠、工礦企業(yè)水排放以及水利工程和農(nóng)業(yè)灌溉用渠道。國(guó)內(nèi)應(yīng)用數(shù)據(jù)估計(jì)約占流量?jī)x表整體數(shù)據(jù)的1.6%。
1.2 流量計(jì)結(jié)構(gòu)類型
明渠流量計(jì)具有巴歇爾槽結(jié)構(gòu)和堰式槽結(jié)構(gòu)兩種，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)不同的情況進(jìn)行選用。如果下游水量暢通，場(chǎng)地寬敞，可以選用巴歇爾槽結(jié)構(gòu)，反之則可以選用堰式結(jié)構(gòu)。另外還帶有非滿管測(cè)量結(jié)構(gòu)，下游水位高低變化不會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。一般的適用流量范圍為0.5噸/小時(shí)～20000噸/小時(shí)。
流量計(jì)在結(jié)構(gòu)上一般由流量計(jì)傳感器和流量計(jì)轉(zhuǎn)換器兩部分組成。一般情況下，傳感器和轉(zhuǎn)換器是分體的，傳感器安裝在監(jiān)測(cè)過(guò)程感受流量信號(hào)；轉(zhuǎn)換器將傳感器送來(lái)的流量信號(hào)進(jìn)行放大，并轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)，以便進(jìn)行顯示、記錄、積算和調(diào)節(jié)控制。也有的流量計(jì)將轉(zhuǎn)換器和傳感器裝在一起，組成一體型流量計(jì)，可就地顯示和遠(yuǎn)傳顯示及控制。
流量計(jì)傳感器主要由測(cè)量管組件、磁路系統(tǒng)、電極及干擾調(diào)整機(jī)構(gòu)部分組成。為了使傳感器穩(wěn)定可靠地工作，準(zhǔn)確地感受流量信號(hào)，傳感器應(yīng)滿足如下要求：
1）能提供一個(gè)足夠大的且與流量成正比的電勢(shì)信號(hào)；
2）能把干擾信號(hào)抑制到最小程度，使信噪比足夠大；
3）能適應(yīng)惡劣環(huán)境條件，工作可靠。
2 系統(tǒng)的控制原理
對(duì)明渠流量的測(cè)量方法主要有直接法和間接法兩大類。
直接法是對(duì)明渠中某些質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行測(cè)量，找出這些質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度與流體在明渠中的平均速度之間的關(guān)系，以及明渠的橫截面積，進(jìn)而得到通過(guò)明渠的流量。直接法由于很難找出某些質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度與流體在明渠中的平均流速之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此很少被采用。
間接法是在明渠中安裝水量具，使之對(duì)明渠中的被測(cè)流體形成約束阻力，從而在水量具的上、下游形成與明渠橫截面上平均流速有關(guān)的液位差。如果能夠保證水量具下游出口處的液位不變，測(cè)量水量具的上游液位即可反映明渠橫截面上的平均流速。找出其對(duì)應(yīng)關(guān)系，用測(cè)量水量具上游液位的方法即可得到明渠截面上的平均流速，進(jìn)而達(dá)到明渠流量測(cè)量的目的。上游測(cè)定點(diǎn)處的水位h與瞬時(shí)流量q有確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系：h=f（q），只要測(cè)出該點(diǎn)的水位即可測(cè)出該點(diǎn)的流量。間接法在明渠測(cè)量中主要靠測(cè)量液位高度h來(lái)實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用比較廣泛，是目前明渠流量計(jì)的主要測(cè)量方法。
實(shí)際應(yīng)用中，明渠中的水質(zhì)多有污染，特別是含油廢水的測(cè)量，往往由于浮力的變化，使得傳感器受到干擾而測(cè)量不準(zhǔn)確。因此本文提出用非接觸式的超聲波傳感器代替目前流量計(jì)中普遍使用的接觸式液位傳感器。
本系統(tǒng)由槽（堰）、超聲波流量傳感器和控制器三部分組成。超聲波傳感器與污水不接觸，能保持傳感器的不受腐蝕，但水中的漂浮物可能影響測(cè)量真實(shí)性。控制器以DSPTMS320LF2407A為主控芯片，完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采樣、數(shù)據(jù)運(yùn)算處理，其串口通訊可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和監(jiān)控功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
當(dāng)水通過(guò)流量槽（Parshall-巴歇爾槽）形成自然流動(dòng)時(shí)，其流量Q與流量槽上流水位H的關(guān)系為：
Q=KHn
式中K、n分別是流量系數(shù)和巴歇爾槽結(jié)構(gòu)的喉部尺寸，實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)依據(jù)不同的情況，不同的尺寸賦予不同的值。對(duì)于不同規(guī)格的槽或堰有不同的值，H是液位高度（m）。
超聲波液位傳感器在DSP的控制下，進(jìn)行超聲發(fā)射和接收，由超聲波的傳播時(shí)間T來(lái)計(jì)算傳感器與液面之間的距離：
h=（C*T）/2
式中C為超聲波在空氣介質(zhì)中傳播速度（m/s），若傳感器至流量槽堰零液位時(shí)距離為hmax，則液位高度H=hmax-h。
3 系統(tǒng)控制器的單元組成
設(shè)計(jì)流量測(cè)量?jī)x器，采樣精度要求較高，采樣速度較快，而且由于現(xiàn)場(chǎng)存在干擾，需要對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，數(shù)據(jù)處理量較大。并且由于污水流量計(jì)一般情況下都安裝在戶外，考慮檢測(cè)及維護(hù)的需要，控制器應(yīng)具有遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸功能，綜合以上各因素，選擇DSP數(shù)據(jù)信號(hào)處理器作為主控芯片。
3.1 主控芯片TMS320LF2407A
TMS320LF2407A是TI公司推出的24x系列DSP控制器，具有處理性能更好（30MIPS）、外設(shè)集成度更高、程序存儲(chǔ)器更大、A/D轉(zhuǎn)換速度更快等特點(diǎn)，F(xiàn)LASH芯片有高達(dá)32K字的儲(chǔ)存器，1.5K字的數(shù)據(jù)/程序RAM，544字雙口RAM（DRAM）和2K字的單口RAMSRAM），其靈活的指令集、高速的運(yùn)算能力、改進(jìn)的并行結(jié)構(gòu)為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了經(jīng)濟(jì)的可編程解決方案。其功能主要有：
高性能16路10位A/D轉(zhuǎn)換器，適用與多路數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)，A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間為500ns。具有自動(dòng)排序功能，使最大為16路的轉(zhuǎn)換在同一轉(zhuǎn)換期間進(jìn)行而不會(huì)增加CPU的開(kāi)銷。
集成有串行通訊接口（SCI），使之能夠與系統(tǒng)中的其他控制器進(jìn)行異步通信以及多處理機(jī)通信。
16位的串行外設(shè)（SPI）接口模塊，可用于顯示驅(qū)動(dòng)器、日歷時(shí)鐘等器件的擴(kuò)展。
兩個(gè)事件管理模塊EVA和EVB，每個(gè)包括：兩個(gè)16位通用定時(shí)器；8個(gè)16位的脈寬調(diào)制（PWM）通道。
電源管理包括3種低功耗模式，能獨(dú)立地將外設(shè)器件轉(zhuǎn)入低功耗工作模式。
在明渠污水流量計(jì)系統(tǒng)中，主要利用其高速A/D接口和通訊接口等，可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，其運(yùn)算速度和3.3V電源供電的低功耗模式均可滿足測(cè)量?jī)x器的要求。
3.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC及數(shù)字濾波
模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊帶內(nèi)置采樣/保持（S/H），包含兩個(gè)獨(dú)立的最多可選擇8個(gè)模擬轉(zhuǎn)換通道的排序器，這兩個(gè)排序器可被級(jí)連成一個(gè)最多可選擇16個(gè)轉(zhuǎn)換通道的排序器，如圖2所示。
在給定的排序方式下，4個(gè)排序控制器決定了模擬通道轉(zhuǎn)換的順序，多個(gè)觸發(fā)源可以啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換，本系統(tǒng)AD采樣由定時(shí)器1（EVA）來(lái)軟件觸發(fā)，定時(shí)器周期設(shè)為0.125毫秒，故每0.125毫秒采樣一次，在AD中斷服務(wù)程序中，把存儲(chǔ)在16個(gè)結(jié)果寄存器（RESULT0-RESULT15）采樣結(jié)果保存到內(nèi)存中去。
若第一路信號(hào)的值A(chǔ)DC0_result為“0x0322”，因?yàn)長(zhǎng)F2407A的AD是12位精度的，最高輸入電壓為3。3V，則AD通道0采集到的電壓值x可按下式計(jì)算：
本系統(tǒng)選用耐酸耐堿型的UTG21-DP型超聲波明渠流量計(jì)，該流量計(jì)可以用來(lái)連續(xù)監(jiān)測(cè)明渠中污水的流量并累計(jì)流量，也可以作為非接觸式液位計(jì)使用，適用于水利、水電、環(huán)保以及其它工農(nóng)業(yè)明渠條件下的流量測(cè)量。它輸出4‾20mA信號(hào)連接到DSP中，圖3為把4‾20mA電流信號(hào)轉(zhuǎn)化成0-3.3V電壓信號(hào)提供給DSP采樣的轉(zhuǎn)化電路，其中：R1‾R4阻值為1kΩ，R5為10kΩ，C1為22μ/35v。
在定點(diǎn)DSP芯片中，采用定點(diǎn)數(shù)進(jìn)行數(shù)值運(yùn)算，其操作數(shù)一般采用整型數(shù)來(lái)表示。水位的采樣頻率為8kHz，每個(gè)水位樣值按16位整型數(shù)存放在一個(gè)文件中，低通濾波的截止頻率為800Hz，濾波器采用19點(diǎn)的有限沖擊響應(yīng)FIR濾波。
FIR 濾波公式為
根據(jù)采樣頻率和截至頻率以及濾波器的階數(shù)確定濾波器系數(shù)如下：
結(jié)合DSP的數(shù)據(jù)處理特點(diǎn)，采用數(shù)字低通濾波對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行處理，濾除被檢測(cè)信號(hào)的高頻采樣干擾，對(duì)系統(tǒng)的檢測(cè)和計(jì)量有良好的效果。
DSP的指令周期為25ns，使得流量的快速計(jì)算成為可能。程序每秒鐘控制超聲波傳感器檢測(cè)一次水位，計(jì)算出一秒種的流量，并進(jìn)一步累積為時(shí)流量、日流量、月流量、年流量和總累積流量，由串行口傳給上位機(jī)。
3.3 串行通信設(shè)計(jì)
為了實(shí)現(xiàn)對(duì)污水流量計(jì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，將運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)的傳輸?shù)揭壕辽线M(jìn)行顯示，同時(shí)也可以方便的通過(guò)鍵盤對(duì)逆變系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行在線修改。為了使系統(tǒng)更加智能化，發(fā)揮計(jì)算機(jī)的控制優(yōu)勢(shì)，采用RS-485總線將多個(gè)子系統(tǒng)與上位機(jī)之間串行通信，TMS320LF2407A串行通信接口SCI模塊接收器和發(fā)送器是雙緩沖的，每一個(gè)都有自己?jiǎn)为?dú)的使能和中斷標(biāo)志位，串行口經(jīng)過(guò)一片MAX3082和一個(gè)RS-485與RS-232的電平轉(zhuǎn)換器與上位機(jī)進(jìn)行通信。其485接口電路如圖4所示。
圖4中使用MAXIM公司的MAX3082作為RS-485接口芯片，適用于半雙工通信方式。它采用平衡驅(qū)動(dòng)和差分接收，具有抑制共模干擾的能力，可用于惡劣環(huán)境中，最大通信距離可達(dá)1200米。它具有發(fā)送使能和接收使能控制，當(dāng)使能無(wú)效時(shí)，發(fā)送和接收的輸出端呈高阻狀態(tài)。使用MAX3082構(gòu)成通信系統(tǒng)時(shí)，最大通信速率為0.125Mb/s，傳輸線上最多可掛128個(gè)收發(fā)器。
在上位機(jī)的通訊接口中，本系統(tǒng)使用牛頓-7520作為RS-485與RS-232的電平轉(zhuǎn)換器，其接口為標(biāo)準(zhǔn)的RS-485和RS-232總線接口。它具有300bps～115200bps的自適應(yīng)波特率，同時(shí)內(nèi)部在RS-232側(cè)加有3000V的直流隔離。
DSP串行口初始化：
4 結(jié)束語(yǔ)
由于采用非接觸測(cè)量方式，避免被測(cè)介質(zhì)對(duì)傳感器的腐蝕，特別適合污水流量的測(cè)量。控制器采用DSP數(shù)字信息處理技術(shù)，集信號(hào)檢測(cè)、信號(hào)轉(zhuǎn)換、顯示輸出、數(shù)據(jù)傳輸、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)等功能于一體，適用于不同槽（堰）和傳感器，具有通用性。
由于DSP的工作頻率較高，如TMS320LF2407A時(shí)鐘頻率為40MHz，而普通單片機(jī)的時(shí)鐘頻率僅為11.2MHz，故其數(shù)據(jù)讀寫周期相對(duì)單片機(jī)而言很短，然而PC機(jī)串口讀寫速度較低，最大數(shù)據(jù)吞吐量約為115kbps，盡管DSP在與這些慢速外設(shè)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)可以加入額外的等待周期，但是在實(shí)時(shí)性要求苛刻，算法復(fù)雜的場(chǎng)合，將DSP從這些冗長(zhǎng)的等待周期中解放出來(lái)，將其時(shí)間重點(diǎn)放在處理關(guān)鍵的實(shí)時(shí)任務(wù)中去，有著重要的實(shí)際意義。
本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：針對(duì)實(shí)際應(yīng)用中，明渠中水質(zhì)的污染狀況，特別是含油廢水的測(cè)量，往往由于浮力的變化，使得傳感器受到干擾而測(cè)量不準(zhǔn)確。本文提出用非接觸式的超聲波傳感器代替目前流量計(jì)中普遍使用的接觸式液位傳感器。超聲波傳感器與污水不接觸，能保持傳感器不受腐蝕。控制器以DSPTMS320LF2407A為主控芯片，完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采樣、數(shù)據(jù)運(yùn)算處理，其串口通訊可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和監(jiān)控功能。
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