一種遠程流量計量系統的設計

1 引言

　　流量計廣泛用于現代工業(yè)測控對流體計量，流量計的遠程監測和數據集中管理是現代流量計遠程網(wǎng)絡(luò )化、測量自動(dòng)化的發(fā)展趨勢[1]。MODEM(調制解調器)是遠程通信方式之一，利用工廠(chǎng)、企業(yè)內部或者公用電話(huà)交換機網(wǎng)絡(luò )(Public Switched Telephone Network, PSTN)實(shí)現計算機之間或中央控制室計算機與工業(yè)現場(chǎng)嵌入式系統之間進(jìn)行遠距離數據傳輸。這種通信方式不受地點(diǎn)和時(shí)間的限制，而且傳輸數據完全、經(jīng)濟、方便，不用另外布線(xiàn)。因此，現代工業(yè)遠距離測控傳輸中使用較多。

　　遠程流量計量系統一般由流量計、下位機數據傳輸系統、通信介質(zhì)和PC機構成，現有流量計的數據輸出一般有串口和4～20mA模擬信號兩種形式。由于輸出的信號前者為數字量，后者為模擬量，因此，其數據傳輸系統的設計原理不同，分別針對這兩種數據輸出形式，結合MODEM遠程通信的優(yōu)點(diǎn)和單片機現場(chǎng)采集數據的方便性、實(shí)用性設計性?xún)r(jià)比較高的遠程流量計量系統，尤其是合理設計下位機硬件系統、軟件系統和有效采取抗干擾的硬件和軟件措施是實(shí)現整個(gè)系統功能的關(guān)鍵與核心技術(shù)。

單片機現場(chǎng)采集和發(fā)送各流量測量節點(diǎn)的實(shí)時(shí)數據。流量測量節點(diǎn)分布管網(wǎng)圖設計成用戶(hù)界面，通過(guò)上位機可以很方便地撥通分配給各個(gè)測量節點(diǎn)流量計的電話(huà)號碼，即可實(shí)現數據的適時(shí)顯示和集中管理，實(shí)際應用表明系統性?xún)r(jià)比高，下位機工作穩定可靠，上位機能實(shí)時(shí)、準確顯示流量計數據。因此，系統的設計具有一定的技術(shù)創(chuàng )新意義和較大的實(shí)用價(jià)值

　　2 系統總體設計

　　遠程流量計量系統實(shí)現遠程流量計的實(shí)時(shí)監測控制和數據傳輸，對系統運行的重要參數和各節點(diǎn)實(shí)時(shí)數據進(jìn)行直觀(guān)地顯示。為了提高系統數據傳輸速度和增大傳輸距離，提高系統的抗干擾能力和測控精度，本設計通過(guò)公用電話(huà)網(wǎng)，由中心計算機(上位機，PC)、調制解調器(MODEM)、單片機(下位機)以及各流量測量點(diǎn)的流量計組建成遠程流量計量系統。圖1系統總體設計原理框圖，系統采用兩級控制結構：第一級為直接控制級，即單片機對遠程流量計的數據(如：壓力、溫度、瞬時(shí)流量和累積流量等)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集;第二級為過(guò)程管理級，即用一臺普通PC機來(lái)實(shí)現，主要實(shí)現對各流量計參數和測量數據的管理和實(shí)時(shí)顯示，并且可以根據實(shí)際需要進(jìn)行系統的調整和擴展，所以上位機的監測軟件包括通信模塊、數據庫模塊和用戶(hù)界面三部分。

　　圖1 系統原理框圖

　　遠程流量計測量位置較分散，可以將各流量計的分布情況顯示在上位機上，每個(gè)流量計用Command控件表示，并且代表一個(gè)電話(huà)號碼，構成所有流量計的分布示意圖。通過(guò)上位機多點(diǎn)撥號的方式，對應的流量計數據經(jīng)過(guò)對應的下位機電平轉換，傳入對應的MODEM，再經(jīng)過(guò)公用電話(huà)網(wǎng)從PC/MODEM適配卡傳入上位機。

　　3 下位機硬件、軟件設計

　　根據現有流量計的使用狀況和數據輸出模式，一般數據輸入/輸出方式主要由：并行、串行和4～20mA電流模擬信號。本系統針對后兩種數據輸入/輸出方式分別對下位機的軟、硬件進(jìn)行設計。下位機的數據收發(fā)與控制器選用PIC16F877單片機。

　　3.1 下位機與流量計的串行通信

　　圖2為下位機與流量計之間采用串行通信方式時(shí)的電路原理圖。上位機撥通測量節點(diǎn)流量計的電話(huà)號碼，相應節點(diǎn)的MODEM相應，數據傳送至下位機的MODEM(提供標準的RS-232接口)，經(jīng)RS-232/485電平轉換器進(jìn)行電平轉換，PIC16F877控制MAX485進(jìn)行數據收發(fā)。PIC的同步/異步收發(fā)模塊USART(25腳RC6/TX/CK和26腳RC7/RX/DT)接收來(lái)自流量計經(jīng)電平轉換的數據反向傳輸給上位機。圖3是PIC與流量計之間采用串行通信方式時(shí)的流程圖。

　　圖2單片機與流量計之間采用串行通信方式的原理圖

　　3.2 流量計采用4～20mA模擬信號輸出

　　當流量計的輸出為4～20mA模擬信號時(shí)，采用如圖4所示的電路結構，流量計數據以4～20mA電流信號輸出經(jīng)過(guò)一個(gè)250Ω的標準電阻R1轉換為電壓信號，電壓量經(jīng)A/D轉換器ADS1202進(jìn)行A/D轉換成數字量進(jìn)入PIC16F877，由單片機的USART模塊發(fā)送給MAX232傳輸到電話(huà)線(xiàn)。

　　4 系統抗干擾措施

　　根據實(shí)際經(jīng)驗和現場(chǎng)使用情況，提高下位機系統的抗干擾能力是整個(gè)系統穩定、可靠工作的主要保證，所以，以下重點(diǎn)從下位機硬件系統的干擾源和軟件系統兩方面介紹保證系統可靠工作的有效措施。

4.1 硬件系統抗干擾措施

　　解決好電路板本身的問(wèn)題是提高系統抗干擾能力的基本措施，如元器件的選擇，線(xiàn)路布線(xiàn)以減少分布電阻和壓降、降低耦合噪聲、減少高頻噪聲發(fā)射、降低感應噪聲，減少I(mǎi)C插座數量。除此之外，還應采取如下抗干擾措施：

　　(1)系統接地的抗干擾設計

圖3 PIC16F877與流量計之間串行通信的流程圖

　　圖4 流量計采用4～20mA模擬輸出時(shí)的通信電路

　　制作PCB板時(shí)可以采用增加一層地線(xiàn)層的三層板，地線(xiàn)層覆蓋的面積應盡可能大，使高頻器件的地直接通過(guò)過(guò)孔與地線(xiàn)層連接，使地線(xiàn)與信號線(xiàn)不并行排列，從而可以減少感應和輻射，數字地與系統安全地只在一點(diǎn)相連，以免在地線(xiàn)之間形成回路。