（信号与信息处理专业论文）分布式原油罐含水在线检测系统的设计.pdf

分布式原油罐含水在线检测 系统的设计 施方明( 信号与信息处理) 指导教师：戴永寿( 教授) 摘要 原油含水率是石油化工行业石油采集、冶炼及运输过程中一个重 要的参数，原油含水率测量是否准确对于确定原油的品质和明确原油 交易时双方的利益有重要的意义。 本文首先对储罐计量仪表和在线检测的理论及其关键技术进行了 概括和论述，在此基础上设计了系统的总体方案并完成了单片机及其 外围器件的选型；其次构建了n a v r 单片机a 1 m e g a l 6 l 为核心的下位 机硬件电路，其中包括了单片机最小系统、r s - 4 8 5 串行通信、电机正 反转、a d 转换等电路的设计，在设计中充分考虑了系统的抗干扰性， 附加各种抗干扰元件或电路；然后划分了软件功能模块，软件分成上、 下位机两部分，其中下位机软件又分为串行通信、数据采集等模块， 上位机主要包括串行通信和数据处理两部分；然后针对各功能模块进 行详细设计和编码，其中对下位机软件进行了较为深入的研究，提出 了两种实现系统功能的方案：前一种是直接在单片机上编程，后一种 是基于嵌入式实时操作系统的，对上位机则采用d e l p h i 编程，使用 第三方控件来设计r s - 4 8 5 串行通信和实时显示界面；最后，总结了本 论文的工作成果，提出了进一步完善本系统的方向。 关键词：分布式、a v r 的应用、在线检测、原油含水率 d e s i g no f a no n l i n ew a t e rm e a s u r es y s t e mo f d i s t r i b u t e dc r u d e0 i lt a n k s s h if a n g - m i n g ( s i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g ) a b s t r a c t w a t e rc o n t e n tr a t i oi nc r u d eo i li sa l li m p o r t a n tp a r a m e t e ro fo i l i n d u s t r yi nt h ep r o c e s so fm i n i n g ，s m e l t i n ga n dt r a n s p o r t i n g ，s ot h e p r e c i s i o no f w a t e rc o n t e n to f t h e o i li ss i g n i f i c a n tf o rc o n f i r m i n gq u a l i t yo f t h eo i la n dd e f i n i t ei n t e r e s to f b o t hs i d e so f t r a d e f 破l y ，t h i st h e s i sg a t h e r so i lt h ee s s e n t i a lt h e o r ya n dt e c h n o l o g yo f m e t e r i n gd e v i c ea n do n - l i n ee x a m i n a t i o no fc r u d eo i lt a n k , d e s i g n st h e o v e r a l ls c h e m eo f t h es y s t e ma n ds e l e c t st h em i c r oc o n t r o l l e ru n i t ( m c l n a n di t sp o d p h e r yc o m p o n e n gn e x tt h et h e s i sc o n s t r u c t sh a r d w a r ec i r c u i t o ft h el o w e rp o s i t i o nm a c h i n ew h o s ec o r ei sa v r ( ak i n do fm c u m a n u f a a u r e ab ya t m e lc o m p a n y ) m c ua t m e g a l6 l t h ec i r c u i t i n c l u d e st h em c us m a l l e s ts y s t e m t h er s - 4 8 5s e r i a lc o m r m m i c a t i o n , t h e c o n t r o lc i r c u i to f m o t o ra n dt h ea ，dc o n v e r s i o ne t c i na d d i t i o n , t h et h e s i s c o n s i d e r sa n t i - j a m m i n g ，s oi nt h ed e s i g np r o c e s so ft h es y s t e m , k i n d so f a n t i - j a m m i n gc o m p o n e n t sa r ea t t a c h e c ln es y s t e ms o f t w a r ei sm a d eu p o fm c us o f t w a r ea n dp cs o f t - w a r e m c us o t h v a r ei n c l u d e ss e r i a l c o m m u n i c a t i o n , d a t aa c q u i s i t i o nc t c n 岵p cs o f t w a r em a i n l yi n c l u d e st h e s e r i a lc o m m u n i c a t i o na n dt h ed a t ap r o c e s s i n g t h e nt h et h e s i sa l l t i e so n i i i t h ed e t a i l e dd e s i g ni nv i e wo fv a r i o u sf u n c t i o n sm o d u l e ，c o n d u c t sm o r e t h o r o u g hr e s e a r c ho i lt h em c us o f t w a r ea n dp r o p o s e st w ok i n d so f r e a l i z a b l es y s t e mf u n c t i o np l a n ：p r o g r a m m i n gi n t ot h em c u d i r e c t l ya n d p r o g r a m m i n gi n t ot h em c ui n d i r e c t l yb yr e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e m t o t h ep cs o f t w a r e ，t h et h e s i su s e st h ed e l p h ia t t a c h e dt h et h i r d - p a r t c o m p o n e n t st od e s i g nt h er s - 4 8 5s e r i a lc o m m u n i c a t i o na n dt h er e a lt i m e d i s p l a ys u r f a c e f i n a l l y ，t h et h e s i ss u m m a r i z e st h ea c h i e v e m e n to ft h e d e s i g na n dp r o p o s e st h ed i r e c t i o no f t h ef u g t h e rw o r k k e yw o r d s ：d i s t r i b u t e d ，t h ea p p l i c a t i o no fa v r , o n l i n em c a s t l r e ，t h e w a t e rc o n t e n tr a t i oi nc r u d eo i l 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，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表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 中国石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名： 遣杰蛆凋年( ) 月7 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复 制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名：越杰壁区 导师签名：重啊! 龚导师签名：7 要晖丑啦 如印年6 , e l 2 - 日一 砷年6 月3 日一 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 第1 章前言 1 1 课题的来源、研究背景和意义 油罐是原油集输站、炼油厂、油库、油品码头及石化企业普遍需 要使用的储存设备，根据油罐内存储的液体可将油罐分为成品油油罐 ( 组成成分单一) 和原油罐( 具有多种组成成分) 。对油罐参数的测 量主要包括油罐液位、油品温度、油品含水率，对于含水油罐还包括 油水界面的测量。对油罐液位进行准确地测量能充分利用油罐的存储 空间，增加油罐的存油量同时又能防止油罐冒项漏油事故的发生，避 免不必要的损失和可能因此而产生的事故；对罐内液体温度进行监测 能了解罐内液体的状态；对油罐存油量进行准确检测能保证油品交易 的公正和罐区库存结算的准确性；对油罐的油水界面进行测量能指导 操作人员合理地排放油罐中的污水，提高油罐的利用率。 随着油罐液位测量技术的不断发展，测量方法和测量仪表类型也 随之增多。目前，较实用的油罐液位测量技术和方法有人工检尺、浮 子钢带液位计、伺服式液位计、雷达液位计、静压式液位测量以及混 合式计量管理系统等【l j 。对于储油罐中油品含水率的测量，一般认为 经过调和混匀的成品油储罐中的油品含水率可以认为是均匀状态分 布，所以成品油储罐油品含水率的测量主要是通过抽取油罐不同深度 的样品化验得到闭。而原油罐油品含水率的测量方法，仍沿用土办法 操作员用取样桶到罐顶手工测量，再作记录，这样其结果不仅误 差大，而且有很大的人身危险( 按规定，风在四级以上不能上罐顶测 量) 。因而开发油罐多参数测量系统，实时测量油罐重要参数如液位、 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 含水率、温度、油水界面，能减轻工人劳动强度和提高油田自动化管 理水平。 目前许多高新技术、新方法和新型仪表如计算机、微电子、光纤、 超声波等高新技术己应用到油罐的测量领域，使油罐的自动测量进入 到一个多功能、高精度的新阶段。但要将这些新技术应用到油罐多参 数实时测量系统还需要解决以下一些问题： ( 1 ) 油罐内的液面、油水界面和含水率都是随时间变化的，而且油罐内 不同深度油层的含水率不同。因此，采用静止测量元件无法检测出 油罐的多个参数； ( 2 ) 原油检测条件恶劣，特别是一些稠油产区，原油的粘度大，传感器 易被敷住，无法正常工作。 油罐参数测量是油田集输过程、炼油厂、油库、加油站等部门的 一项重要工作，因此开发油罐多参数测量系统对提高罐区的自动化程 度、油罐的科学管理和提高油罐使用效率等有重要意义。我国油田众 多，储油罐数以万计，因此有巨大的市场前景。 1 2 国内外研究现状分析 1 2 1 国外储罐计量仪表的发展动态 近年来，随着石油化工的发展，油罐自动计量越来越显示出重要 地位。从上世纪8 0 年代开始，由于微电子、计算机、光纤、超声波、 传感器等高科技的迅猛发展，在一些发达国家中，各种新型油罐自动 计量技术不断出现。美国石油学会储罐计量分会在1 9 8 7 年对3 0 家用 户、2 0 个液位仪表和计量系统的生产厂家作的调查表明，各种油罐自 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 动计量技术的应用，已经覆盖了立式的锥顶罐( 固定顶) 、浮顶罐、密 封球形罐和卧式圆柱形罐，适用于包括液化石油气在内的碳氢化合 物、腐蚀剂、溶剂、氨水、酸类等石油化工产品。各种新技术、新方 法、新仪表已经渗入到储罐计量领域。可以说，储罐自动计量已经进 入“多功能、高精度”的新阶段。 欧美油罐储量测量仪表不但品种齐全、方法多、技术先进而且性 能优良，他们在发展高精度、多功能测量仪表的同时，着重考虑性能 可靠、价格便宜，适应不同目的和用途；尤其强调使用周期长，减少 维护费用以及时间浪费；重视尖端技术、先进技术和工艺的应用，及 时引入各种现代化技术，推出各种新型测量仪表i j j 。 1 2 2 在线检测技术研究现状 在线检测技术的起源与发展是与大工业的发展密切相关的。检测 技术的水平越高，则工业技术成就愈深广，而工业技术的发展，特别 是新材料、新结构的传感器的研制成功，以及后来微计算机的广泛应 用，给检测技术带来了变革性的影响，它们对提高检测系统的准确性、 快速性、可靠性和抗干扰能力等方面发挥了明显的作用，大大丰富了 检测技术所包含的内容，扩大了检测技术的应用范围，同时也提出了 新的课题。如今的在线检测系统有如下特点 4 1 ： ( 1 ) 系统性能较高 系统从信号检测、信号采集、传输到处理采用全数字化，提高了 信号的测量、传输和控制精度：微处理器、a d 转换器等芯片性能高， 测量速度快；部分硬件通过软件方法实现，减少了硬件数量，提高系 统的可靠性。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 ( 2 ) 测量过程软件控制 实现自动量程转换、非线性补偿、自动报警、自动巡回检测、过 载保护；完成数据线性化处理、数值洪波等智能化数据处理；功能和 性能指标更改方便，适应小批量生产的柔性化发展趋势。 ( 3 ) 信息集成 在线检测系统作为企业信息网络底层网络，能够及时反映生产状 况，加快信息在各部门之间的流通，使企业上层决策快速、准确，能 够进一步优化现场生产。 ( 4 ) 系统结构简单、维护方便 利用软件代替硬件，减少硬件设备；总线代替了以往复杂的接线， 简化了系统结构，降低了系统的成本；现场设备具备自认自诊断与简 单故障处理能力，能及时发现故障部位、故障原因，缩短了维护停工 时间，减少了维护工作量。 1 3 本课题研究目的和内容 1 3 1 研究目的 研制一个架构合理、性能稳定、工作可靠、精确度高、安全性能 好、抗干扰性能强的分散采集，集中监测的基于单片机和4 8 5 总线的 分布式原油罐含水在线检测系统即为本课题的研究目标。 1 3 2 研究内容 由于本课题系统涉及计算机、r s - 4 8 5 网络、单片机、传感器设 计等多方面知识，故将系统分成原油罐含水率在线测量传感器的研制 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 和上下位机软硬件的设计两部分，本人负责后一部分。主要研究内容 有： ( 1 ) 通过储罐计量仪表和在线检测的理论及其关键技术的研究，设计 本系统总体方案。 ( 2 ) 通过查阅各种元器件的资料，完成单片机及其外围器件的选型。 ( 3 ) 构建下位机工作的硬件电路，包括单片机电源，r s - 4 8 5 通信、单 相电机正反转，a d 转换等模块。 ( 4 ) 研究8 位单片机a v r 的定制实时操作系统a v r x ，并在此之上实 现下位机命令接收，数据采集等程序。 ( 5 ) 设计串行通信协议，采用地址+ 数据+ c r c 校验码结构的帧。 ( 6 ) 实现上位机监控程序。包括命令的发送、含水率数据的接收、实 时显示、存储、查询、统计等功能。 1 4 本文的基本结构 本文共分六章。第一章主要介绍课题的来源和研究意义，第二章 主要介绍系统总体方案的设计，第三章介绍了下位机系统的硬件电路 的设计，第四章对系统的软件设计进行了描述，包括串行通信协议、 a v r x 介绍、上下位机软件设计，第五章对整个系统和研制过程进行 了总结并提出系统进一步研究的方向。 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章系统总体方案设计 第2 章系统总体方案设计 本系统是采用r s 一4 8 5 总线和上下位机主从结构实现分布式原油 罐含水率数据采集与监控的。在确定此方案之前，曾阅读大量数据采 集、单片机和串口通信方面的文献资料，最后确定了系统的整体解决 方案。 2 1 系统总体架构 本系统是对分散在罐区的多个原油罐的含水率进行分散采集，集 中监控的分布式的检测系统，系统整体架构如下图( 图2 - 1 ) 所示： 4 8 5 图2 - 1 系统总体架构图 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章系统总体方案设计 由上图可知，系统总体上有两部分组成：监控p c 和多台下位机。 上位机主要由一般的p c 机和4 8 5 串行总线传输模块组成，下位机由 传感器、单相电机、单片机电路板等模块组成。下面基于上图介绍一 下整个系统的工作过程。 2 2 系统工作过程 如上图2 1 所示，系统的工作过程如下：当对某个原油罐进行测 量时，首先由主控计算机( 上位机) 发出检测命令，下位机( 单片机) 在接收到命令后，根据传感器所在位置，使测量从基准位为开始，发 出正转指令，发出相应的控制信号驱动电机系统，从而驱动传感器沿 轨道在原油罐作垂直向下运动，实时测量介电常数和温度的变化，并 配以光栅尺，实时记录传感器的位置。根据系统设计的要求，每隔l c m 间隔采集一个介电常数数据和温度信号，同时记录高度数据，送至主 控计算机，由主控计算机经过数据处理，存入数据库。在测量完成也 就是运行到最低点后，主控计算机发出电动机停机指令，使传感器在 最低点停止3 0 秒。然后主控计算机发出反转信号，使传感器反方向 在相同的各个位置再测量一组数据，这样在同样的高度就可以得到两 组数据，两次求平均值就当成是该点的实际数据，可以减小滞后效应 造成的误差。可以看出单片机在整个测量中的作用主要包括以下4 个 方面： ( 1 ) 在每一次测量过程中，控制电动机带动传感器自上而下降至罐底一 定高度时自动停机，然后再次带动传感器自下而上升至预定位置自 动停住。 ( 2 ) 接收上位机发送过来的命令，确定是否开始一次新的测量。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章系统总体方案设计 ( 3 ) 当传感器到达上下限位时，使单相电机强制断电。 ( 4 ) 实时读取传感器在油罐中的位置，并把位移信号、相对介电常数信 号、温度经信号经处理后上传至上位机。 2 3 以a v r 单片机为核心的下位机系统的组成 以上我们分析了系统的总体架构和工作过程，本节将讨论下位机 系统的硬件总体方案设计。然后对各种关键元器件的选型进行了详细 的介绍。 2 3 1 下位机硬件的总体架构 下位机系统负责采集含水率信号并传送给上位机，其硬件的总体 结构如下图( 图2 2 ) 所示。 图2 - 2 下位机硬件总体结构 如上图本系统中的下位机硬件主要有单片机最小系统，单相电机 正反转控制电路，4 8 5 串行通信，a d 转换等模块组成。4 8 5 串行通 信模块负责与上位机通信，单相电机控制模块控制单相电机带动传感 器在原油罐内做垂直上下移动，并把传感器的高度信息传递给单片 机。a d 转换模块负责把传感器的模拟信号转换为数字信号后，传送 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章系统总体方案设计 给单片机。下位机系统的目标是微型化、低功耗化，并尽可能降低产 品的成本，所需芯片的选型以及解决方案的确定都是以此为基本依 据。下面详细介绍下位机关键元器件的选型。 2 3 2 单片机的选择 由于本系统采集的数据量和运算量都不大，速度要求也不是很高， 再考虑到经济技术等因素，所以采用8 位的单片机已经完全可以满足要 求了，但是采用哪一种哪个型号的单片机是值得思索的问题，下面对 各种类别的单片机作一下简要介绍，并给出选择a v ra t m e g a l 6 l 单 片机的原因。 ( 1 ) 5 1 系列单片机 应用最广泛的八位单片机首推i n t e l 的5 l 系列，由于产品硬件结构 合理，指令系统规范，加之生产历史“悠久”，有先入为主的优势。5 l 系列优点之一是它从内部的硬件到软件有一套完整的按位操作的系 统，称作位处理器，或布尔处理器。它的处理对象不是字或字节而是 位。5 1 系列的另一个优点是乘法和除法指令，这也给编程带来了便利。 不过，5 l 系列也有许多值得改进之处，如运行速度过慢等。当晶振频 率为1 2 m h z 时，机器周期达1 邺，显然适应不了现代高速运行的需要1 5 1 。 ( 2 ) p i c 系列单片机 p i c 单片机系列是美国微芯公司( m i e r o c h i p ) 的产品，是当前市 场份额增长最快的单片机之一。c p u 采用r i s c 结构，分别有3 3 、3 5 、 5 8 条指令( 视单片机的级别而定) ，属精简指令集。采用h a r v a r d 双总 线结构，运行速度快( 指令周期约1 6 0 2 0 0 n s ) ，它能使程序存储器的 访问和数据存储器的访问并行处理，这种指令流水线结构，在一个周 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章系统总体方案设计 期内完成两部分工作，一是执行指令，二是从程序存储器取出下一条 指令，这样总的看来每条指令只需一个周期( 个别除外) ，这也是高效 率运行的原因之一。此外，它还具有低工作电压、低功耗、驱动能力 强等特点。p 1 c 系列单片机共分三个级别，即基本级、中级、高级。 该系列单片机的专用寄存器( s f r ) 并不像5 1 系列那样都集中在一个 固定的地址区间内( 8 0 f f h ) ，而是分散在四个地址区间内，这多少 给编程带来了一些麻烦【5 j 。 ( 3 ) a v r 系列单片机 a t m e l 公司的嵌入式单片机是一种基于a v r ( a d v a n c er i s c ，精 简指令集) 增强性能、r i s c 结构的、低功耗、c m o s 技术、8 位微控制 器( e n h a n c e dr i s cm i c r o c o n t r o l l e r s ) ，简称为a v r 单片机。目前有m e g a 、 9 0 、t i n y 等多种系列的产品。它具有以下优点： f l a s h 程序存储器可擦写1 0 0 0 次以上，不再有报废品产生。p i c 有的 是o t p ，只能烧录一次。a v r 程序存储器数据为1 6 位组织，也可按 8 位理解。p i c 是1 2 1 4 位程序存储器，作寄存嚣转移和算术、逻辑 运算带来不便。 高速度( 5 0 n s ) 、低功耗。硬件应用哈佛结构，具有预取指令功能， 使得指令可以在一个时钟周期内执行。p i c 要4 个时钟周期执行一 条指令。m s c 5 t 要1 2 个时钟周期执行一条指令。 超功能精简指令。具有3 2 个通用工作寄存器( 相当于8 0 5 1 中的3 2 个 累加器，克服了单一累加器数据处理造成的瓶颈现象) ，有】2 8 b 4 k b 的s r j 蝴，可灵活使用指令运算。 工业级产品。具有大电流( 灌电流) 1 0 2 0 m a 或4 0 m a ( 单一输出) ， 可直接驱动s s r 或继电器：有看门狗定时器( w d t ) ，安全保护，防 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章系统总体方案设计 止程序走飞，提高产品的抗干扰能力。 程序写入可以并行写入( 用万用编程序器) ，也可用串行在线i s p 擦 写。也就是说不用将i c 拆下拿到万用编程上烧录，而可直接在电路 板上进行程序修改、烧录等操作，方便产品现场升级。有i s p 、j t a g 及自编功能，这是今后单片机编程的发展方向。 a v r 的i o 口是真正的i o d ，能正确反映i o l 二l 的真实情况。i o 口 有输入璋俞出，三态高阻输入，也可设定内部拉高电阻作输入端的 功能，便于作各种应用特性所需( 多功能i o r e ) 。 a v r 内带模拟比较器，i o e l 可作a d 转换用，可组成廉价的a d 转 换器。 可重设启动复位。a v r 系列有内部电源开关启动计数器，可将低电 平复位( r e s e t ) 直接接n v c c 端。当电源开时，由于利用内部r c 的看门狗定时器，可延迟m c u 启动执行程序。这种延时使i o n 稳 定后执行程序，以提高单片机工作可靠性。有的还有内部复位电压 检测电路b o d ，而检测电压可调。 像8 0 5 1 一样，有多个固定中断向量入口地址，可快速响应中断。而 p i c 只有一个中断入口，要查询后才能响应中断，失去了最佳响应 中断时间。 计数器定时器，c 厂r 有8 位和1 6 位，可作比较器；计数器外部中断 和p w m ( 也可当d a ) 用于控制输出，有的有3 4 个p w m ，作电机无 级调速是理想器件。 有串行异步通讯u a r t 接口，不占用定时器和s p i 传输功能，因其 高速故可以工作在一般标准整数频率，而波特率可达5 7 6 k 。 工作电压范围宽( 2 7 6 o v ) ，电源抗干扰性强。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章系统总体方案设计 具有较大容量、可擦写1 0 万次的e e p r o m ，对掉电后数据保存带 来方便，来电后能记住掉电时的工体状态，e e p r o m ( 6 4 b 4 k b ) 。 新的高档a v ra t m e g a l 6 3 2 6 4 1 2 8 还具有j t a g 边界扫描、仿真、 编程功能，不会造成以往仿真通过，脱机不行的现象。 a v r 微处理器以对自己编程，a t m e g a l 6 l 为使用便利性而设计，通 过任何接口进行编程( 并行编程器、i s p 、j t g a 、u a r t 、自编程) ， 重复编程无需外部器件。 从高级语言c 代码，看各种单片机性能比较：h c l l 代码效率高， 但是处理能力只有a v r 的1 1 0 ，功耗却高2 5 倍，p i c 速度快，但是 在相同功耗下a v r 性能比其高3 5 倍。 a v r 使用众多功能强大的高级语言，如i a r 、i c c 、c o d ev i s i o n 、 a v r - g c c 、b a s c o m a v r ( b a s i c 语言1 等。 a v r 有各种档次的开发工具。 某些型号的单片机可能不全部具有上面的功能，也可能有一些没 有列出来的功能1 6 , 7 1 。 其显著的特点为高性能、高速度、低功耗。它取消机器周期，以 时钟周期为指令周期，实行流水作业。a v r 单片机指令以字为单位， 且大部分指令都为单周期指令。而单周期既可执行本指令功能，同时 完成下一条指令的读取。通常时钟频率用4 s m h z ，故最短指令执 行时间为2 5 0 1 2 5 n s 。a v r 系列没有类似累加器a 的结构，它主要 是通过r 1 6 r 3 1 寄存器来实现a 的功能。在a v r 中，没有像5 1 系 列的数据指针d p t r ，而是由x ( 由r 2 6 、r 2 7 组成) 、y ( 由r 2 8 、 r 2 9 组成) 、z ( 由r 3 0 、r 3 1 组成) 三个1 6 位的寄存器来完成数据 指针的功能( 相当于有三组d p t r ) ，而且还能作后增量或先减量等的 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章系统总体方案设计 运行。 在5 l 系列中，所有的逻辑运算都必须在a 中进行，而a v r 却可以 在任两个寄存器之间进行，省去了在a 中的来回折腾，这些都比5 1 系 列强。a v r 的专用寄存器集中在0 0 3 f 地址区间，无需像p i c j i i 样得 先进行选存储体的过程，使用起来比p i c 方便。a v r 的i o 脚类似p i c ， 它也有用来控制输入或输出的方向寄存器，在输出状态下，高电平输 出的电流在1 0 m a 左右，低电平吸入电流2 0 m a 。虽不如p i c 。但比5 1 系列强1 5 1 。正是由于w r 的上述众多优点，所以本系统中选择a v r 作 为下位的主控单片机。 ( 4 ) a v r 单片机选型 由于本系统中的下位机要实现a d 转换、串行通信、电机控制等功 能，由于t m y 系列都不带a d 转换器，并且内部f l a s h 的容量较小，所 以t m y 系列的a v r 单片机不能满足要求。而a t 9 0 系列的单片机一般内 部f l a s h 存储量和r a m 也一般都较小，最大的8 5 3 5 也仅为8 k b 和5 1 2 b ， 而在本系统中要采集大量的含水率和温度数据，采集的数据首先得存 储在单片机内部的r a m 中才能等待上传，所以为了系统有充足的空间 存放采集上来的数据和程序本身，本系统选择了m e g a 系列中的 a t m e g a l 6 l 作为下位的主控单片机。m e g a l 6 l 是高性能、低功耗的8 位a v r 单片机，内部包含了1 6 k b 的f l a s h 存储空间，5 1 2 字节的 e e p r o m 和l k 字节的片内s r a m ，4 0 引脚p d i p 封装。工作电压为 2 7 5 5 v ，速度为0 - 8 m h z 。可见它足以能满足本系统的要求。 2 3 3 传输总线的选择 由于本系统是应用在油田现场，其测量电路与上位机处理系统分 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章系统总体方案设计 别处于油罐和监控室内，信号必须经过远距离传输才能到达数据处理 系统，但数字信号的传输随着距离的增加和信号传送速率的提高，在 传输线上的反射、串扰、衰减和共地噪声等因素将引起信号的畸变， 从而限制了通信距离，因此需要解决长距离通信的问题。 目前普遍应用的远距离传输总线有r s 2 3 2 ，r s - 4 2 2 ，r s - 4 8 5 等种 类。普通的r r l 电路，由于驱动能力差、输入电阻小、灵敏度低以及 抗干扰性能差等原因致使信号传输的距离较短。r s 2 3 2 接口电路与 t t l 电路相比，其驱动器输出信号的摆幅较大，从而大大提高了抗干 扰能力，但r s 2 3 2 标准规定，驱动器允许有2 5 0 0 p f 的电容负载，通信 距离将受此电容的限制。传输距离短的另一原因是r s 2 3 2 属于单端信 号传送，存在共地噪声和不能抑制的共模干扰，一般说来r s 2 3 2 可以 传1 5 米。r s 4 8 5 实际上是r s 4 2 2 的变型。它与r s 4 2 2 的不同之处在于， r s 4 2 2 为全双工，而r s 4 8 5 为半双工，r s 4 2 2 采用两对平衡差分信号线， r s 4 8 5 只需其中的一对，在要求通信距离为几十米至上千米时，目前 广泛采用r s 4 8 5 收发器。它采用平衡发送和差分接收，在发送端，驱 动器将r r l 电平信号转换成差分信号输出，在接收端接收器将差分信 号变成1 v 几电平，故它具有抑制共模干扰的能力。由于使用r s 4 8 5 总 线，用一对双绞线就能实现多站联网构成分布式系统。它具有设备简 单、价格低廉、能进行远距离通信，有很高的灵敏度，能检测低达2 0 0 m v 的电压，传输信号能在千米以外得到恢复等特点，在传输速率为 9 6 0 0 b i t s 时传输距离可达1 2 k m 以上，最高传输速率可达1 0 m b p s ，且 只用普通双绞线即可，同一对双绞线上可以挂接多至2 5 6 个以上的终 端。故在系统中使用r s - 4 8 5 传输总线。选用m a x 4 8 5 e p a 作为连接单 片机的转换元件1 8 j 。 中国i i 油人学( 华尔) 硕十论文第2 章系统总体方案设计 2 3 4 光栅尺的选择 设计中的测量位移变送器要求测量范围大、精度高、较强的抗干 扰能力，并且可以容易地实现模数转换，所以采用光栅尺，其测量原 理如图2 3 所示【9 j = 轴承带动主光栅旋转时，光源处的光经过光栅后形成莫尔条纹， 接收元件接收到这些明暗交替的光信号转换为电信号，经过放大整形 后输出矩形脉冲将角位移转换成对应数字代码，可直接用于测量角位 移和角速度，间接用于测量直线位移和直线速度，其优点在于： 图2 3 光栅示意图 ( 1 ) 高精度，随着光栅划刻技术及电子技术的发展以及莫尔条纹对光 栅的栅距具有局部消差的作用，在大量程测长方面光栅检测装置 的精度仅次于激光测量装置。 ( 2 ) 具有高分辨率、大量程两个特性。 ( 3 ) 可实现动态测量、自动测试和数字显示功能。 2 3 5 其它元器件的选择 本课题中要实现单相电机的正反转和启停控制，这就不可避免到 要用到继电器，而国外近些年己开发出应用固念开关( s s r ) 的电子起动 装置【1 0 】。这种起动装置属弱电信号控制强电电路的无触点、无火花、 中国打油人学( 华东) 硕十论文第2 章 系统总体方案设计 无噪声的电子开关。开关速度可以达到微秒级，被称为“无触点开关” 其动作准确可靠、体积小、成本低、免维修，而且可以实现反转控制。 由于它无触点的工作特性，使其在许多领域的电控及计算机控制方面 得到日益广泛的应用【i i 】。所以本系统中用固态继电器来控制电机正反 转。 单独的一个单片机是无法使用的，他必须和其他的相应的外围器 件结合才能构成一个完整的系统。一个单片机基本硬件系统包括电源 电路、复位电路、晶振等，下面对a v r 单片机最小硬件系统工作的 电源芯片进行选择，由于a t m e g a l 6 l 的允许电压为2 7 - - 5 5 v ，故可 以选用常用的7 8 0 5 线性电源。它的输出电压为5 v ，而输入电压为9 - - 3 5 可变，7 8 0 x 系列三端正电源有t o - - 2 2 0 、i s o w a t t 2 2 0 、1 o 一 3 和d 2 p a k 三种封装，有多种输出电压，因而应用广泛，所以本系统 选择7 8 0 5 1 2 , 1 3 】。 光耦的选择主要考虑的因素为最大速度，而本系统串行通信最高 速度为9 6 0 0 b p s ，所以选择一般的光耦就足够，由于t l p 5 2 1 应用普 遍，又能基本满足系统的要求，我们选择了t l p 5 2 1 作为4 8 5 通信的 隔离光耦“1 。 其它要选择的器件有各种电阻、电容、电感、与非门等，选择一 般的即可，故这里不再赘述。 2 4 本章小结 本章首先介绍了系统的总体架构，并描述了系统的工作过程，然 后划分各子功能模块，重点介绍了下位机硬件系统的总体构成，根据 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章系统总体方案设计 性能指标和功能要求规划出总体方案。在此基础上，对于实现各子功 能系统分别进行器件选型，并详细介绍了单片机的选择，主要比较了 市场上应用广泛的5 1 、p i c 、a v r 等单片机类型，并列出了选择 a t m e g a l 6 l 的多个原因，由于本系统中单片机需要完成的功能较多， 需要扩展外部资源，因此在单片机最小系统的构建上进行了比较详细 的讨论，并增加了与t 1 1 来完成实现对单相电机的正反转控制。由于 上位机的硬件由p c 机附加2 3 2 4 8 5 的转接头组成，比较简单，所以 这里就不再赘述了。下面介绍系统设计，包括硬件设计和软件设计， 二者相互影响，一般的设计原则是：冗余设计、简化设计、以软代硬。 能采用功能强的芯片简化电路则尽量用，这样可以简化电路，提高系 统的可靠性。在速度允许的情况下，能用软件实现的只要速度满足要 求，尽量不要用硬件【l ”。 1 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章下位机硬件电路设计 第3 章下位机硬件电路设计 上一章已经介绍了下位机硬件的总体结构，一个单片机硬件系统 分为最小硬件系统和外围接口两部分。单片机在必要的工作环境下才 能工作，本章首先主要根据项目需要配置单片机的内部资源，构建能 支持单片机正常工作的最小硬件系统，包括复位、时钟、电源等，接 下来对单片机的外围电路设计进行介绍。在本方案中选择的是 a t m e l 公司的a v r 单片机a t m e g a l 6 l ，下面根据芯片的具体性能 指标、c p u 结构特征以及内部资源具体说明构建过程。 3 1 最小系统硬件电路设计 3 1 1 复位电路 为确保单片机系统中电路稳定可靠工作，复位电路是必不可少的 一部分，复位电路的第一功能是上电复位。一般单片机电路正常工作 需要供电电源为5 v 士5 ，即4 7 5 5 2 5 v 。由于单片机电路是时序数 字电路，它需要稳定的时钟信号，因此在电源上电时，只有当v c c 超过4 7 5 v 低于5 2 5 v 以及晶体振荡器稳定工作时，复位信号才被撤 除，单片机电路开始正常工作。单片机电路在工作中受到干扰后，容 易出现c p u 程序“跑飞”而盲目运行甚至出现死机现象。此时复位 信号有效，使微机系统重新恢复正常运行。可见复位电路的可靠性是 单片机应用系统可靠性得到保证的一个重要因素1 1 6 】。本系统的复位电 路如图3 1 所示。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章下位机硬件电路设计 器复位 图3 - 1a t m e g a l 6 l 上电复位电路 a t m e g a l 6 l 有一个复位引脚丽，可将c p u 置于可知状态，电源 刚上电时，a t m e g a l 6 l 处于复位状态，丽低使芯片复位。引脚 r e s e t 上的低电平持续时间大于最小脉冲宽度时m c u 复位。比如各 种寄存器初始值的设置。上图是一个简单的复位电路。瓦行连接 a t m e g a l 6 l 的丽引脚。单片机内部含有复位电路，但是当电源缓慢 上升时，复位时会出现不可预知的问题，而d s l 2 3 3e c o n or e s e t 可以 为微处理器监视两个重要条件：电源异常及外部数据覆盖故障。精密 的温补基准和比较器用于监视电源状态( v c c ) 。一旦检测到电源超出 容差范围，内部将产生电源失效信号、强迫置为复位状态。当v c c 恢 复到正常条件时，复位状态将持续保持大约3 5 0 m s ，以便电源和处理 器达到稳定状态。d s l 2 3 3 的第二个功能是手动复位控制，d s l 2 3 3 提 供按键去抖，释放复位前产生3 5 0 m s 的复位脉冲【1 7 1 。故系统选择了 d s l 2 3 3 复位芯片。 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章下位机硬件电路设计 3 1 2 时钟电路 a t m e g a l 6 芯片有如下( 表3 1 ) 几种通过f l a s h 熔丝位进行选择 的时钟源。时钟输入至i j a v r 时钟发生器，再分配到相应的模块。 表3 1 时钟源选择 器件时钟选项 c k s e l 3 o 外部晶体陶瓷振荡器 l l l l 1 0 1 0 外部低频晶振 1 0 0 1 外部r c 振荡器 l 0 0 0 0 1 0 1 标定的内部r c 振荡器 0 1 0 0 0 0 0 1 外部时钟 0 0 0 0 器件出厂时c k s e l = “0 0 1 0 ”，s u t = 1 0 。这个缺省设置的时钟 源是i m h z 的内部r c 振荡器，启动时间为最长。这种设置保证用户可 以通过i s p 或并行编程器得到所需的时钟源。本系统中使用外部晶体振 荡器。x t a l i 与x t a l 2 分别为用作片内振荡器的反向放大器的输入和 输出，如图3 - 2 所示： 图3 - 2a t m e g a l 6 l 时钟电路 这个振荡器可以使用石英晶体，也可以使用陶瓷谐振器。熔丝位 c k o p t 用来选择这两种放大器模式的其中之一。当c k o p t 被编程时 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章下位机硬件电路设计 振荡器在输出引脚产生满幅度的振荡。这种模式适合于噪声环境，以 及需要通j ：立x t a l 2 驱动第二个时钟缓冲器的情况。而且这种模式的频 率范围比较宽。当保持c k o p t 为未编程状态时，振荡器的输出信号幅 度比较小。其优点是大大降低了功耗，但是频率范围比较窄，而且不 能驱动其他时钟缓冲器。对于谐振器，c k o p t 未编程时的最大频率为 8 m h z ，c k o p t 编程时为1 6 m h z 。c l 和c 2 的数值要一样，不管使用的 是晶体还是谐振器。最佳的数值与使用的晶体或谐振器有关，还与杂 散电容和环境的电磁噪声有关l j 6 j 。 振荡器可以工作于三种不同的模式，每一种都有一个优化的频率 范围。工作模式通过熔丝位c k s e l 3 。1 来选择，如下表所示。 表3 - 2 振荡器频率优化 频率范围使用晶体时电容c l 和c 2 的推 c k o p rc k s e l 3 。1 o a n z )荐范围( p d 1 1 0 1 ( 1 ) o 4 - 0 9 11 1 0o 9 3 o1 2 2 2 l 1 l l3 0 8 01 2 2 2 oi o | 1 l o ，1 1 11 o 兰 1 2 2 2 本系统中选择的晶振是4 m h z ，可见，本系统应该选择第三种优 化方案。 3 1 3 电源电路 本系统中单片机、m a x 4 8 5 、与非门、固态继电器等器件工作电 压为5 v ，所以我们采用5 v 电源供电。 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章下位机硬件电路设计 输入电主耍二二三三e三三一电压 杪 图3 - 3 系统电源电路图 7 8 0 5 是一种三端稳压器，其输入电压范围为9 3 5 v ，本系统