便携式智能流速仪的研制.docx

1、70中国农村水利水电2003年第1期便携式智能流速仪的研制项德明高富强张平均郭柯成(更庆大学自动化学院"W)摘要系统以单片机89C52为核心控制器，以大规模先进电子元器件为基础，运用新的设计思想等研制而成。该仪器具有多种测量方式、存储数据量大(应用动态存储技术)、多路监视等优点；充分利用FVGA芯片支持在线编程、资源丰富、性能穗定等优越性能。应用中断方式采集数据，实现了数据的实时检测及处理的要求，提高了采集数据的颇率，关键词便携式流速仪FPGA芯片89C52单片机多年以来，河流流速场的测定多是采用单点或多点的非同步检测，以查询的方式记录在给定的时间间隔内旋桨旋转的周数，即所谓计数，或

2、者测量旋桨旋转一周的时间.即所谓的测周。这种方式的测量精度不高、采集频率较低，尤其当采集路数达到几十路时，这种弊端就更为突出。誓于此，为了满足目前国内流速测量的要求，提高测试精度，加快测试速度，提高性能价格比，适应野外测最的要求，进行了便携式智能存贮式流速仪的研制。仪器以单片机为主处理器，配以ATLERA公司的ACEXEPlK30QC208-3芯片组成数据采集接口，LCD显示模块(640x480)等大规模集成电路，能够自动完成8个通道流速数据的自动处理、显示、存贮、通讯传输功能，并综合了计数功能、测周功能、双向测速功能，不失为流速测量中的有效设备。1工作原理传感器的旋桨(叶轮)在水流的推动下产

3、生旋转，每当抛光的叶片掠过测杆前端一次,通过发光光纤束传来而照射在叶轮上的光束就会发生一次反射。反射光通过受光纤束被光检测器感受并转换成电脉冲信号。由于旋桨的转动角速度与动水流速之间有下式的线性关系：V=Kn+C=KN/T+C式中：V为流速；n为旋桨转动的频率；C为旋桨的修正值；T为计测旋转周数所用时间；N为丁时间内的旋桨周数；K为系数。故只要在一定时间内，测得旋桨的旋转周数，便可以求出旋桨所在位置的瞬时流速值。2系统硬件设计系统硬件组成如图i所示，其主要构成如下：(1) 单片机89(32.地址锁存器74LS373和11.0592MHz晶振构成的最小系统。晶振选择11.0592MHz便于单片机

4、与标准8OC51串行口UART实现申行通信，能够很好实现波特率的匹配问题。(2) 片外数据存储器由HK12DP75(非易失性存储器)1MBx8构成，存储的数据最包括有：流速值和流向值不小于10x8图1系统理件组成框图x200个、测量时间、流向角、操作员代码、文件名等数据。考虑到应有-定的余量，选用1MB的存储器是经计算后才选用的，不是随意选取。数据的存储采用动态的存储技术，保证存储单元的均衡使用。(3) 液晶显示模块(SHARP成64183P9.4”)选用640x480点阵，因显示要求能同时显示8路流速值，每个值为5位，每个值间隔应有2位，显示的数据鱼超过一屏时应自动的完成滚平的操作。操作界面

5、以下拉式菜单的方式出现，便于人机对话，同时能接受各种数据的输入和控制要求。LCD需配置外置驱动板(该仪器选用的是精电蓬远QPYD-01)。(4) 键盘由20个功能按键组成，键盘控制器选用HD7279芯片，以串行方式与CPU接口，占用的资源较少(仅需4根口线)，能够管理64个按键，内部含有译码器，可直接接受BCD码或者16进制，还具有多种控制指令如消隐、闪烁、左移、右移、和段寻址等。(5) 看门狗电路选用B5看门狗芯片，它把看门狗定时71便携式智能流速仪的研制项德明高富强张平均等器、电压监控和EEPR0M组合在单个封装之内。提供了3种定时时间200ms.600ms、1.4s.并可程序控制。（6）

6、单片机和上位机的通讯接口采用RS232C串行通信方式.通过MAX232申行转换芯片来实现PC机和单片机之间的电平转换'单片机与上位机的数据通信支持实时地将测量的数据与I.位机通信或者待数据测量完后将敷据集中上传给PC机。（7）时钟数据由时钟芯片DS1642芯片组成，该芯片含有2KEEPR0M.支持在线的读写功能，其时钟芯片也是非易失性的.数据可保持10年以上不丢失.精度高。自动提供测量时间信号，随若文件的保存而自动将时钟信号存入存储器.不需要人工输入。（8）信号输入通道如图2所示。模拟量输入通道由旋桨传感器（内部已经将信号整形放大）、LED监视、施密特触发器和D触发器、FPGA芯片组成

7、。这样.使得原来只能测量单向流速的旋桨流速仪变为可以测量往夏流的双向流速仪（无需更换接口板），从而拓宽了旋桨传感器的测量:范围（增加-倍图2敷据采集接口电路（9）FPGA芯片，该芯片完成定时、计数、测周、外围接口等功能。该芯片其有集成度高、运行稳定、占用面积小、性价比高等优点，此时就不必考虑运用其他芯片实现其相同功能而带来的-些问题如延时、干扰、运行稳定等c外围接口包括地址线的扩展（因1M的存贮器应占用20位的地址线.而单片机最大只能提供16位.而且将外围的地址资源占用完毕），片选信号（解决地址资源冲突的问题）。3计数原理该仪器一改以往的查洵采集数据的JL作方式.改用中断清求的工作方式.实现了

8、实时采集数据和精度高的要求。89C52单片机只能提供两个外部中断而不能满足测量多路数据中断请求：能够测虽出每个旋桨传感器旋转一周所用的时间；利用单片机或者8253等定时计数器芯片难以完全实现其功能的要求，而旦还存在功耗大、干扰大、性能不稳定等弊端。鉴于此，选择了FPGA（ACEXEP1K3OQC2O8-3）芯片.它支持在线修改，具有性能枳定、延时小、功耗低（内核2.5V供电、1/（）U3.3V）、占用面积小等优点。首先,FPGA芯片功能的实现运用模块化的设计思想,采用硬件描述语言VHDL（93版）语言编制而成。芯片的时钟信号由晶振提供.定时功能不在单片机内完成，而在FGPA芯片内完成.它不仅是

9、-个单纯的定时器，同时还要自动提供出时间值的数据（多路信号共用-个定时器）,以作为测周时间之用。因定时计数的工作方式以及外围接口的控制信号实现比较简单.易于实现，在此就不再赘述。现着重叙述测周功能的实现，也是测周的难点所在C由于定时器的定时开始与传感器出现脉冲信号和定时结束与传感器的偶数脉冲信号（以旋桨旋转-周发两个脉冲、8路信号采集为例）结束往往是不同步的.而且对于多路信号更是如此.在同一施测时间内，信号出现在不同情况R计数值就会有-个信号的差异，如图3所示。HH|IIII口口口口1_|而加图3针做误差图由V=Kn+C可知.在K值较小，7值较大时，对流速的影响不大.但是在实际中，大多数流速传

10、感器的K值为1.25.3.施测时间T为510$.这样，一个信号引起的误差就不容忽视。为此为了能够实现测周的功能要求，并能够准确测量旋架旋转一周的时间，不用循环采样的计数工作方式.改用信号边沿（上升沿或者F降沿）计数的方式。当旋桨发出一个脉冲上升沿时.计数模块中的计数值加1（计数模块中的初值为-Do计数模块中判定计数值是否为偶数.如是则锁存（下降沿有效）信号复位，反之.则置位。这样.随着计数值的奇偶变化.锁存信号也就发生相应的变化。定时模块每隔5产动态地将时间值送到定时模块端口处锁存（保持5户），供各锁存模块读取时间值用.引起的最大时间误差为10/lSo当模块锁存完数据后（计数值和时间值）.就发

11、出一个请求信号（高电平有效）给中断请求模块.该信号持续到单片机读取信号后复位c中断请求模块中一旦出现请求信号，则就向单片机发出中断请求。单片机中断响应后.首先读取请求信号（所存模块发出的）源.判定有儿个读取请求信号源（如读取的数据为*）1011001-,说明有5个清求信号源.为T则有请求）.然后就依次（软件中设计为从低到高的顺序,此时读取的顺序为00fD3*D6D7锁存模块中的数据）读取该锁存模块中的数据（计数值和时间值，要求在旋桨旋转一周的时间内读取完所有发出请求读取锁存模块中的数据）.此时就应读取5个锁存模块中的数据。数据最大的读取、处理时间（最大就是8路锁存模块同时请求）为240ps.而

12、旋桨旋转-周的时间远远大于240因此可以保证读取数据的准确性。每读取完锁存数据模块中的数据后，就将该锁存模块的请求信号复位，直至将所有中断源信号复位（此时有5个请求信号源）。数据读取完后，在此期间没有新的请求信号发生（清求信号源的数据为“00000000”），此时就将向单片机请求中断的信号复位，进入等待中断状态：反之，如果有新的中断请求信号（设请求信号源为“00100100”），那么仍然保持中断请求状态.单片机乂进入中断响应，进入上述的顺序读取数据。这样.反复的照此执行，直至测试结束。如果为双向流速仪，那么应在接口电路中增加-D触发器,由于双向旋桨传感器感应的两路脉冲信号产生有一定的时间差,在

13、触发器的输出端就会产生0或者1'的信号，由此根据1'还是0'来判定流速是正向还是反向。其时序接口电路如图4所示c由图4可知.当旋桨正转时，Q为”'：反之，。为'0'。72使横式智能流速仪的研制项德明高富强张平均等"vd整形放大电路|Jt-vi|-图4时序接口电路图4软件设计软件系统采用模块化的设计思想，使用C51汇编语凯各模块之间设有软件陷阱，并在关键之处，采用指令冗余措施.进一步增强仪器的抗干扰能力。鉴于本仪器的关键之处在于：如何在施测时间内，准确地记录旋桨旋转周数以及旋转-周所用的时间;其次，再根据-些具体的参数.计算出相应的流速；

14、数据的存储和显示。软件系统主要组成模块包括：主程序及时钟中断程序模块、X5（M5读写控制模块、时钟读写控制子模块、定时计数子模块、通讯模块、数据存储模块、显示模块等。数据的输入及控制通过人机对话接口来实现，屏幕的各种操作提示以下拉式菜单的方式出现，便于操作。由于本仪器的关键之处是定时计数模块,其他的模块功能也不难实现.在此就不再叙述。定时计数模块的程序流程如图5所示。图5中的方式1为计数方式,方式2、3为测周方式（方式2为时均周期流速方式，方式3为测周瞬时流速方式）。图5ACEX1K30QC208-曲线的绘制以及报表文件的形成是将数据上传到PC机（或者便携式电脑）中进行处理;可以现场联机进行报表及曲级的在