基于無(wú)線通信的渦輪流量計(jì)

摘要：設(shè)計(jì)了一種基于MSP430系列超低功耗系列單片機(jī)的渦輪流量計(jì)，通過(guò)無(wú)線模塊實(shí)現(xiàn)主從控制器之間的數(shù)據(jù)和命令傳送，通信時(shí)采用了“主-從”的方案。從控制器將傳感器采集到的流量信號(hào)傳送給主控制器，主控制器發(fā)送命令控制從控制器的測(cè)量、閥門(mén)的開(kāi)、關(guān)等動(dòng)作，主控制器通過(guò)CDMA網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)給控制室。流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輕巧、反應(yīng)靈敏、安裝維修方便，不需要鋪設(shè)通信電纜。
關(guān)鍵詞：渦輪流量計(jì)；CDMA；超低功耗；無(wú)線數(shù)傳

0 引言
    流量測(cè)量在工業(yè)生產(chǎn)中有非常重要的地位，流量測(cè)量?jī)x表的研究和開(kāi)發(fā)應(yīng)用有著深遠(yuǎn)的意義。渦輪流量計(jì)是流量測(cè)量?jī)x表中重要的儀表之一，該流量計(jì)具有測(cè)量范圍寬、重復(fù)性好、壓力損失小等特點(diǎn)，應(yīng)用于污水、化工、醫(yī)藥、造紙、食品等各個(gè)行業(yè)。
    本文設(shè)計(jì)的渦輪流量計(jì)以超低功耗單片機(jī)MSP430為核心，利用MSP430單片機(jī)的片內(nèi)定時(shí)器，捕捉渦輪傳感器由于液體流過(guò)時(shí)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的脈沖信號(hào)，對(duì)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，完成了對(duì)流量信號(hào)的測(cè)量，并且能夠通過(guò)設(shè)定閥門(mén)開(kāi)關(guān)的上下限后，系統(tǒng)通過(guò)對(duì)電機(jī)的控制驅(qū)動(dòng)閥門(mén)的動(dòng)作。同時(shí)，通過(guò)無(wú)線模塊實(shí)現(xiàn)主從控制器之間的數(shù)據(jù)和命令傳送，通信采用“主-從”方案，從控制器將傳感器采集到的流量信號(hào)傳送給主控制器，主控制器發(fā)送命令控制從控制器的測(cè)量、閥門(mén)的開(kāi)、關(guān)等動(dòng)作，使控制系統(tǒng)更加智能。

1 系統(tǒng)介紹
    該渦輪流量計(jì)不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)瞬時(shí)流量、累積流量的測(cè)量，而且還可以通過(guò)設(shè)定一定數(shù)值的流量來(lái)控制閥門(mén)的動(dòng)作。在設(shè)計(jì)中，采用了主控制板和從控制板，主處理器的主要工作是發(fā)送命令控制從處理器中閥門(mén)的動(dòng)作，另一方面也通過(guò)CDMA網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送給遠(yuǎn)距離的控制室進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理，同時(shí)也可以接收來(lái)自控制室的命令。而從處理器主要是控制傳感器模塊定時(shí)檢測(cè)流量，在液晶上顯示并返回流量值給主處理器。只有主、從處理器結(jié)合起來(lái)，才可以協(xié)調(diào)地控制傳感器檢測(cè)，閥門(mén)的開(kāi)或關(guān)，無(wú)線模塊之間通信以及與控制室的上位機(jī)的通信。系統(tǒng)的通信原理框圖如圖1所示。

    在選用微處理器時(shí)，考慮到流量計(jì)應(yīng)用在工作現(xiàn)場(chǎng)的管道中，取換電池不方便，采用MSP430低功耗單片機(jī)作為其核心微處理器。充分應(yīng)用單片機(jī)的低功耗特性，采用休眠模式，降低用電量，可以減少換電池的次數(shù)。由于主控制器需要兩個(gè)外接通信模塊，需要較大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，選用了F149；從處理器需要的存儲(chǔ)空間相對(duì)要小一些，選用的是F147。主從控制器原理框圖如圖2所示。
    傳感器選用LWGY型防爆傳感器，可在有爆炸危險(xiǎn)的環(huán)境中使用。流體流經(jīng)儀表時(shí)，推動(dòng)表內(nèi)葉輪旋轉(zhuǎn)，然后通過(guò)葉輪與信號(hào)檢測(cè)器之間的磁耦合，將流體的流速轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)輸出，通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路放大整形后輸出給單片機(jī)，由定時(shí)器計(jì)數(shù)。流量和脈沖信號(hào)頻率的換算部分，均由軟件處理。
    顯示部分選用的液晶型號(hào)是12232。它是一種圖形點(diǎn)陣液晶顯示器，帶中文字庫(kù)驅(qū)動(dòng)，背光可通過(guò)電位器調(diào)節(jié)。LCD的第一行顯示的是4位瞬時(shí)流量，第二行顯示的是8位累積流量。
    主從控制器的菜單部分都由3個(gè)按鍵組成，以實(shí)現(xiàn)閥門(mén)的上下限，流量計(jì)各功能的設(shè)置及轉(zhuǎn)換。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2．1 主控制器部分
    系統(tǒng)采用TI公司的MSP430F149單片機(jī)。該單片機(jī)有60 KB FLASH，2 KB RAM，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，具有3個(gè)捕獲／比較寄存器的16位定時(shí)器A，具有7個(gè)捕獲／比較寄存器的位數(shù)可設(shè)置的定時(shí)器B，USART以及ADC等片內(nèi)外設(shè)。
    單片機(jī)的連接圖如圖3所示。

2．2 無(wú)線通信模塊
    無(wú)線收發(fā)模塊使用的是西安達(dá)泰電子的DTD462?？紤]到由于流量計(jì)的工作場(chǎng)所，系統(tǒng)中考慮增加無(wú)線收發(fā)模塊。一般而言，渦輪流量計(jì)都是安裝在位于一些危險(xiǎn)的無(wú)人看守的工作現(xiàn)場(chǎng)的密封管中。從控制器將在管道中測(cè)得的流量數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線模塊傳送給主控制器，再通過(guò)CDMA模塊發(fā)給遠(yuǎn)距離的控制室。避免了只使用一個(gè)控制器，傳送給控制室時(shí)由于CDMA網(wǎng)絡(luò)覆蓋不到而沒(méi)有信號(hào)的現(xiàn)象發(fā)生。調(diào)試時(shí)，通信距離在500 m以內(nèi)，可以保持很穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸。
    無(wú)線模塊的波特率設(shè)置為9 600 b／s，則兩個(gè)相鄰字節(jié)之間的時(shí)間只有1 ms左右。因此數(shù)據(jù)幀接收過(guò)程要求較高的實(shí)時(shí)響應(yīng)。一般通信規(guī)約都要求請(qǐng)求幀發(fā)出后0．1 s內(nèi)返回?cái)?shù)據(jù)幀，所以數(shù)據(jù)幀處理對(duì)實(shí)時(shí)性要求并不高。這種情況可以利用串口中斷將數(shù)據(jù)存入FIFO內(nèi)，在數(shù)據(jù)幀接收完畢后置相應(yīng)的標(biāo)志位。在主循環(huán)內(nèi)查詢到請(qǐng)求幀標(biāo)志位后解析并返回?cái)?shù)據(jù)。這要求主循環(huán)周期小于0．1 s。通信接收過(guò)程依靠中斷，相鄰兩次中斷僅隔1 ms的時(shí)間。在中斷內(nèi)將接收到數(shù)據(jù)壓入FIFO中僅需數(shù)十微秒，因此1 ms時(shí)間足夠，保證不會(huì)漏掉數(shù)據(jù)。按10個(gè)字節(jié)計(jì)算數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)程若利用FIFO，僅需數(shù)百微秒，若采用查詢等待方法依次發(fā)送數(shù)據(jù)，需要10 ms時(shí)間。消息發(fā)送至少要以3．5個(gè)字符時(shí)間的停頓間隔開(kāi)始。在程序中設(shè)置一個(gè)幀計(jì)時(shí)器，當(dāng)線路上有數(shù)據(jù)時(shí)就刷新該計(jì)時(shí)器，線路空閑時(shí)則停止刷新，計(jì)時(shí)時(shí)間達(dá)到3．5幀時(shí)計(jì)時(shí)器被軟件清除。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)的整體流程圖如圖4所示，CPU休眠在LPM3模式下，每隔62．5 ms被BasicTimer喚醒一次處理主循環(huán)內(nèi)的任務(wù)，以滿足服務(wù)周期的要求。串口接收采用中斷加緩沖區(qū)機(jī)制，當(dāng)收完一個(gè)有效的請(qǐng)求幀后，中斷內(nèi)置標(biāo)志。當(dāng)該標(biāo)志被主循環(huán)內(nèi)的通信任務(wù)函數(shù)查詢到后，清除標(biāo)志并返回流量數(shù)據(jù)。

    在實(shí)現(xiàn)將傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)返回給主控制板的功能時(shí)，采用了ModBus通信協(xié)議，將流量傳感器模塊看作是從控制器(下位機(jī))，將另外一塊看作是主控制器(上位機(jī))，上位機(jī)與下位機(jī)通過(guò)查詢-回復(fù)方式進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)兩者之間的通信。
    依據(jù)該方式，將渦輪流量傳感器模塊加入RS 485通信接口，并連接一個(gè)無(wú)線收發(fā)模塊，與主控制板的收發(fā)模塊對(duì)應(yīng)，通過(guò)ModBus通信協(xié)議，將發(fā)送、查詢、回應(yīng)、處理等多環(huán)節(jié)編寫(xiě)為程序，實(shí)現(xiàn)軟硬件結(jié)合，完成無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。
    通信只能由上位機(jī)發(fā)起，下位機(jī)模塊接收到查詢指令后根據(jù)指定的格式返回對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。下位機(jī)模塊在沒(méi)有收到查詢指令時(shí)處于休眠狀態(tài)，收到查詢數(shù)據(jù)后，啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集，完成將數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝發(fā)往上位機(jī)。

4 結(jié)語(yǔ)
    本文采用的流量計(jì)增加了CDMA無(wú)線通信功能，通過(guò)CDMA數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)功能實(shí)現(xiàn)了流量計(jì)的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程抄取、參數(shù)設(shè)置以及遠(yuǎn)程控制等功能。通過(guò)CDMA把流量計(jì)內(nèi)的數(shù)據(jù)匯集到服務(wù)器，系統(tǒng)管理軟件根據(jù)收到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，能快速生成流量計(jì)工礦的統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)現(xiàn)流量計(jì)工況的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控。并且系統(tǒng)由于包括主控制板和從控制板，避免了只使用一個(gè)控制器，傳送給控制室時(shí)由于CDMA網(wǎng)絡(luò)覆蓋不到而沒(méi)有信號(hào)的現(xiàn)象發(fā)生。