[導讀] 描述了DSP控制實現(xiàn)的
明渠非接觸式流量計，對非接觸式流量計的數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)及通信接口電路組成做了詳細討論。介紹了在多數(shù)據(jù)量采集以及實時處理的要求下，采用數(shù)字信號處理器TMS320LF2407A實現(xiàn)采樣運算的方案。采用FIR算法對采樣數(shù)據(jù)進行數(shù)字低通濾波，將數(shù)據(jù)通過串行口傳送到上位機實現(xiàn)遠程監(jiān)控。根據(jù)所提出的方案研制了一臺基于TMS320LF2407A明渠污水流量計。
引言
為了對腐蝕性較強的流體進行流量計量，本研究提出了一種新型非接觸式流量計的設計。該流量計采用了先進的微處理器和機電一體化技術(shù)，具有時間比例、流量比例兩種采樣模式，可全天候?qū)α黧w流量進行實時采樣。整機準確、可靠、且操作簡單、維護方便。對自然水源、工業(yè)廢水、未處理污水及以處理污水均能實現(xiàn)水質(zhì)采樣過程中的流量計量。可廣泛應用于制藥、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 明渠污水流量計簡介
1.1 明渠流量計
明渠流量計是在非滿管狀敞開渠道測量自由表面自然流的流量儀表。非滿管態(tài)流動的水路稱作明渠，測量明渠中水流流量的稱作明渠流量計（openchannelflowmeter）。明渠流量計除圓形外，還有U字形、梯形、矩形等多種形狀。明渠流量計應用場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。國內(nèi)應用數(shù)據(jù)估計約占流量儀表整體數(shù)據(jù)的1.6%。
1.2 流量計結(jié)構(gòu)類型
明渠流量計具有巴歇爾槽結(jié)構(gòu)和堰式槽結(jié)構(gòu)兩種，可以根據(jù)現(xiàn)場不同的情況進行選用。如果下游水量暢通，場地寬敞，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量結(jié)構(gòu)，下游水位高低變化不會影響測量結(jié)果。一般的適用流量范圍為0.5噸/小時～20000噸/小時。
流量計在結(jié)構(gòu)上一般由流量計傳感器和流量計轉(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)測過程感受流量信號；轉(zhuǎn)換器將傳感器送來的流量信號進行放大，并轉(zhuǎn)換成標準電信號，以便進行顯示、記錄、積算和調(diào)節(jié)控制。也有的流量計將轉(zhuǎn)換器和傳感器裝在一起，組成一體型流量計，可就地顯示和遠傳顯示及控制。
流量計傳感器主要由測量管組件、磁路系統(tǒng)、電極及干擾調(diào)整機構(gòu)部分組成。為了使傳感器穩(wěn)定可靠地工作，準確地感受流量信號，傳感器應滿足如下要求：
1）能提供一個足夠大的且與流量成正比的電勢信號；
2）能把干擾信號抑制到最小程度，使信噪比足夠大；
3）能適應惡劣環(huán)境條件，工作可靠。
2 系統(tǒng)的控制原理
對明渠流量的測量方法主要有直接法和間接法兩大類。
直接法是對明渠中某些質(zhì)點的運動速度進行測量，找出這些質(zhì)點的運動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，進而得到通過明渠的流量。直接法由于很難找出某些質(zhì)點的運動速度與流體在明渠中的平均流速之間的對應關(guān)系，因此很少被采用。
間接法是在明渠中安裝水量具，使之對明渠中的被測流體形成約束阻力，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。找出其對應關(guān)系，用測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，進而達到明渠流量測量的目的。上游測定點處的水位h與瞬時流量q有確定的對應關(guān)系：h=f（q），只要測出該點的水位即可測出該點的流量。間接法在明渠測量中主要靠測量液位高度h來實現(xiàn)，應用比較廣泛，是目前明渠流量計的主要測量方法。
實際應用中，明渠中的水質(zhì)多有污染，特別是含油廢水的測量，往往由于浮力的變化，使得傳感器受到干擾而測量不準確。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量真實性?？刂破饕訢SPTMS320LF2407A為主控芯片，完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采樣、數(shù)據(jù)運算處理，其串口通訊可實現(xiàn)遠程數(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。
當水通過流量槽（Parshall-巴歇爾槽）形成自然流動時，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，實際現(xiàn)場依據(jù)不同的情況，不同的尺寸賦予不同的值。對于不同規(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，進行超聲發(fā)射和接收，由超聲波的傳播時間T來計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
設計流量測量儀器，采樣精度要求較高，采樣速度較快，而且由于現(xiàn)場存在干擾，需要對測量數(shù)據(jù)進行濾波處理，數(shù)據(jù)處理量較大。并且由于污水流量計一般情況下都安裝在戶外，考慮檢測及維護的需要，控制器應具有遠程數(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）、外設集成度更高、程序存儲器更大、A/D轉(zhuǎn)換速度更快等特點，F(xiàn)LASH芯片有高達32K字的儲存器，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、高速的運算能力、改進的并行結(jié)構(gòu)為系統(tǒng)設計提供了經(jīng)濟的可編程解決方案。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)換時間為500ns。具有自動排序功能，使最大為16路的轉(zhuǎn)換在同一轉(zhuǎn)換期間進行而不會增加CPU的開銷。
集成有串行通訊接口（SCI），使之能夠與系統(tǒng)中的其他控制器進行異步通信以及多處理機通信。
16位的串行外設（SPI）接口模塊，可用于顯示驅(qū)動器、日歷時鐘等器件的擴展。
兩個事件管理模塊EVA和EVB，每個包括：兩個16位通用定時器；8個16位的脈寬調(diào)制（PWM）通道。
電源管理包括3種低功耗模式，能獨立地將外設器件轉(zhuǎn)入低功耗工作模式。
在明渠污水流量計系統(tǒng)中，主要利用其高速A/D接口和通訊接口等，可以簡化系統(tǒng)的硬件設計，其運算速度和3.3V電源供電的低功耗模式均可滿足測量儀器的要求。
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），包含兩個獨立的最多可選擇8個模擬轉(zhuǎn)換通道的排序器，這兩個排序器可被級連成一個最多可選擇16個轉(zhuǎn)換通道的排序器，如圖2所示。
在給定的排序方式下，4個排序控制器決定了模擬通道轉(zhuǎn)換的順序，多個觸發(fā)源可以啟動AD轉(zhuǎn)換，本系統(tǒng)AD采樣由定時器1（EVA）來軟件觸發(fā)，定時器周期設為0.125毫秒，故每0.125毫秒采樣一次，在AD中斷服務程序中，把存儲在16個結(jié)果寄存器（RESULT0-RESULT15）采樣結(jié)果保存到內(nèi)存中去。
若第一路信號的值ADC0_result為“0x0322”，因為LF2407A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可按下式計算：
本系統(tǒng)選用耐酸耐堿型的UTG21-DP型超聲波明渠流量計，該流量計可以用來連續(xù)監(jiān)測明渠中污水的流量并累計流量，也可以作為非接觸式液位計使用，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量。它輸出4‾20mA信號連接到DSP中，圖3為把4‾20mA電流信號轉(zhuǎn)化成0-3.3V電壓信號提供給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DSP芯片中，采用定點數(shù)進行數(shù)值運算，其操作數(shù)一般采用整型數(shù)來表示。水位的采樣頻率為8kHz，每個水位樣值按16位整型數(shù)存放在一個文件中，低通濾波的截止頻率為800Hz，濾波器采用19點的有限沖擊響應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，采用數(shù)字低通濾波對采樣信號進行處理，濾除被檢測信號的高頻采樣干擾，對系統(tǒng)的檢測和計量有良好的效果。
DSP的指令周期為25ns，使得流量的快速計算成為可能。程序每秒鐘控制超聲波傳感器檢測一次水位，計算出一秒種的流量，并進一步累積為時流量、日流量、月流量、年流量和總累積流量，由串行口傳給上位機。
3.3 串行通信設計
為了實現(xiàn)對污水流量計系統(tǒng)的實時監(jiān)控，將運行參數(shù)實時的傳輸?shù)揭壕辽线M行顯示，同時也可以方便的通過鍵盤對逆變系統(tǒng)的參數(shù)進行在線修改。為了使系統(tǒng)更加智能化，發(fā)揮計算機的控制優(yōu)勢，采用RS-485總線將多個子系統(tǒng)與上位機之間串行通信，TMS320LF2407A串行通信接口SCI模塊接收器和發(fā)送器是雙緩沖的，每一個都有自己單獨的使能和中斷標志位，串行口經(jīng)過一片MAX3082和一個RS-485與RS-232的電平轉(zhuǎn)換器與上位機進行通信。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1200米。它具有發(fā)送使能和接收使能控制，當使能無效時，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，最大通信速率為0.125Mb/s，傳輸線上最多可掛128個收發(fā)器。
在上位機的通訊接口中，本系統(tǒng)使用牛頓-7520作為RS-485與RS-232的電平轉(zhuǎn)換器，其接口為標準的RS-485和RS-232總線接口。它具有300bps～115200bps的自適應波特率，同時內(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
由于采用非接觸測量方式，避免被測介質(zhì)對傳感器的腐蝕，特別適合污水流量的測量?？刂破鞑捎肈SP數(shù)字信息處理技術(shù)，集信號檢測、信號轉(zhuǎn)換、顯示輸出、數(shù)據(jù)傳輸、遠程監(jiān)測等功能于一體，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時鐘頻率為40MHz，而普通單片機的時鐘頻率僅為11.2MHz，故其數(shù)據(jù)讀寫周期相對單片機而言很短，然而PC機串口讀寫速度較低，最大數(shù)據(jù)吞吐量約為115kbps，盡管DSP在與這些慢速外設進行數(shù)據(jù)交換時可以加入額外的等待周期，但是在實時性要求苛刻，算法復雜的場合，將DSP從這些冗長的等待周期中解放出來，將其時間重點放在處理關(guān)鍵的實時任務中去，有著重要的實際意義。
本文作者創(chuàng)新點：針對實際應用中，明渠中水質(zhì)的污染狀況，特別是含油廢水的測量，往往由于浮力的變化，使得傳感器受到干擾而測量不準確。本文提出用非接觸式的超聲波傳感器代替目前流量計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?？刂破饕訢SPTMS320LF2407A為主控芯片，完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采樣、數(shù)據(jù)運算處理，其串口通訊可實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)傳輸和監(jiān)控功能。
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