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电磁流量计

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高抗干扰性能的电磁流量计软件设计

来源:作者:发表时间:2020-04-18 11:06:00

 一、软件开发环境 

       在实际过程中,系统开发软件不仅需要友好的窗口界面、强大的功能,同时还需要有较高的效率。而本研究中用到的是 IAR Systems 公司的 IAR Embedded Workbench for MSP430 CIAR EW430,其不仅具备以上所述优点,同时作为 MSP430单片机全系列较具代表性的集成开发环境,在具备基础的程序编辑、代码下载、调试等功能上,其强大的特色功能还包括工程管理、多种汇编语言兼容,同时针对 430 处理器,设计了一种能够实现的单步、连续、断点调试的编译器。 综合起来, IAR Embeded Workbench 软件的主要特色如下:
 
       (1)通用性强:①兼容 Windows 系统; ②友好、直观的用户界面;③较明晰的工程的层次化;④全集成的开发环境,包含了嵌入式工具和编译器;⑤全面的帮助文档。 
       (2)高度优化的 C/C++编译器:①开发过程中不仅支持 C 语言和 EC++语言,同时也支持扩展 EC++语言,使其具有相应的程序模板、STL 等;②通过多种途径优化了其开发中的代码大小以及执行速度;③紧凑的代码组成方式;④检查器采用较为先进的 MISRA C。 
       (3)先进的 C.SPY 调试器:①对复杂的代码以及断点的数据兼容性较高;②分析方式采用时堆栈分析;③通用数据监测功能; ④溯源功能,可以跟踪变量和寄存器的值组成的表达式,在需要时可以查看代码运行历史;⑤I/O 和中断仿真;⑥编辑和调试同时进行。 
       (4)IAR XLINK 链接器:①链接较为完整,重定位和格式生成中主要为 Flash /Promable 代码;②段命令极为灵活,可以实现细节优化控制,包括对代码和数据的放置等;③交叉参考和相关的存储映射较为全面;④通用性较强,可输出 30 种以上的工业标准。 
 
二、 软件模块化设计 
2.1   系统主程序设计 
       本系统对各个模块的主要要求是,它们之间既要相互独立完成各自的功能,同时也要有一定的联系,便于主程序的控制。因而本研究中采用了结构化和模块化思想来进行整个软件系统设计,以对各个模块进行控制,同时各个子程序的调用采用了可以由主程序随时进行调用的中断式,这也可以使系统的功耗得到降低。 综上,本系统的软件组成包括控制系统——主程序、定时器中断程序、A/D 转换程序、按键处理程序等,通讯、显示系统——通讯程序、LCD 显示程序、测量程序等。工作状态时,用户可以参考附录 A 设置系统的主要参数,然后选择实时显示相应信息,既可以是累积流量、瞬时流量,也可以是运行状况、报警信息等。如图 4.1 所示,为系统主程序的流程图,可以看出主程序的主要功能是对各个模块进行初始化。 
主程序流程图
2.2   流量计算模块设计 
       将主程序的电压信号,最终呈现成流量信息,这一工作主要是流量计算子程序来完成的。其过程是,首先将 A/D 转换成的数字量,然后将这一值传送至单片机,通过模块中的一系列的运算并结合一定的计算公式,将这一信号换算成相应的瞬时流量和累计流量值,最后送到 LCD 显示屏上实时显示处理结果。其流程图如下图 4.2 所示。
 

流量计算模块

 
1.瞬时流量的计算 
       瞬时流量主要通过将电压信号传达至传感器,然后通过无损的信号处理模块处理将其转换成直流信号,最后通过 A/D 转换芯片 AD7715 收集这一瞬时数据。为了保证仪器的真实可靠性与精度,ARM 微处理器对接收到采集数据两步进行数字滤波(平均值滤波)算法和小波阈值去噪法两步来对采样值中的脉冲性干扰以及噪声进行滤除。 
 
2.计算累积流量 
       累积流量与瞬时流量不同,它是一段时间内的累积过程,是这一过程中管道中流过的流体的总体流量。因而要求流量计的体积流量的数值在每次掉电时都必须保存下来,以使在下次上电后能够在此基础上继续累积,这就需要设计一掉电保护程序。如图 4.3 所示为本研究的累积流量计算流程图,运行过程中遇到掉电情况,程序会将累积流量的数据转存于铁电存储器 FM24C16 中,当再一次给仪表供电,程序将先从存储器上读取上一次的累积流量值,然后在此基础上继续累计流量。具体实施中,微处理器不仅每秒读取一个瞬时流量值,然后将其累加到 FM24C 16 中,并且每分都会对 FM24C16 进行一次读写操作,将流量值写入 FM24C 16。这种微处理器与铁电存储器之间的相互信息传递,使得前者通过 MODBUS 总线对后者进行读写操作,最终实现累积流量的存储和显示。  
累积流量计算程序流程图
2.3   定时中断模块设计 
       如前所述,当系统完成初始化后并不是直接进入下一阶段,而是要先进入等待状态。如流程图 4.4 所示,这一过程的执行是通过 CPU 先侦测发生中断的定时器的状况,然后进一步确定产生中断的具体模块,最后启动相应的中断响应程序。 
定时器中断响应流程图
 
2.4   通信模块设计 
       Field bus,也称现场总线,其即是一种现场智能设备互连通讯网络,又是一种工业数据总线,在诸多领域都有应用,如制造自动化领域、楼宇自动化领域等。其最早兴起于上世纪八九十年代,并通过不断应用网络管理系统,慢慢替换掉之前的、传统的分散型控制系统而迅速发展起来。而在本研究中的智能化电磁流量计设计中,如能同时应用这一技术,将现场与终端进行更密切的连接,必将使其组网能力以及在线纠错能力得到极大的提升。 
 
       而本系统中所使用的通信高层协议选择的是公开的、无费用的 MODBUS 串行链路协议。选择使用这一协议主要是由于以下三点:
 
       ①开放性、免费性,使用极为广泛且不收取任何费用;
 
       ②通用性,其已成为工控领域中电子控制器上的通用协议;
 
       ③标准化,其已是我国工业自动化网络协议规范的国家标准之一。这一协议最初是 Modicon 公司用于 OSI 模型应用层间的报文传输的协议,通过不断的发展现在通过此协议可以实现汇总不同的厂商生产的智能设备组建成一个大的网络,从而实现对各部分进行集中控制。而且其对设备的不管是 RS232 还是 RS485 物理接口都可以兼容,即使是后者接口对接口电路的电器特征有非常严格的要求,但其对机械特征及通讯格式等内容并没有这种局限性。 
 
MODBUS 通信协议具有双向读写的功能,这一特点的实现主要是通过其内部的使用的主/从技术实现的,其具体操作要求:
 
       ①只有主设备能进行初始化传输,信息查询功能;
 
       ②从设备没有查询功能,只负责响应,其必须根据主设备查询时所提供的信息做出相应的响应。具体的查询/回应周期如图 4.5 所示。
查询/回应周期
三、  软件抗干扰设计 
       众所周知,对于电磁的干扰常采取的抗干扰技术包括硬件抗干扰技术与软件抗干扰技术,而前者局限性较大,只对特定频率段的抗干扰效果较好,而后者不仅本省不会引入噪声,而且还具有在线动态调节的功能,可以通过设定一定的参数来使抗干扰性能达到最佳。为了尽可能的在滤除所有干扰的基础上极大的提高电磁流量计的测量精度,我们不仅需要充分发挥后者的优点,同时还应该结合前者的优点,采用软硬件结合的方式来使抗干扰性能最优。以下为几种常用的的软件抗干扰措施: 
 
1.数字滤波 
       这种方式滤除干扰的原理是通过降低干扰信号的比重来实现的,具体操作是通过一定的计算或判断程序使有用信号中干扰信号的比重大大降低,从而使干扰的影响大大降低。其优点主要包括:①可靠性高、稳定性好,其主要是通过程序来实现的,不需要硬件设备的介入;②低频段的信号(如 O.O1Hz)滤波,规避了模拟滤波器的不能进行低频段滤波的缺陷;③灵活、方便,既可以通过选用不同的滤波方法,又可以通过设置不同的滤波参数,滤波手段多样且方便。现阶段数字滤波的主要算法有:算术平均值法、限幅滤波法、中值滤波法、惯性滤波法等。 
 
2.CPU 抗干扰 
       CPU 做为整个系统很关键的一部分,当其受到干扰时,会导致非常严重的不良后果。如系统将操作数当作操作码来执行,或者导致程序脱离原来的轨道运行,无序的乱跳或在地址空间内乱飞。因而需要一定的防失控措施来拦截乱飞的程序,防止其对整个系统进行扰乱,并使其纳入正轨,使系统处于正常的工作状态。常用的方法主要有以下三种: 
(1)时间冗余技术 
       这一技术判断系统是否正常运行的方式是,重复执行两次某一段程序,然后比较两次的运行的结果,然后执行以下两种判断:
 
       ①两次结果一致,系统运行正常;
 
       ②两次结果不一致,需再进行一次测试,这时若两次结果仍不同,则认为系统发生了故障。从上不难看出,时间冗余技术优缺点都很明显,优点是系统运行的可靠性更好,缺点是多次运行结果比较大大增加了运行时间的、减慢了系统的运行速度。 
 
(2)指令冗余技术 
       根据单字节指令可以使弹飞的程序自动导入其正常轨道的特点,可以在程序设计时在一些关键位置添加一些这样子的指令,当这一程序被扰乱时,这些单字节指令会引导其自动进入其原来的轨道。最常用的单字节指令是空指令 NOP。NOP空指令不仅有如上功能,同时如果将多个空指令加在双字节的指令后,可以使其后的指令不被拆散,而如果加在跳转指令后,则可以保证这些指令跳转到制定位置。 
 
(3)软件陷阱 
       软件陷阱的纠错功能是在制定位置设置上一条引导指令,当程序出错时,可强行将捕获的程序引导至这一位置,然后通过设置好的指导指令处理出错的程序,从而使其很快进入正轨。 
 
3.程序监控系统 
       这一系统又叫“看门狗”技术系统,其主要的功能是监控系统程序,当跑飞的系统程序陷入到一种软件陷阱技术和指令冗余技术都不能使其回归正轨的“死循环”状态时,这一技术会给系统发出一些指令,使其采用强制措施让跑飞的程序复位。
 
4.故障自诊断技术 
       为了进一步提高抗干扰性能、增加系统的可靠性,系统针对每一组件(定时器、CPU、A/D 和 D/A 通道等)都应设计软件容错技术,从而实现各组件的故障自诊断等。 
 
       综上所述,每种抗干扰措施其针对性各不相同,优缺点也各异,因而在实际应用中,应相应选择性的综合应用各种抗干扰技术,发挥它们各自的特点,最终实现整个电磁流量计的稳定性、可靠性。同时调试过程中,还应做到及时发现问题,分析问题,针对这些问题不断改进流量计的电路原理、具体布线、屏蔽、数字地或模拟地的处理以及防护形式等。 
 
四、本章小结 
       本文详细的阐述了高抗干扰性能的电磁流量计软件设计过程及结果。首先,简要分析了软件开发环境,并阐述了软件模块化设计,包括系统主程序设计、流量计模块设计、定时中断模块设计以及通信模块设计,并在基础上对其进行了软件抗干扰设计。 
 

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