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電磁流量計

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高抗干擾性能的電磁流量計軟件設計

來源:作者:發表時間:2020-04-18 11:06:00

 一、軟件開發環境 

       在實際過程中,系統開發軟件不僅需要友好的窗口界面、強大的功能,同時還需要有較高的效率。而本研究中用到的是 IAR Systems 公司的 IAR Embedded Workbench for MSP430 CIAR EW430,其不僅具備以上所述優點,同時作為 MSP430單片機全系列較具代表性的集成開發環境,在具備基礎的程序編輯、代碼下載、調試等功能上,其強大的特色功能還包括工程管理、多種匯編語言兼容,同時針對 430 處理器,設計了一種能夠實現的單步、連續、斷點調試的編譯器。 綜合起來, IAR Embeded Workbench 軟件的主要特色如下:
 
       (1)通用性強:①兼容 Windows 系統; ②友好、直觀的用戶界面;③較明晰的工程的層次化;④全集成的開發環境,包含了嵌入式工具和編譯器;⑤全面的幫助文檔。 
       (2)高度優化的 C/C++編譯器:①開發過程中不僅支持 C 語言和 EC++語言,同時也支持擴展 EC++語言,使其具有相應的程序模板、STL 等;②通過多種途徑優化了其開發中的代碼大小以及執行速度;③緊湊的代碼組成方式;④檢查器采用較為先進的 MISRA C。 
       (3)先進的 C.SPY 調試器:①對復雜的代碼以及斷點的數據兼容性較高;②分析方式采用時堆棧分析;③通用數據監測功能; ④溯源功能,可以跟蹤變量和寄存器的值組成的表達式,在需要時可以查看代碼運行歷史;⑤I/O 和中斷仿真;⑥編輯和調試同時進行。 
       (4)IAR XLINK 鏈接器:①鏈接較為完整,重定位和格式生成中主要為 Flash /Promable 代碼;②段命令極為靈活,可以實現細節優化控制,包括對代碼和數據的放置等;③交叉參考和相關的存儲映射較為全面;④通用性較強,可輸出 30 種以上的工業標準。 
 
二、 軟件模塊化設計 
2.1   系統主程序設計 
       本系統對各個模塊的主要要求是,它們之間既要相互獨立完成各自的功能,同時也要有一定的聯系,便于主程序的控制。因而本研究中采用了結構化和模塊化思想來進行整個軟件系統設計,以對各個模塊進行控制,同時各個子程序的調用采用了可以由主程序隨時進行調用的中斷式,這也可以使系統的功耗得到降低。 綜上,本系統的軟件組成包括控制系統——主程序、定時器中斷程序、A/D 轉換程序、按鍵處理程序等,通訊、顯示系統——通訊程序、LCD 顯示程序、測量程序等。工作狀態時,用戶可以參考附錄 A 設置系統的主要參數,然后選擇實時顯示相應信息,既可以是累積流量、瞬時流量,也可以是運行狀況、報警信息等。如圖 4.1 所示,為系統主程序的流程圖,可以看出主程序的主要功能是對各個模塊進行初始化。 
主程序流程圖
2.2   流量計算模塊設計 
       將主程序的電壓信號,最終呈現成流量信息,這一工作主要是流量計算子程序來完成的。其過程是,首先將 A/D 轉換成的數字量,然后將這一值傳送至單片機,通過模塊中的一系列的運算并結合一定的計算公式,將這一信號換算成相應的瞬時流量和累計流量值,最后送到 LCD 顯示屏上實時顯示處理結果。其流程圖如下圖 4.2 所示。
 

流量計算模塊

 
1.瞬時流量的計算 
       瞬時流量主要通過將電壓信號傳達至傳感器,然后通過無損的信號處理模塊處理將其轉換成直流信號,最后通過 A/D 轉換芯片 AD7715 收集這一瞬時數據。為了保證儀器的真實可靠性與精度,ARM 微處理器對接收到采集數據兩步進行數字濾波(平均值濾波)算法和小波閾值去噪法兩步來對采樣值中的脈沖性干擾以及噪聲進行濾除。 
 
2.計算累積流量 
       累積流量與瞬時流量不同,它是一段時間內的累積過程,是這一過程中管道中流過的流體的總體流量。因而要求流量計的體積流量的數值在每次掉電時都必須保存下來,以使在下次上電后能夠在此基礎上繼續累積,這就需要設計一掉電保護程序。如圖 4.3 所示為本研究的累積流量計算流程圖,運行過程中遇到掉電情況,程序會將累積流量的數據轉存于鐵電存儲器 FM24C16 中,當再一次給儀表供電,程序將先從存儲器上讀取上一次的累積流量值,然后在此基礎上繼續累計流量。具體實施中,微處理器不僅每秒讀取一個瞬時流量值,然后將其累加到 FM24C 16 中,并且每分都會對 FM24C16 進行一次讀寫操作,將流量值寫入 FM24C 16。這種微處理器與鐵電存儲器之間的相互信息傳遞,使得前者通過 MODBUS 總線對后者進行讀寫操作,最終實現累積流量的存儲和顯示。  
累積流量計算程序流程圖
2.3   定時中斷模塊設計 
       如前所述,當系統完成初始化后并不是直接進入下一階段,而是要先進入等待狀態。如流程圖 4.4 所示,這一過程的執行是通過 CPU 先偵測發生中斷的定時器的狀況,然后進一步確定產生中斷的具體模塊,最后啟動相應的中斷響應程序。 
定時器中斷響應流程圖
 
2.4   通信模塊設計 
       Field bus,也稱現場總線,其即是一種現場智能設備互連通訊網絡,又是一種工業數據總線,在諸多領域都有應用,如制造自動化領域、樓宇自動化領域等。其最早興起于上世紀八九十年代,并通過不斷應用網絡管理系統,慢慢替換掉之前的、傳統的分散型控制系統而迅速發展起來。而在本研究中的智能化電磁流量計設計中,如能同時應用這一技術,將現場與終端進行更密切的連接,必將使其組網能力以及在線糾錯能力得到極大的提升。 
 
       而本系統中所使用的通信高層協議選擇的是公開的、無費用的 MODBUS 串行鏈路協議。選擇使用這一協議主要是由于以下三點:
 
       ①開放性、免費性,使用極為廣泛且不收取任何費用;
 
       ②通用性,其已成為工控領域中電子控制器上的通用協議;
 
       ③標準化,其已是我國工業自動化網絡協議規范的國家標準之一。這一協議最初是 Modicon 公司用于 OSI 模型應用層間的報文傳輸的協議,通過不斷的發展現在通過此協議可以實現匯總不同的廠商生產的智能設備組建成一個大的網絡,從而實現對各部分進行集中控制。而且其對設備的不管是 RS232 還是 RS485 物理接口都可以兼容,即使是后者接口對接口電路的電器特征有非常嚴格的要求,但其對機械特征及通訊格式等內容并沒有這種局限性。 
 
MODBUS 通信協議具有雙向讀寫的功能,這一特點的實現主要是通過其內部的使用的主/從技術實現的,其具體操作要求:
 
       ①只有主設備能進行初始化傳輸,信息查詢功能;
 
       ②從設備沒有查詢功能,只負責響應,其必須根據主設備查詢時所提供的信息做出相應的響應。具體的查詢/回應周期如圖 4.5 所示。
查詢/回應周期
三、  軟件抗干擾設計 
       眾所周知,對于電磁的干擾常采取的抗干擾技術包括硬件抗干擾技術與軟件抗干擾技術,而前者局限性較大,只對特定頻率段的抗干擾效果較好,而后者不僅本省不會引入噪聲,而且還具有在線動態調節的功能,可以通過設定一定的參數來使抗干擾性能達到最佳。為了盡可能的在濾除所有干擾的基礎上極大的提高電磁流量計的測量精度,我們不僅需要充分發揮后者的優點,同時還應該結合前者的優點,采用軟硬件結合的方式來使抗干擾性能最優。以下為幾種常用的的軟件抗干擾措施: 
 
1.數字濾波 
       這種方式濾除干擾的原理是通過降低干擾信號的比重來實現的,具體操作是通過一定的計算或判斷程序使有用信號中干擾信號的比重大大降低,從而使干擾的影響大大降低。其優點主要包括:①可靠性高、穩定性好,其主要是通過程序來實現的,不需要硬件設備的介入;②低頻段的信號(如 O.O1Hz)濾波,規避了模擬濾波器的不能進行低頻段濾波的缺陷;③靈活、方便,既可以通過選用不同的濾波方法,又可以通過設置不同的濾波參數,濾波手段多樣且方便?,F階段數字濾波的主要算法有:算術平均值法、限幅濾波法、中值濾波法、慣性濾波法等。 
 
2.CPU 抗干擾 
       CPU 做為整個系統很關鍵的一部分,當其受到干擾時,會導致非常嚴重的不良后果。如系統將操作數當作操作碼來執行,或者導致程序脫離原來的軌道運行,無序的亂跳或在地址空間內亂飛。因而需要一定的防失控措施來攔截亂飛的程序,防止其對整個系統進行擾亂,并使其納入正軌,使系統處于正常的工作狀態。常用的方法主要有以下三種: 
(1)時間冗余技術 
       這一技術判斷系統是否正常運行的方式是,重復執行兩次某一段程序,然后比較兩次的運行的結果,然后執行以下兩種判斷:
 
       ①兩次結果一致,系統運行正常;
 
       ②兩次結果不一致,需再進行一次測試,這時若兩次結果仍不同,則認為系統發生了故障。從上不難看出,時間冗余技術優缺點都很明顯,優點是系統運行的可靠性更好,缺點是多次運行結果比較大大增加了運行時間的、減慢了系統的運行速度。 
 
(2)指令冗余技術 
       根據單字節指令可以使彈飛的程序自動導入其正常軌道的特點,可以在程序設計時在一些關鍵位置添加一些這樣子的指令,當這一程序被擾亂時,這些單字節指令會引導其自動進入其原來的軌道。最常用的單字節指令是空指令 NOP。NOP空指令不僅有如上功能,同時如果將多個空指令加在雙字節的指令后,可以使其后的指令不被拆散,而如果加在跳轉指令后,則可以保證這些指令跳轉到制定位置。 
 
(3)軟件陷阱 
       軟件陷阱的糾錯功能是在制定位置設置上一條引導指令,當程序出錯時,可強行將捕獲的程序引導至這一位置,然后通過設置好的指導指令處理出錯的程序,從而使其很快進入正軌。 
 
3.程序監控系統 
       這一系統又叫“看門狗”技術系統,其主要的功能是監控系統程序,當跑飛的系統程序陷入到一種軟件陷阱技術和指令冗余技術都不能使其回歸正軌的“死循環”狀態時,這一技術會給系統發出一些指令,使其采用強制措施讓跑飛的程序復位。
 
4.故障自診斷技術 
       為了進一步提高抗干擾性能、增加系統的可靠性,系統針對每一組件(定時器、CPU、A/D 和 D/A 通道等)都應設計軟件容錯技術,從而實現各組件的故障自診斷等。 
 
       綜上所述,每種抗干擾措施其針對性各不相同,優缺點也各異,因而在實際應用中,應相應選擇性的綜合應用各種抗干擾技術,發揮它們各自的特點,最終實現整個電磁流量計的穩定性、可靠性。同時調試過程中,還應做到及時發現問題,分析問題,針對這些問題不斷改進流量計的電路原理、具體布線、屏蔽、數字地或模擬地的處理以及防護形式等。 
 
四、本章小結 
       本文詳細的闡述了高抗干擾性能的電磁流量計軟件設計過程及結果。首先,簡要分析了軟件開發環境,并闡述了軟件模塊化設計,包括系統主程序設計、流量計模塊設計、定時中斷模塊設計以及通信模塊設計,并在基礎上對其進行了軟件抗干擾設計。 
 

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