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    （中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥 230031）汪 瑋
                               
    汪瑋（1982-）男，漢族，安徽池州人，碩士，助理工程師，研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)的開(kāi)發(fā)，現(xiàn)就職于中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所。

    摘要：本系統(tǒng)依據(jù)JJG667-1997液體容積式流量計(jì)檢定規(guī)程，采用PHILIPS的LPC2292嵌入式微控制器和μC/OS-II操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流量標(biāo)定計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)了利用標(biāo)準(zhǔn)表法標(biāo)定流量計(jì)的功能。

    關(guān)鍵詞：流量標(biāo)定；ARM；LPC2292；標(biāo)準(zhǔn)表法

    Abstract: In this paper, we design a flowmeter calibration system. The system is based on the liquid volumetric flowmeter calibrating regulation JJG667-1997,and uses Philips LPC2292 embedded microcontroller and μC/OS-II operation system. It can calibrate flowmeter by means of Master Meter Method.

    Key words: Flowmeter calibration; ARM; LPC2292; Master Meter Method 

    1 引 言

    各種工業(yè)流量計(jì)的精度標(biāo)定是工業(yè)儀表一項(xiàng)重要的計(jì)量工作，按照流量計(jì)標(biāo)定規(guī)程通常有容積法、標(biāo)準(zhǔn)表法、稱重法等方法。傳統(tǒng)的標(biāo)定系統(tǒng)使用人工或半自動(dòng)操作，操作流程復(fù)雜，標(biāo)定過(guò)程中的數(shù)據(jù)手工記錄，標(biāo)定結(jié)果手工計(jì)算，采樣時(shí)間的同步不易控制，還存在速度慢，效率低，出錯(cuò)率高等問(wèn)題，限制了勞動(dòng)生產(chǎn)率的提高。而用計(jì)數(shù)器和PC來(lái)構(gòu)建檢定系統(tǒng)，雖然精度自動(dòng)化程度都有了很大提高，實(shí)現(xiàn)了流量計(jì)標(biāo)定系統(tǒng)的自動(dòng)控制、采樣時(shí)間同步、數(shù)據(jù)采集、處理、分析的自動(dòng)化，但是成本過(guò)高，使用也相當(dāng)不便。在此背景之下，本文提出了一種采用基于ARM7的LPC2292微控制器開(kāi)發(fā)標(biāo)定計(jì)算機(jī)，以代替原采用計(jì)數(shù)器和PC構(gòu)建的檢定計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

    2 標(biāo)定方法與原理介紹

    本系統(tǒng)是采用標(biāo)準(zhǔn)表法對(duì)流量計(jì)進(jìn)行標(biāo)定的。標(biāo)準(zhǔn)表法流量標(biāo)定是有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的容積式流量計(jì)標(biāo)定方法。該系統(tǒng)所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)為JJG667-1997液體容積式流量計(jì)檢定規(guī)程。

    標(biāo)準(zhǔn)表法就是用標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)標(biāo)定流量計(jì)的方法，也稱為比較法。用標(biāo)準(zhǔn)表法標(biāo)定流量計(jì)的基本原理是基于流體力學(xué)的連續(xù)性方程流體在相同時(shí)間間隔內(nèi)連續(xù)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)和被檢流量計(jì)，用比較的方法確定被檢流量計(jì)的誤差。在采用標(biāo)準(zhǔn)表法標(biāo)定過(guò)程中，在已知的體積流量下，計(jì)算機(jī)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)表及被檢表的脈沖信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析。

    3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

    該系統(tǒng)以PHILIPS的LPC2292為微處理器，選擇必要的硬件外設(shè)，以實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-II為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)自行開(kāi)發(fā)嵌入式流量標(biāo)定系統(tǒng)。擬開(kāi)發(fā)的流量標(biāo)定系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)表法和體積管法標(biāo)定流量計(jì)，檢測(cè)標(biāo)定過(guò)程中的溫度，壓力，并顯示最終的標(biāo)定報(bào)告，低成本，低功耗，便于攜帶。

    本系統(tǒng)利用編碼器產(chǎn)生脈沖信號(hào)來(lái)模擬流量計(jì)傳感器產(chǎn)生的計(jì)量脈沖信號(hào)，產(chǎn)生外部中斷，摒棄了計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，而直接利用中斷計(jì)數(shù)。用溫度和壓力傳感器檢測(cè)標(biāo)定過(guò)程中的溫度及壓力值，通過(guò)AD轉(zhuǎn)換得到具體數(shù)值在LCD上實(shí)時(shí)顯示。標(biāo)定過(guò)程中的各進(jìn)程界面和最終的標(biāo)定報(bào)告由外接的LCD來(lái)顯示，紅外鍵盤用來(lái)根據(jù)LCD上的顯示提示進(jìn)行參數(shù)設(shè)定及其他操作。本系統(tǒng)采用RS232、RS485、CAN總線三種方式與上位機(jī)進(jìn)行通信。有三路輸出，一路4～20mA輸出用于控制閥門開(kāi)度和兩路繼電器輸出用于控制閥門開(kāi)關(guān)和電機(jī)狀態(tài)。
                        
                                        圖1  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
    4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

    該系統(tǒng)所采用的微控制器為PHILIPS的LPC2292。LPC2292芯片是一款低價(jià)格、高性能的ARM7TDMI-S微控制器芯片，并帶有16kB片內(nèi)SRAM，256kB嵌入的高速Flash存儲(chǔ)器。最高工作頻率可達(dá)到60MHz。多個(gè)串行接口，76個(gè)GPIO，10位8路的ADC，2路CAN以及多達(dá)9個(gè)邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷使LPC2292特別適用于工業(yè)控制[1]。

    4.1 液晶模塊

    本系統(tǒng)需要對(duì)標(biāo)定流程中的各個(gè)界面以及最后的標(biāo)定報(bào)告進(jìn)行顯示。因此，選擇了一款DMF50840NF的LCD模塊。點(diǎn)像素為320×240，單色，內(nèi)嵌控制器為SED1335. LPC2292以間接控制方式控制LCD模塊。間接控制方式是MCU通過(guò)I/O并行接口，按照模擬模塊時(shí)序的方式，間接實(shí)現(xiàn)對(duì)液晶顯示模塊的控制。根據(jù)液晶顯示模塊的需要，并行接口需要一個(gè)11位并行接口，LPC2292的P2.16-2.23口作為數(shù)據(jù)總線。P2口中P2.24、P2.25、P2.28、P2.29分別連接寫(xiě)選通、讀選通、片選及指令/數(shù)據(jù)通道選擇信號(hào)。

    4.2 脈沖計(jì)數(shù)電路

    本系統(tǒng)采用兩個(gè)編碼器產(chǎn)生脈沖來(lái)分別模擬標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)和被標(biāo)定流量計(jì)的傳感器產(chǎn)生的計(jì)量脈沖，從而產(chǎn)生外部中斷。編碼器采用的是日本ALPS公司出產(chǎn)的帶自回開(kāi)關(guān)的增量式光電旋轉(zhuǎn)編碼器EC11-S。此編碼器在電路板上的安裝方式是直立式的，其引腳連接如圖2所示，C端接地，A、B端分別經(jīng)過(guò)限流電阻接電源，旋轉(zhuǎn)編碼器軸，A、B兩端就可觀察到有脈沖輸出。
                           
                                     圖2  編碼器外形及電路連接
    4.3 紅外鍵盤

    工業(yè)儀表通常采用表面鍵盤操作，在進(jìn)行抄表記錄時(shí)需打開(kāi)表頭（表頭采用防爆技術(shù)），非常不方便，迫切需要進(jìn)行遙控操作。為此，筆者研制了一種紅外遙控系統(tǒng)。紅外遙控系統(tǒng)由發(fā)射和接收兩大部分組成。應(yīng)用編/解碼專用集成電路芯片來(lái)進(jìn)行控制操作，該系統(tǒng)采用uPD6121G作為遙控發(fā)射器專用芯片，當(dāng)發(fā)射器按鍵按下后，即有遙控碼發(fā)出，所按的鍵不同遙控編碼也不同。接收電路可以使用一種集紅外線接收和放大于一體的一體化紅外線接收器，不需要任何外接元件，就能完成從紅外線接收到輸出與TTL電平信號(hào)兼容的所有工作，該系統(tǒng)采用的接收頭是TSOP1838B。

    4.4 串口通信與AD轉(zhuǎn)換

    （1）該系統(tǒng)采用RS232、RS485、CAN總線三種方式與上位機(jī)進(jìn)行通信。LPC2292本身包含2個(gè)UART和CAN控制器，因此，很方便搭建RS232與CAN總線收發(fā)電路。

    （2）利用簡(jiǎn)易的電阻分壓方式模擬檢定時(shí)的溫度和壓力，通過(guò)LPC2292的ADC進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。

    5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

    5.1 操作系統(tǒng)介紹

    μC/OS-II是著名的、源碼公開(kāi)的內(nèi)核，可用于各類8位、16位和32位單片機(jī)或DSP。它是一個(gè)可移植、可固化、可剪裁的占先式實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核，能夠同時(shí)管理多達(dá)64個(gè)任務(wù)，很方便地進(jìn)行任務(wù)管理，時(shí)間管理，任務(wù)間的通信等[3]。

    5.2 系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)

    系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)為核心，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集，檢定，顯示，通信等多個(gè)功能模塊。本工程共創(chuàng)建了三個(gè)任務(wù)，第一個(gè)是主任務(wù)，用來(lái)創(chuàng)建其它任務(wù)和整個(gè)流程的操作過(guò)程的控制；第二個(gè)是AD轉(zhuǎn)換與實(shí)時(shí)顯示任務(wù)，用來(lái)實(shí)時(shí)顯示AD轉(zhuǎn)換的溫度和壓力值。第三個(gè)任務(wù)是按鍵任務(wù)，通過(guò)消息郵箱KeyMbox向主任務(wù)發(fā)送按鍵消息。
                           
    5.3 標(biāo)定流程實(shí)現(xiàn)

    本系統(tǒng)須實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)表法標(biāo)定。根據(jù)液體容積式流量計(jì)檢定規(guī)程JJG667-1997的規(guī)定，流量計(jì)檢定點(diǎn)不少于3個(gè)，均勻分布，而且每個(gè)檢定點(diǎn)至少檢定3次。本工程對(duì)于這兩種方法均設(shè)定了3個(gè)檢定點(diǎn)，每個(gè)檢定點(diǎn)檢定3次。

    標(biāo)準(zhǔn)表法標(biāo)定采用外部中斷計(jì)數(shù)，將模擬標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)和被檢定流量計(jì)采樣脈沖的輸出端與LPC2292的外部中斷引腳連接，對(duì)每一個(gè)脈沖輸出端來(lái)說(shuō)，每有一個(gè)采樣脈沖，LPC2292就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)外部中斷。故編制兩個(gè)外部中斷服務(wù)程序完成脈沖計(jì)數(shù)任務(wù)。外部中斷程序首先判斷計(jì)數(shù)值是否達(dá)到預(yù)先設(shè)置的脈沖數(shù)，若無(wú)，則繼續(xù)計(jì)數(shù)。若達(dá)到，則立即關(guān)兩個(gè)中斷停止計(jì)數(shù)，同時(shí)發(fā)送一個(gè)信號(hào)量消息給主任務(wù)，表示一次標(biāo)定結(jié)束。由計(jì)得的脈沖數(shù)即可算得每一點(diǎn)每一次的K系數(shù)，并最終算得流量計(jì)的K系數(shù)，基本誤差和重復(fù)性。
                     
                                      圖4  脈沖計(jì)數(shù)程序流程圖
    5.4 液晶驅(qū)動(dòng)及顯示的軟件實(shí)現(xiàn)

    由于LPC2292是通過(guò)I/O模擬總線操作時(shí)序控制液晶模塊的，DMF50840NF的速度較慢，所以在編制液晶驅(qū)動(dòng)時(shí)要對(duì)其時(shí)序關(guān)系有一個(gè)清楚的了解，并在程序中加入適當(dāng)?shù)难訒r(shí)。液晶驅(qū)動(dòng)程序包括：初始化，寫(xiě)命令，寫(xiě)數(shù)據(jù)，讀數(shù)據(jù)，清屏，顯示中文字符，顯示英文字符等子程序。本設(shè)計(jì)采用圖形方式顯示漢字和字符，其中中文字庫(kù)位于片外E2PROM，地址起始于：0x81000008；共約238kB。

    5.5 紅外遙控實(shí)現(xiàn)

    紅外遙控解碼的關(guān)鍵是如何識(shí)別低電平“0”和高電平“1”，uPD6121G是脈寬調(diào)制的發(fā)射芯片，其低電平“0”和高電平“1”不同之處在于高電平的寬度不同，所以必須根據(jù)高電平的寬度區(qū)別“0”和“1”。本系統(tǒng)紅外遙控解碼采用中斷方式。紅外接收頭輸出信號(hào)直接連接到LPC2292的外部中斷INT0，INT0設(shè)置為下降沿邊緣觸發(fā)方式，用內(nèi)部定時(shí)器T1測(cè)量正脈沖寬度。

    5.6 串口通信及AD轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)

    （1）RS232串口通信采用中斷方式進(jìn)行，設(shè)計(jì)μC/OS-II下的串口驅(qū)動(dòng)，使LPC2292能正常與PC機(jī)通訊。本系統(tǒng)采用ModBus協(xié)議，在RS485總線網(wǎng)絡(luò)上與PC通訊。ModBus通訊協(xié)議分為RTU模式和ASCII模式兩種串行傳輸模式，本系統(tǒng)采用RTU模式。RTU報(bào)文末的兩個(gè)字節(jié)為校驗(yàn)字節(jié)，RTU方式通信采用CRC校驗(yàn)，這種校驗(yàn)方法對(duì)隨機(jī)或突發(fā)差錯(cuò)造成的幀破壞有很好的校驗(yàn)效果[2]。

    CAN總線通信采用已有的CAN通信軟件包。

    （2）AD轉(zhuǎn)換分別采用LPC2292的P0.27、P0.28、 P0.29、P0.30腳的AD0.0、AD0.1、 AD0.2、 AD0.3功能，選擇通道0、通道1、通道2和通道3。轉(zhuǎn)換時(shí)鐘為4MHz，軟件控制轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)顯示檢定時(shí)的溫度及壓力值，故建立一個(gè)實(shí)時(shí)顯示任務(wù)，完成AD轉(zhuǎn)換及顯示工作。在主任務(wù)里設(shè)置一個(gè)溫度壓力實(shí)時(shí)顯示參數(shù)status，當(dāng)status為1時(shí)，實(shí)時(shí)顯示任務(wù)即會(huì)循環(huán)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，然后顯示當(dāng)前的溫度、壓力值；為0時(shí)，則不顯示。

    6 結(jié)束語(yǔ)

    該系統(tǒng)主要用于模擬工業(yè)控制中的液體流量標(biāo)定工作。經(jīng)過(guò)測(cè)試，本系統(tǒng)能夠成功實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)表法標(biāo)定流程中的各個(gè)過(guò)程，系統(tǒng)運(yùn)行良好。基于LPC2292的流量標(biāo)定計(jì)算機(jī)因其低成本、便攜性、精度高、體積小巧、實(shí)時(shí)性好而有著廣闊的應(yīng)用前景。

    參考文獻(xiàn)：

    [1] 周立功等. ARM微控制器基礎(chǔ)與實(shí)戰(zhàn)[M]. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社. 2005.

    [2] 周立功等. ARM嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教程（一）[M]. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社. 2004.

    [3] Jean J.Labrosse. 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ[M]. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社. 2003.

    摘自《自動(dòng)化博覽》2010年第三期