(陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710021)

0 引言

流量的測量與控制越來越多地應(yīng)用于石油化工、生活供水和工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域。超聲波流量計由于本身的諸多優(yōu)點被廣泛地應(yīng)用于各種流量測量領(lǐng)域[1]。傳統(tǒng)的手抄式超聲波流量計已經(jīng)不能滿足要求，如測量點分布離散、現(xiàn)場環(huán)境惡劣及人不能接近測量等情況。雖然隨后出現(xiàn)了基于電話線網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)和GSM等數(shù)據(jù)采集方式的流量計，但這些方式仍存在許多不足，如效率太低、成本太高或覆蓋面不廣、不能實時地將流量信息發(fā)送到客戶端等一系列缺陷。此外流量測量算法的選擇、遠程通信鏈路的建立及網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的應(yīng)用等方面還有待改進。

近年來，GPRS在無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)領(lǐng)域的優(yōu)勢越來越明顯，為GSM系統(tǒng)在無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)領(lǐng)域開辟了廣泛的應(yīng)用前景，GPRS業(yè)務(wù)被越來越廣泛地應(yīng)用于各種領(lǐng)域[2]。根據(jù)目前流量測控技術(shù)的要求，結(jié)合遠程通信和流量控制技術(shù)，設(shè)計了一種基于GPRS的遠程流量監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)為遠程流量的測量與控制提供了一種新的方法。

1 基于GPRS的遠程流量測控系統(tǒng)組成

根據(jù)流量測控儀表傳輸資料量不大和對實時性要求高等特點，GPRS非常適合應(yīng)用于遠程流量測量與控制的數(shù)據(jù)傳輸。本系統(tǒng)設(shè)計的流量遠程監(jiān)控主要由監(jiān)控中心和現(xiàn)場監(jiān)控終端兩部分組成，遠程流量測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 遠程流量測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)中的各個流量測控單元通過GPRS無線數(shù)據(jù)終端接入GPRS網(wǎng)絡(luò)，GPRS網(wǎng)絡(luò)再連接到Internet。這樣用一臺分配有固定IP并連接到Internet的計算機配合相關(guān)軟件，就可以實現(xiàn)對各單元的流量測量與控制。各個現(xiàn)場單元不僅需要有相應(yīng)的流量測量和控制功能，而且需要能夠與GPRS數(shù)據(jù)終端進行數(shù)據(jù)交換。

系統(tǒng)的工作過程具體如下。

當測控終端和管理中心計算機建立連接后，管理中心可以向各個測控終端發(fā)出數(shù)據(jù)采集、瞬時流量采集、余額查詢、閥門控制等指令數(shù)據(jù)包。測控終端收到指令數(shù)據(jù)包后作出相應(yīng)的操作，并返回相應(yīng)數(shù)據(jù)包到測控終端計算機。同時測控中心收到上傳的資料后進行篩選、分類、統(tǒng)計、分析并存儲到數(shù)據(jù)庫中。用戶可以隨時查詢各個點的瞬時流量信息、余額信息等。用戶也可以在監(jiān)控中心通過軟件對各個點進行閥門的控制和充值操作等。

2 終端的組成和工作原理

將GPRS技術(shù)運用于遠程流量測控設(shè)備是目前新興的一種遠程測控方法，但是要實現(xiàn)這樣的系統(tǒng)，需要建立功能強大并且工作穩(wěn)定的遠程終端系統(tǒng)[3]?，F(xiàn)場流量測控終端主要實現(xiàn)以下功能：①接收并處理超聲波換能器所產(chǎn)生的流量信號，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，通過控制器計算分析后得到流量值；②控制和驅(qū)動顯示設(shè)備顯示當前流量值和系統(tǒng)狀態(tài)信息；③支持本終端與GPRS DTU的通信；④及時響應(yīng)本地操作和遠程數(shù)據(jù)請求與控制指令，根據(jù)流量控制命令，自動調(diào)節(jié)閥門的開度以控制流量。

現(xiàn)場流量測控終端主要由流量測量傳感器、流量控制閥與執(zhí)行器、主控制器電路單元、鍵盤與顯示電路、遠程通信終端GPRS DTU五部分組成。其原理框圖如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場流量測控終端的原理框圖

2.1 超聲波相關(guān)流量計的測量原理

超聲波流量計是一種利用超聲波脈沖來測量流體流量的速度式非接觸流量儀表，其中超聲波時差法和多普勒法最常見。時差法只能用于清潔液體和氣體；而多普勒法只能用于測量含有一定量的懸浮顆粒和氣泡的液體，并且測量精度不高，應(yīng)用受到一定的限制[3-4]?；谛盘栔芷谛院驮肼曤S機性的相關(guān)檢測技術(shù)，現(xiàn)已成為從強噪聲中提取弱信號的重要手段。超聲波互相關(guān)流量測量主要是依據(jù)在流體中傳播的超聲波載有的流體流速信息，利用接收到的超聲波信號測量流體的流速和流量[5]。

互相關(guān)函數(shù)定義為：

(1)

式中：x(t)和y(t)為兩隨機信號樣本；τ為所測量兩點間的時間間隔，即兩信號間的時延。

在沿管道軸線相距L的截面上安裝兩對超聲換能器(上游換能器和下游換能器)，工作時上游換能器向被測流體發(fā)射一定幅度的能量束。當被測流體在管道內(nèi)流動時，流動噪聲調(diào)制上游傳感器發(fā)出的能量束，下游換能器檢測到引起調(diào)制作用的隨機信號x(t)，再通過信號轉(zhuǎn)換電路，就可以從下游接收換能器提取出與被測流體流動狀況有關(guān)的流動噪聲信號y(t)。由相關(guān)理論可計算出這兩個信號的互相關(guān)函數(shù)Rxy(τ)的圖形。該圖形峰值位置所對應(yīng)的時間位移τ0就是隨機信號在該系統(tǒng)中的傳遞時間(即流體的流動時間)，即渡越時間[6]。因此，信號在該系統(tǒng)中的傳播速度v可以按下式計算：

v=L/τ0

(2)

式中：v為相關(guān)速度；L為上、下游傳感器的距離。

在理想流動狀況下，即管道截面上各點處流體的流速相等時，被測流體的體積平均流速vcp可以用相關(guān)速度v來表示，則流量Q的計算公式為：

(3)

式中：D為管道內(nèi)徑；K為流速分布補償系數(shù)。

相關(guān)流量測量原理如圖3所示。

圖3 互相關(guān)流量測量原理圖

2.2 終端流量測控硬件設(shè)計

根據(jù)測控終端的功能要求，選擇LPC2378器件作為主控制器[7]。主控制器和外圍接口電路如圖4所示。換能器接收的信號通過放大和整形后被送入A/D轉(zhuǎn)換，控制器利用互相關(guān)算法得到流量值，再比對當前的流量目標值來控制閥門的開度值；最后根據(jù)開度值來控制執(zhí)行器做出閥門動作，從而達到控制流量的目的。

圖4 終端流量測控硬件框圖

主控制器還有一項重要的任務(wù)，即通信功能，這是遠程測控系統(tǒng)的一項關(guān)鍵任務(wù)。主控制器通過相關(guān)的協(xié)議，不但將測得的流量數(shù)據(jù)定時傳遞到數(shù)據(jù)中心，而且能夠識別數(shù)據(jù)中心發(fā)出的控制或者設(shè)置指令[8-9]。同時該類終端也具有本地設(shè)置參數(shù)和狀態(tài)顯示的功能。這就要求控制器在控制流量的同時，也要能夠處理工作人員的鍵盤操作動作，并能夠控制顯示設(shè)備將終端工作的狀態(tài)和相關(guān)內(nèi)容友好地顯示在系統(tǒng)的顯示設(shè)備上。

2.3 終端流量測控軟件設(shè)計

測控終端平臺軟件使用了μC/OS-II嵌入式操作系統(tǒng)。整個系統(tǒng)包括μC/OS-II嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核、底層硬件基礎(chǔ)驅(qū)動程序、高級應(yīng)用程序和用戶應(yīng)用程序。底層硬件驅(qū)動程序主要是保證硬件正常工作的基礎(chǔ)程序。程序中大多為對底層硬件寄存器的操作，包括液晶屏驅(qū)動、鍵盤驅(qū)動、SD卡驅(qū)動、以太網(wǎng)驅(qū)動、UART驅(qū)動、CAN總線驅(qū)動、A/D驅(qū)動等。高級應(yīng)用程序主要指為用戶應(yīng)用驅(qū)動程序和基礎(chǔ)驅(qū)動程序提供接口的函數(shù)，其中包括各種通信協(xié)議棧和圖形顯示函數(shù)等。應(yīng)用程序指為了完成系統(tǒng)各項功能而編寫的程序，主要表現(xiàn)為操作系統(tǒng)所創(chuàng)建的各個任務(wù)。測控終端軟件總體架構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 監(jiān)控終端軟件總體架構(gòu)

3 監(jiān)控中心軟件設(shè)計

為了實現(xiàn)對流量的遠程測控及用戶的實時交互功能，按照模塊化設(shè)計,監(jiān)控中心的軟件共分為五大模塊,即用戶管理、監(jiān)控管理、系統(tǒng)維護、事務(wù)管理和系統(tǒng)幫助。監(jiān)控中心功能模塊圖如圖6所示。

圖6 監(jiān)控中心功能模塊圖

4 結(jié)束語

利用互相關(guān)算法測量流量并結(jié)合GPRS無線通信技術(shù)，提出了新的流量遠程測控系統(tǒng)。測控終端運用技術(shù)先進的ARM控制器LPC2378，依托其豐富的內(nèi)部資源，使得測控終端功能強大、智能化程度高，并具有良好的用戶操作接口。該接口集成了目前常用的各種接口，使系統(tǒng)便于擴展，也有利于系統(tǒng)在其他應(yīng)用領(lǐng)域的推廣。

測控軟件使用了μC/OS-Ⅱ?qū)崟r操作系統(tǒng)和任務(wù)管理機制，相對傳統(tǒng)的前后臺系統(tǒng)具有更好的穩(wěn)定性、可維護性和移植性。試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，測量精度高[9-10]。

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