， ，

(武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院，武漢 430070)

1 研究背景

在河港工模型試驗(yàn)中，需要進(jìn)行斷面多點(diǎn)流速的同步測(cè)量。按照測(cè)量法則的規(guī)定，需要根據(jù)各測(cè)點(diǎn)當(dāng)前的水深，將流速儀傳感器分別定位到指定的水深處，再采集對(duì)應(yīng)的流速。所以應(yīng)先完成各點(diǎn)的水深測(cè)量，再進(jìn)行流速傳感器的依次定位和流速的采集。由于河工模型斷面跨度較大，少則幾米，多則幾十米，測(cè)點(diǎn)數(shù)量非常多，流速測(cè)量任務(wù)非常重。另外，很多情況下需要進(jìn)行斷面多點(diǎn)流速的同步測(cè)量，以反映斷面的瞬時(shí)流速分布情況，所以測(cè)量的時(shí)間性也很強(qiáng)。目前，模型上測(cè)量的方式主要采用人工逐點(diǎn)測(cè)量，或由人工逐點(diǎn)進(jìn)行水深測(cè)量并完成流速傳感器定位，再由儀器進(jìn)行多點(diǎn)流速自動(dòng)采集。普遍存在測(cè)量效率低、定位精度不高、費(fèi)時(shí)費(fèi)力的問(wèn)題，制約了模型試驗(yàn)的發(fā)展。

本文利用自行研制的自動(dòng)水深流速儀，通過(guò)RS485總線與計(jì)算機(jī)采集系統(tǒng)相連，構(gòu)成多點(diǎn)水深流速自動(dòng)采集系統(tǒng)，在系統(tǒng)測(cè)量軟件的控制下，實(shí)現(xiàn)了斷面多點(diǎn)水深的自動(dòng)測(cè)量、多路流速傳感器的自動(dòng)定位和流速的自動(dòng)同步采集功能，顯著提高了流速傳感器定位精度和測(cè)量效率。

2 系統(tǒng)組成

多路水深流速測(cè)量系統(tǒng)由水深流速儀和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)兩部分組成。水深流速儀主要完成對(duì)單點(diǎn)的水深測(cè)量，同時(shí)根據(jù)規(guī)定的測(cè)量法則對(duì)流速傳感器進(jìn)行定位，完成流速的測(cè)量。計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)則實(shí)現(xiàn)對(duì)多臺(tái)水深流速儀的測(cè)量控制和對(duì)流速數(shù)據(jù)的采集、保存及顯示。多路水深流速自動(dòng)采集系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 多路水深流速測(cè)量系統(tǒng)組成

多臺(tái)水深流速儀通過(guò)RS485總線與計(jì)算機(jī)連接，構(gòu)成多路水深流速自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。

系統(tǒng)連接和擴(kuò)展極為方便，允許用戶根據(jù)需要增減儀器的數(shù)量。本系統(tǒng)最多支持31臺(tái)水深流速儀同步測(cè)量控制和數(shù)據(jù)采集、顯示、保存與查詢。

3 水深流速儀工作原理與結(jié)構(gòu)

水深流速儀的功能是先完成垂線水深測(cè)量，然后根據(jù)測(cè)得的水深和規(guī)定的測(cè)量法則，對(duì)旋槳流速傳感器進(jìn)行自動(dòng)定位，依次由下向上采集垂線上各點(diǎn)的流速。

水深測(cè)量由水深測(cè)量電極和垂直傳動(dòng)機(jī)構(gòu)配合完成。水深測(cè)量電極在垂直傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下向下運(yùn)動(dòng)，同時(shí)儀器根據(jù)測(cè)量電極在水面和床面輸出電壓的變化判別水面與床面的位置，進(jìn)而計(jì)算出對(duì)應(yīng)的水深。

流速測(cè)量則采用目前模型廣泛使用的旋槳流速傳感器。水深流速儀根據(jù)之前測(cè)量的水深和規(guī)定的測(cè)量法則(如1點(diǎn)法、3點(diǎn)法、5點(diǎn)法等)自下而上對(duì)旋槳流速傳感器進(jìn)行定位，并采集各點(diǎn)的流速信息。

圖2 儀器測(cè)桿的垂直驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 水深流速儀實(shí)物圖

水深流速儀在同一根測(cè)桿上集成設(shè)計(jì)了水深測(cè)量電極和旋槳測(cè)量傳感器，由同一垂直行走機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，一次往復(fù)運(yùn)動(dòng)便可完成水深和流速2項(xiàng)測(cè)量。該儀器實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、提高測(cè)量效率的同時(shí)，又實(shí)現(xiàn)了水深、流速的同步采集測(cè)量，避免了2種測(cè)量過(guò)程的相互影響。

圖2是儀器測(cè)桿垂直驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖。

4 上位機(jī)(測(cè)量系統(tǒng))軟件設(shè)計(jì)應(yīng)用

上位機(jī)軟件的功能是按照規(guī)定的測(cè)量方式和測(cè)量法則完成多路水深流速儀的測(cè)量控制和數(shù)據(jù)采集、顯示、保存和查詢功能。主要包括主機(jī)與水深流速儀的通信、多路同步測(cè)量控制、多種測(cè)量模式和測(cè)量功能選擇與控制、系統(tǒng)設(shè)備的注冊(cè)與命名、控制參數(shù)的下傳、數(shù)據(jù)顯示、保存、查詢、導(dǎo)出和記錄報(bào)表的自動(dòng)生成等。

上位機(jī)軟件的框架利用了MFC 提供的基本框架, 根據(jù)軟件的需要, 設(shè)計(jì)成基于對(duì)話框的界面, 自建了更為豐富的菜單欄, 用來(lái)設(shè)定參數(shù)，并將主界面分成了3塊, 包括測(cè)量控制區(qū)、數(shù)據(jù)顯示區(qū)和數(shù)據(jù)查詢區(qū)。測(cè)量控制區(qū)一般用來(lái)下傳控制參數(shù)，啟動(dòng)停止測(cè)量等；數(shù)據(jù)顯示區(qū)主要用來(lái)顯示測(cè)量所得的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；查詢區(qū)的功能是查詢當(dāng)前各個(gè)測(cè)量點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)[1]。

4.1 系統(tǒng)主機(jī)與水深流速儀的通信方式設(shè)計(jì)

4.1.1 主機(jī)與水深流速儀的通信方式的選擇

為了便于測(cè)量設(shè)備的擴(kuò)展和簡(jiǎn)化設(shè)備的連線，主機(jī)與水深流速儀的通信采用了RS485串行通信總線。該總線具有連接簡(jiǎn)單、擴(kuò)展方便、成本低、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。系統(tǒng)采用主從通信方式，計(jì)算機(jī)為主設(shè)備，水深流速儀為從設(shè)備，每一臺(tái)水深流速儀被賦予專有的地址。主機(jī)通過(guò)專有地址訪問(wèn)各臺(tái)水深流速儀，實(shí)現(xiàn)對(duì)它們的控制[2]。

由于模型試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)不可避免存在電磁輻射的干擾，為了確保通信的可靠性，系統(tǒng)應(yīng)該具備對(duì)通信數(shù)據(jù)進(jìn)行檢錯(cuò)和糾錯(cuò)的能力。本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用了Modbus通信協(xié)議和CRC校驗(yàn)技術(shù)[3]。

設(shè)備在接收到一幀數(shù)據(jù)后將自動(dòng)進(jìn)行CRC校驗(yàn)運(yùn)算，判定接收數(shù)據(jù)的正確性[4]。若校驗(yàn)傳送出錯(cuò)，則要求數(shù)據(jù)重發(fā)，從而完成數(shù)據(jù)的檢錯(cuò)和糾錯(cuò)功能，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃訹5]。

4.1.2 多點(diǎn)水深流速同步采集的實(shí)現(xiàn)

在河工模型試驗(yàn)測(cè)量中，往往希望能實(shí)現(xiàn)斷面多點(diǎn)流速的同步測(cè)量，以獲得瞬時(shí)斷面流速的分布情況。為滿足上述要求，需要多臺(tái)水深流速儀能同步工作。

本系統(tǒng)采用指令同步的方式，即由同一條指令啟動(dòng)所有水深流速儀同時(shí)開(kāi)始測(cè)量，從而實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)流速同步測(cè)量的功能。為實(shí)現(xiàn)這一功能，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時(shí)給每臺(tái)水深流速儀都分配了2個(gè)設(shè)備名，一個(gè)是公用設(shè)備名，為所有水深流速儀所共享；另一個(gè)是私用設(shè)備名，為每個(gè)設(shè)備所專有。利用公用設(shè)備名傳送的指令，所有設(shè)備都會(huì)同時(shí)響應(yīng)，而利用私用設(shè)備名傳送的指令，只有一臺(tái)設(shè)備響應(yīng)。在進(jìn)行多點(diǎn)同步測(cè)量過(guò)程中，系統(tǒng)軟件使用公用設(shè)備名進(jìn)行測(cè)量指令的傳送，同步啟動(dòng)所有在線儀器開(kāi)始測(cè)量，測(cè)量完畢則采用私用設(shè)備名逐臺(tái)讀取設(shè)備的測(cè)量數(shù)據(jù)。

采用公用設(shè)備名方式，還可同步完成許多無(wú)需數(shù)據(jù)上傳的操作，諸如：?jiǎn)?dòng)測(cè)量、停止測(cè)量、儀器復(fù)位、相同控制參數(shù)的下傳等，以提高系統(tǒng)的控制效率。

4.2 系統(tǒng)主要測(cè)量模式和測(cè)量功能設(shè)計(jì)

考慮到模型試驗(yàn)的要求和測(cè)量規(guī)范的規(guī)定，本系統(tǒng)軟件支持以下測(cè)量法則和測(cè)量模式。

支持4種測(cè)量法則：① 1點(diǎn)法測(cè)量，采集距水面0.6倍水深處的流速；② 3點(diǎn)法測(cè)量，采集距水面0.2倍、0.6倍、0.8倍水深處的流速；③ 5點(diǎn)法測(cè)量，采集表流、距水面0.2倍、0.6倍、0.8倍、1.0倍水深處的流速；④ 任意指定水深，采集用戶任意指定水深處的流速，該功能允許用戶任意指定水深。

支持3種測(cè)量模式：①單次測(cè)量模式，只作一次水深和垂線流速測(cè)量；②重復(fù)測(cè)量模式，按設(shè)定的重復(fù)周期，自動(dòng)進(jìn)行水深流速重復(fù)測(cè)量和顯示；③跟蹤測(cè)量模式，水深流速儀作定點(diǎn)連續(xù)跟蹤測(cè)量，測(cè)桿不提起，計(jì)算機(jī)連續(xù)跟蹤顯示測(cè)量結(jié)果。

在軟件設(shè)計(jì)中，不同的測(cè)量方式的工作流程圖如圖4所示。

圖4 不同測(cè)量方式下的測(cè)量控制流程圖

系統(tǒng)還支持以上模式的單點(diǎn)測(cè)量，支持旋槳計(jì)數(shù)定時(shí)長(zhǎng)度的自動(dòng)設(shè)置功能，便于用戶根據(jù)流速的大小選擇合適的計(jì)時(shí)長(zhǎng)度，提高流速的測(cè)量精度。

測(cè)量法則和模式選擇可以在相應(yīng)界面中選擇配置。

4.3 系統(tǒng)配置與測(cè)量斷面信息的導(dǎo)入

為了便于用戶根據(jù)試驗(yàn)情況選擇適當(dāng)數(shù)量的設(shè)備投入工作，本系統(tǒng)支持設(shè)備注冊(cè)功能，用戶通過(guò)設(shè)備注冊(cè)界面規(guī)定投入工作的設(shè)備，如圖5所示。

圖5 設(shè)備注冊(cè)界面

系統(tǒng)允許用戶自行設(shè)定旋槳流速傳感器的計(jì)數(shù)時(shí)間，以滿足不同流速時(shí)要求。同時(shí)，上位機(jī)可以保存和修改各個(gè)旋槳的率定系數(shù)，以保證流速測(cè)量的精度。此外，為了便于用戶使用，系統(tǒng)還配備了設(shè)備重命名功能，允許用戶重新對(duì)設(shè)備進(jìn)行編址和排序。

在測(cè)量過(guò)程中，為方便用戶錄入測(cè)量斷面的信息，系統(tǒng)提供了2種導(dǎo)入模式：讀取模式和輸入模式。在讀取模式下，系統(tǒng)自動(dòng)讀取已保存在文件中的斷面信息，包括斷面號(hào)、測(cè)量起點(diǎn)、終點(diǎn)和每臺(tái)水深流速儀的斷面位置等信息，避免用戶重復(fù)輸入；在輸入模式下，用戶可以根據(jù)需要錄入測(cè)量斷面的上述信息。測(cè)量過(guò)程中將會(huì)自動(dòng)顯示記錄上述信息。在輸入模式下，用戶還可以根據(jù)需要，選擇采用步距方式或斷面坐標(biāo)方式來(lái)錄入斷面信息。當(dāng)測(cè)點(diǎn)等距布放時(shí)，可選擇步距模式，此時(shí)只要輸入起點(diǎn)、步距和臺(tái)數(shù)即可，以簡(jiǎn)化用戶的操作。選擇坐標(biāo)方式時(shí)，則需要輸入每臺(tái)儀器的斷面坐標(biāo)值，測(cè)點(diǎn)可以不要求等距布放。

4.4 系統(tǒng)測(cè)量控制與數(shù)據(jù)的顯示、保存

圖6給出系統(tǒng)測(cè)量主界面。左側(cè)對(duì)應(yīng)各種測(cè)量模式的選擇，包括單點(diǎn)測(cè)量和多點(diǎn)測(cè)量選擇，單次測(cè)量、自動(dòng)重復(fù)測(cè)量、跟蹤測(cè)量選擇、系統(tǒng)復(fù)位等功能，用戶可以根據(jù)試驗(yàn)的要求進(jìn)行選擇。

圖6 測(cè)量軟件主界面

主界面中間為顯示窗口，可以顯示斷面各垂線水深和垂線各點(diǎn)的流速。其中水深顯示采用了柱狀圖和數(shù)值顯示結(jié)合的方式，直觀形象；流速則在對(duì)應(yīng)垂線位置，由上至下分別顯示表流、0.2倍、0.6倍、0.8倍水深處和底流的流速。系統(tǒng)最多可同時(shí)顯示32路水深流速值。右側(cè)滾動(dòng)窗口則主要用來(lái)顯示查詢結(jié)果。

系統(tǒng)測(cè)量的過(guò)程是，啟動(dòng)上位機(jī)測(cè)量程序并完成規(guī)定信息導(dǎo)入后，上位機(jī)將向各臺(tái)水深流速儀傳送控制參數(shù)，如旋槳計(jì)數(shù)時(shí)間、測(cè)量法則、測(cè)量模式等控制信息。隨后，系統(tǒng)計(jì)算機(jī)利用公用設(shè)備名發(fā)出啟動(dòng)測(cè)量命令，同步啟動(dòng)各臺(tái)水深流速儀開(kāi)始測(cè)量。經(jīng)短暫延時(shí)等待后，上位機(jī)開(kāi)始逐臺(tái)查詢各儀器測(cè)量是否完成，并依次讀取各臺(tái)儀器的測(cè)量結(jié)果，在主機(jī)上顯示和保存。

為便于考察測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性，每臺(tái)流速儀在同一點(diǎn)會(huì)自動(dòng)測(cè)量5次，并分別記錄每次測(cè)量值和平均值，上傳給計(jì)算機(jī)保存顯示。計(jì)算機(jī)主界面將顯示5次的平均值，5次測(cè)量值可以通過(guò)主界面右側(cè)的滾動(dòng)窗口查詢顯示。

數(shù)據(jù)處理需要將讀回來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分離及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。上位機(jī)從指定的水深流速儀中讀取出來(lái)的數(shù)據(jù),是一系列包含有水深流速的字符串?dāng)?shù)據(jù)。首先，將字符串中的水深數(shù)據(jù)和流速數(shù)據(jù)根據(jù)規(guī)定的格式分離開(kāi)來(lái)，并保存到對(duì)應(yīng)的地方。其次，將要顯示的水深和流速數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。因?yàn)樵陲@示模塊的界面上，顯示水深是用畫(huà)刷繪制柱狀圖的方法，所以必須將水深數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的字符串轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的整型或浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算之后來(lái)繪制相應(yīng)的柱狀圖進(jìn)行顯示。

在多路水深流速自動(dòng)采集系統(tǒng)中，測(cè)量得到的數(shù)據(jù)非常多，多路水深流速自動(dòng)采集系統(tǒng)將需要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分類管理：

(1) 將系統(tǒng)的配置文件用ini文件的格式進(jìn)行保存。系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行初始化的時(shí)候從ini配置文件中讀取相應(yīng)的配置信息，系統(tǒng)運(yùn)行期間對(duì)配置信息進(jìn)行的修改都會(huì)保存到ini文件中，這樣系統(tǒng)的配置文件就不易丟失。

(2) 在實(shí)際應(yīng)用中，會(huì)根據(jù)不同河段的實(shí)際情況，選擇測(cè)量斷面數(shù)，而且每個(gè)斷面的斷面信息會(huì)不一樣，為了存儲(chǔ)這些斷面信息，多路水深流速自動(dòng)采集系統(tǒng)的上位機(jī)軟件專門建立了一張斷面表(.xls)來(lái)存儲(chǔ)斷面信息。斷面表中記錄著各個(gè)測(cè)量斷面的斷面號(hào)以及該斷面上的測(cè)點(diǎn)信息。

(3) 建立一張測(cè)量數(shù)據(jù)表(.xls)用來(lái)保存各臺(tái)儀器的測(cè)量數(shù)據(jù)。測(cè)量數(shù)據(jù)表包含了時(shí)間、斷面號(hào)、起點(diǎn)距、V1，V2，V3，V4，V5，測(cè)量模式等信息。

4.5 歷史數(shù)據(jù)查詢與試驗(yàn)報(bào)表的生成

系統(tǒng)支持多種數(shù)據(jù)查詢方式，主要包括：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查詢、單點(diǎn)數(shù)據(jù)查詢和多點(diǎn)數(shù)據(jù)查詢。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查詢是對(duì)當(dāng)前測(cè)量數(shù)據(jù)5次測(cè)量值進(jìn)行查詢，以便用戶考察測(cè)量值的可靠性。單點(diǎn)數(shù)據(jù)查詢是對(duì)指定點(diǎn)和規(guī)定時(shí)段數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢。多點(diǎn)數(shù)據(jù)查詢是對(duì)多個(gè)測(cè)量點(diǎn)在規(guī)定時(shí)段數(shù)據(jù)的查詢。

為了方便試驗(yàn)成果的整理，本系統(tǒng)支持試驗(yàn)記錄報(bào)表的生成，按照通用的格式自動(dòng)生成測(cè)量記錄報(bào)表(見(jiàn)表1)。

表1測(cè)量記錄表

Table1Measurementrecord

水利部長(zhǎng)江科學(xué)院工程質(zhì)量檢測(cè)中心河流試驗(yàn)室流速測(cè)量記錄表

項(xiàng)目名稱: 工況:

斷面號(hào): 水邊起點(diǎn)距(m)左: 右: 流量(m2/s):

流速儀型號(hào)： 流速儀編號(hào)： 測(cè)桿號(hào)：

序號(hào)起點(diǎn)距/m水深/cm相對(duì)水深角度流速/(m·s-1)一次兩次三次四次五次平均流速備注

5 結(jié) 語(yǔ)

多路水深流速自動(dòng)采集系統(tǒng)已成功應(yīng)用于長(zhǎng)江科學(xué)院防洪模型實(shí)驗(yàn)，通過(guò)模型實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)顯示，多路水深流速自動(dòng)采集系統(tǒng)水深測(cè)量精度能達(dá)到0.01mm,流速測(cè)量精度能達(dá)到0.1cm/s，同時(shí)河工模型實(shí)驗(yàn)也顯示，多路水深流速自動(dòng)采集系統(tǒng)還不能自動(dòng)識(shí)別河床邊界，不能自動(dòng)行走，需要做進(jìn)一步的改進(jìn)，以便進(jìn)一步提高測(cè)量系統(tǒng)的自動(dòng)化程度。

總之，多路水深流速自動(dòng)采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)水深自動(dòng)測(cè)量、流速傳感器的自動(dòng)定位與流速的自動(dòng)采集，對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)儲(chǔ)存與顯示,通過(guò)專用接口與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換,便于測(cè)量數(shù)據(jù)的后續(xù)處理,顯著提高了水深測(cè)量與旋槳流速儀定位的精度，顯著提高了流速測(cè)量系統(tǒng)的自動(dòng)化程度和模型斷面流速測(cè)量的效率，具有較好實(shí)用意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 孫 鑫,余安萍,VC++深入詳解[M].北京：電子工業(yè)出版社,2006: 110-310. (SUN Xin, YU An-ping. In-depth Explanation on VC++[M]. Beijing: Electronic Industry Press, 2006: 110-310.(in Chinese))

[2] 陳 進(jìn),蔡崇銳,王成剛,等. 江河模型水深流速自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(交通科學(xué)與工程版),2005，29(3):460-463.(CHEN Jin, CAI Chong-rui, WANG Cheng-gang,etal. Automatic Measurement System of Water Depth and Velocity in River Model[J]. Journal of Wuhan University of Technology (Transportation Science and Engineering),2005，29(3):460-463. (in Chinese))

[3] 劉 驍.河流模型水深流速測(cè)試系統(tǒng)研制[D].武漢:武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，2008:1-55. (LIU Xiao. Development of Test System for the Depth and Flow Velocity Measurement in River Models[D]. Wuhan: School of Automation of Wuhan University of Technology, 2008:1-55. (in Chinese))

[4] 趙有皓,蔡 輝,馬虹蛟,等.大型河工模型智能化數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào),1998,26(7):14-19. (ZHAO You-hao, CAI Hui, MA Hong-jiao,etal. Intelligent Data Acquisition and Control System for Large Physical Model[J]. Journal of Hohai University, 1998, 26(7):14-19.(in Chinese))

[5] 蔡守允.河工模型實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集與處理[J].數(shù)據(jù)采集與處理, 1994, 9(2):132-136. (CAI Shou-yun. Data Acquisition and Processing of Physical Model Experiment[J]. Data Acquisition and Processing, 1994, 9(2):132-136. (in Chinese))