錢潔玲，郭陽寬，祝連慶，劉 超，孟曉辰

(北京信息科技大學(xué)光電測試技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100192)

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四路油罐液位信號處理子系統(tǒng)的設(shè)計

錢潔玲，郭陽寬，祝連慶，劉 超，孟曉辰

(北京信息科技大學(xué)光電測試技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100192)

為提高大型油庫的液位測量系統(tǒng)中信號處理的精密性和實(shí)時性，設(shè)計了以CPLD為核心的準(zhǔn)確、高速的四路油罐液位信號處理子系統(tǒng)，可同時完成四路油罐液位信號的濾波、計數(shù)和鑒相以及通信。詳細(xì)描述了CPLD中各個模塊的實(shí)現(xiàn)方法，用Verilog HDL實(shí)現(xiàn)各模塊并在QuartusⅡ開發(fā)軟件中進(jìn)行仿真和分析。實(shí)驗(yàn)表明，該子系統(tǒng)能夠?qū)崟r高效準(zhǔn)確的完成四路油罐液位信號的處理。

油罐液位；信號處理；CPLD

0 引言

在石油產(chǎn)業(yè)，有大量存儲油品的儲罐，需同時對油罐進(jìn)行監(jiān)測，油品儲罐的精密測量與自動控制是關(guān)系到生產(chǎn)安全的重要問題[1-2]。長期以來，國內(nèi)多數(shù)油罐采用機(jī)械式液位測量，靠人工記錄和判斷，其工作效率低、誤差大，無法實(shí)現(xiàn)自動化的控制和管理[3]。近年來發(fā)展的借助于超聲波、激光等新技術(shù)的測量方法，測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格昂貴，數(shù)據(jù)處理難度較大,存在一定的局限性。

設(shè)計的應(yīng)用于大型油罐區(qū)的全光纖測量系統(tǒng)，主要包括信號采集、信號傳輸和信號控制單元。測量系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。

圖1 油罐液位測量系統(tǒng)的總體框圖

油罐液位信號處理子系統(tǒng)是整個測量系統(tǒng)的核心，液位信號的處理、分析直接影響著測量的精度，對大型油罐區(qū)的大量油罐的自動化監(jiān)控起著關(guān)鍵性的作用[4]。對油罐液位系統(tǒng)中的信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時，一般通過門級電路搭建的電路板、單片機(jī)和低端可編程器件等方法來實(shí)現(xiàn)。由于使用電路板、單片機(jī)和低端可編程器件的方法通用性差、編譯復(fù)雜、電路板龐大、實(shí)時性差，影響電路的穩(wěn)定性和可靠性[5]，而且單路的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)不能滿足多個油罐的液位信號處理[6]。因此設(shè)計了基于CPLD技術(shù)的四路油罐液位信號處理子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)四路液位數(shù)據(jù)的采集、處理、傳輸，適用于實(shí)時性高、多通道數(shù)據(jù)采集與處理場合。

1 信號處理系統(tǒng)方案

計量液位變化的位移和方向，須對四路油罐的液位信息同時進(jìn)行處理，從而獲得精確代表位移的方波個數(shù)和方向。在該子系統(tǒng)中，將其內(nèi)部結(jié)構(gòu)按功能分為濾波模塊、倍頻計數(shù)和鑒相模塊、通信模塊。該信號處理子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。每個子系統(tǒng)主控四路油罐，放大、整形后的8路信號送入該子系統(tǒng)中，在CPLD的內(nèi)部經(jīng)過濾波模塊濾波，D觸發(fā)器完成對信號的狀態(tài)存儲，四倍頻以后通過一系列的邏輯電路，完成對信號的四倍頻方波信號的輸出，對四路四倍頻后的方波信號進(jìn)行計數(shù)鑒相，最后通信模塊將計數(shù)和鑒相的數(shù)值傳送給單片機(jī)。信號處理子系統(tǒng)進(jìn)行不間斷的計數(shù)、鑒相和傳輸，判斷油罐液位的變化情況，即液位變化的方向和大小。

圖2 信號處理子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 信號處理子系統(tǒng)設(shè)計

前端電路對PIN管轉(zhuǎn)換輸出的電信號進(jìn)行放大、濾波、整形后，輸出的兩路脈沖SA1、SB1是相位相差90°的方波信號[7](如圖3所示)，SA1、SB相的一個脈沖代表著油罐液位變化導(dǎo)致光電編碼器旋轉(zhuǎn)1.5°，檢測的方波信號的脈沖值與油罐液位值之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

式中：L為液位值；L0為初始液位值；ΔN為脈沖數(shù)；N為碼盤的總柵格數(shù)；C為碼盤轉(zhuǎn)動一周的液位值。

SA1、SB1兩者的相位關(guān)系則代表著被測對象旋轉(zhuǎn)的方向，若SA1相超前SB1相，編碼器轉(zhuǎn)動方向?yàn)檎D(zhuǎn)(如圖a)，即油罐的液位為上升狀態(tài)；若SB1相超前SA1相，轉(zhuǎn)動方向?yàn)榉崔D(zhuǎn)(如圖b)，液位為下降狀態(tài)[8]。四路油罐的液位變化狀態(tài)以及輸入信號、處理模塊均相同。

(a)正轉(zhuǎn)波形

(b)反轉(zhuǎn)波形
圖3 CPLD輸入波形

根據(jù)需求，設(shè)計的子系統(tǒng)采用的是CPLD芯片EPM3128atc100，該芯片基于先進(jìn)的MAX3000A架構(gòu)的CPLD器件，具有低成本、上電即用、非易失、功耗小、可靠性高等特點(diǎn)

[9]

。信號處理子系統(tǒng)內(nèi)部邏輯圖如圖4所示。

圖4 信號處理子系統(tǒng)內(nèi)部邏輯圖

2.1 濾波模塊設(shè)計

油罐在注油和放油的情況下，液面存在著一定程度的微弱波動，即輸入信號中有干擾脈沖的存在；采集區(qū)存在機(jī)械部件，部件的固有物理機(jī)構(gòu)導(dǎo)致在工作的情況下光電編碼器的振動或者轉(zhuǎn)軸不穩(wěn)都會引起子系統(tǒng)接收的方波信號包含有波動與毛刺，導(dǎo)致計數(shù)錯誤[10]。在多次實(shí)驗(yàn)的研究過程中，發(fā)現(xiàn)雖然信號經(jīng)過了前期的放大整形電路，但在多數(shù)情況下仍存在著干擾，大大降低了計數(shù)的準(zhǔn)確性，影響系統(tǒng)的精度。需要在子系統(tǒng)中設(shè)計一個濾波模塊來消除抖動，提高計數(shù)的準(zhǔn)確性來提高液位測量系統(tǒng)的精度。

利用Verilog HDL語言設(shè)計來實(shí)現(xiàn)消除干擾的電路，濾波模塊采用3級移位寄存器和一個與門實(shí)現(xiàn)濾波。以系統(tǒng)的時鐘脈沖為頻率基準(zhǔn)，3級移位寄存器組成一個數(shù)據(jù)隊(duì)列，每個時鐘上升沿移動一次，形成新舊數(shù)據(jù)的移入移出，實(shí)現(xiàn)3次采樣。若三次采樣均為高電平或低電平，則視為該次采樣有效，否則視為干擾，對其進(jìn)行濾除再計數(shù)，以免誤計數(shù)。將濾波后的信號傳輸給D觸發(fā)器存儲并參與后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。在設(shè)計濾波模塊需要注意的是干擾脈沖的脈寬須小于等于時鐘周期的2倍。在一些干擾信號頻率較低的情況下，需將時鐘脈沖進(jìn)行分頻方可滿足需要，故在不同的應(yīng)用領(lǐng)域無需修改電路，只需修改時鐘的分頻系數(shù)即可滿足不同的系統(tǒng)的需求。濾波模塊設(shè)計的原理如圖5所示。

圖5 濾波模塊原理圖

其中，sig_b為油罐1輸出的一路方波信號SB1，clk_in為系統(tǒng)時鐘信號，rst為系統(tǒng)復(fù)位信號，sig_b[2..0]為信號SB1的3個狀態(tài)，即3次采樣值，當(dāng)前狀態(tài)sig_b0，前一時鐘周期狀態(tài)sig_b1和前兩個時鐘周期狀態(tài)sig_b2，采用移位寄存器存儲3次的狀態(tài)信息，sig_b0<=sig_b；sig_b1<=sig_b0；sig_a2<=sig_b1，將3次采樣的狀態(tài)信號值進(jìn)行相與(d_inb=sig_b2&sig_b1&sig_b0)后作為D觸發(fā)器輸入，由此可以濾除干擾信號來提高系統(tǒng)測量的精度。對于4路油罐的液位信號存在相同的干擾，需要濾除干擾，故該系統(tǒng)中需要在每一路信號處理模塊中加上濾波模塊，即有8個濾波模塊來濾除干擾。

2.2 倍頻計數(shù)、鑒相模塊的設(shè)計

為保證計數(shù)的準(zhǔn)確性，在子系統(tǒng)中對方波信號4倍頻增頻[11]。無論液位是上升還是下降，SA、SB兩相脈沖在一個周期都有4個狀態(tài)，即00、01、10、11，在每次狀態(tài)變化時對信號進(jìn)行計數(shù)。在一個周期內(nèi)的SA、SB相2路輸入信號共產(chǎn)生4個跳變沿，鑒別這四個跳變沿即可實(shí)現(xiàn)信號的4倍頻，使系統(tǒng)的分辨率提高4倍。鑒別方波信號沿的原理是將SA、SB信號的上一次信號存儲與當(dāng)前信號相異或后得到新的方波信號pulse_delay，該方波的頻率為SA或SB相的4倍，檢測新方波信號的上升沿即實(shí)現(xiàn)四倍計數(shù)。在子系統(tǒng)中只要保證時鐘信號的頻率大于SA(SB)信號頻率的4倍以上就能實(shí)現(xiàn)4倍細(xì)分。

不僅要對液位信號計數(shù)，還需通過光電編碼器的轉(zhuǎn)動方向來判斷液位上升或下降。在正轉(zhuǎn)時，SA、SB有4種狀態(tài)：00→10→11→01；反轉(zhuǎn)時亦有4種狀態(tài)：00→01→11→10。根據(jù)SA、SB相位的變化判斷轉(zhuǎn)動方向。在信號處理子系統(tǒng)中，將經(jīng)濾波和4倍頻后的信號qa、qb的前一周期和前兩周期值采集組成當(dāng)前信號狀態(tài)state_all[3:0]，state_all[3]<=sig_qa2;state_all[2]<=sig_qb2;state_all[1]<=sig_qa1;state_all[0]<=sig_qb1;因此對應(yīng)的四種狀態(tài)為：

正轉(zhuǎn)：4’b0010,4’b0100,4’b1011,4’b1101：dir<=1’b1;

反轉(zhuǎn)：4’b0001,4’b1000,4’b0111,4’b1110：dir<=1’b0;

2.3 通信模塊設(shè)計

大型油庫油罐數(shù)量較多，為實(shí)現(xiàn)對所有油罐液位信息進(jìn)行處理后傳送至人機(jī)交互界面顯示和存儲，若信號處理子系統(tǒng)直接與計算機(jī)進(jìn)行通信，CPLD和計算機(jī)的處理速度達(dá)不到處理大量液位信號的要求，且傳輸錯誤發(fā)生率較高，故通過單片機(jī)來建立CPLD與計算機(jī)的通信，提高通信速度，保證傳輸?shù)乃俾室约翱煽啃浴?/p>

經(jīng)計數(shù)、鑒相后的方波個數(shù)和方向數(shù)據(jù)，由子系統(tǒng)的通信模塊傳輸給單片機(jī)。MCU是通過兩位地址總線，讀取對應(yīng)油罐的液位數(shù)據(jù)。由單片機(jī)給CPLD發(fā)送地址信息，CPLD根據(jù)地址信息add2add1讀取對應(yīng)油罐液位信息，當(dāng)?shù)刂穉ddr為00時讀取油罐1的液位信息，01為油罐2，10為油罐3，11為油罐4。dir為各油罐的液位升降情況，cnt為四路油罐的液位信息，data[6..0]為傳輸至單片機(jī)的方波計數(shù)值，dire為傳輸給單片機(jī)的方向信息，通信模塊如圖6所示。當(dāng)單片機(jī)給信號處理子系統(tǒng)發(fā)送地址信號后，系統(tǒng)內(nèi)部判斷數(shù)據(jù)處理是否完成，完成后給單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)使能信號data_en，由單片機(jī)讀取相應(yīng)位的電平信號，即可快速的得到相應(yīng)的各路油罐的液位信息，即完成了CPLD與單片機(jī)的通信，否則等待。

圖6 通信模塊

3 仿真與分析

設(shè)計的四路油罐液位信號處理子系統(tǒng)通過在計算機(jī)軟件仿真來理論實(shí)現(xiàn)。對子系統(tǒng)中單路的濾波模塊進(jìn)行了仿真，圖中sig_a，sig_b為濾波前具有干擾信號的輸入信號波形，qa,qb為濾波以后的波形，從圖7中可以看出濾波模塊將輸入信號中的干擾信號完全濾除，濾波效果較好。

圖7 濾波模塊仿真圖形

軟件仿真了油罐1的液位上升和油罐3的液位下降情況，如圖8(a)、圖8(b)所示。圖8(a)中在時鐘脈沖下，復(fù)位信號至1即不復(fù)位，在8路信號輸入端SA[1..4]、SB[1..4]即四路油罐都有信號的情況下，讀取地址信號為00，即此時讀取油罐1的液位變化情況，dir輸出液位變化的方向，為上升狀態(tài)；cnt為變化方波四倍頻后個數(shù)，在上位機(jī)中可轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的液位變化值。同樣，在圖8(b)中讀取地址信號為10，液位為下降狀態(tài)。由此可知該系統(tǒng)能對油罐液位的變化進(jìn)行準(zhǔn)確的計數(shù)、鑒相和通信，而完成一個單位的液位變化仿真僅需要10 μs。

(a)液位上升仿真波形

(b)液位下降仿真波形圖8 計數(shù)、鑒相仿真波形

將設(shè)計的處理電路應(yīng)用于油罐的液位測量中，實(shí)時監(jiān)測油庫的液位信息。通過觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果，完成一次四通道油罐的巡檢需要3.25 s，能實(shí)時、高精度、準(zhǔn)確的顯示各油罐的液位信息。證明本系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確的對4路油罐的液位信息進(jìn)行計數(shù)、鑒相和傳輸，經(jīng)換算可準(zhǔn)確得到油罐的液位信息。

4 結(jié)束語

設(shè)計的子系統(tǒng)很好地實(shí)現(xiàn)了對四路油罐液位信息的四倍頻、鑒相和計數(shù)、傳輸工作，并可與其它MCU直接通訊。同時，滿足了液位信號處理的數(shù)量龐大、實(shí)時性高的要求。將大部分處理工作集中在CPLD芯片中，在實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)現(xiàn)場的具體情況，對CPLD的內(nèi)部配置進(jìn)行修改、調(diào)試。這種數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可適用于多種多路數(shù)據(jù)處理的應(yīng)用場合，是一種比較理想的多路實(shí)時數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

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Design of Four Tank Level Signal Processing Subsystem

QIAN Jie-ling，GUO Yang-kuan，ZHU Lian-qing，LIU Chao，MENG Xiao-chen

(Beijing Key Laboratory for Optoelectronic Measurement Technology，Beijing Information Science and Technology University，Beijing 100192，China)

Accurate high-speed four tank liquid level signal processing subsystem with CPLD as the core was designed to improve precision and real-time performance of the large oil level measurement signal processing subsystem,which can finish filtering,counting and phase detecting,and communication of four tank liquid level signal at the same time.The realization method of each module in the CPLD was described in detail by using Verilog HDL to realize each module and simulation and analysis were finished in the QuartusⅡ.The experimental results show that the subsystem can finish four tank liquid level signal processing efficiently and accurately.

tank level;signal processing;CPLD

長江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計劃資助(IRT1212)；北京市屬高等學(xué)校創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)建設(shè)與教師職業(yè)發(fā)展計劃項(xiàng)目(IDHT20130518)；北京信息科技大學(xué)?？蒲谢痦?xiàng)目(1425002)

2014-11-03 收修改稿日期：2015-03-07

TB938.1

A

1002-1841(2015)08-0041-04

錢潔玲(1988—)，碩士研究生，精密儀器及機(jī)械。 E-mail:jennyqian1988@163.com 郭陽寬(1964—)，教授，研究生導(dǎo)師，博士，主要從事生物醫(yī)療器械的研究。E-mail:guoyk2004@163.com