周家領(lǐng)

(眉山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川眉山232001)

基于IEEE754標(biāo)準(zhǔn)的流量計表頭設(shè)計*

周家領(lǐng)*

(眉山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川眉山232001)

針對目前國內(nèi)大多數(shù)流量變送器僅輸出頻率信號和模擬電壓信號的現(xiàn)狀，研制了一種基于Modbus協(xié)議支持遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)控的標(biāo)準(zhǔn)化表頭。按照IEEE754單精度浮點(diǎn)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)由RS485負(fù)邏輯電平差分信號組成全雙工通信網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)鏈路層基于Modbus議將流量計表頭所測數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)。上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用亞控組態(tài)王軟件編寫，支持遠(yuǎn)程訪問、數(shù)據(jù)超限報警、參數(shù)設(shè)定等功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明:此標(biāo)準(zhǔn)化流量計表頭切實(shí)可行，調(diào)試結(jié)果滿足精度要求，且輸入電壓范圍寬、抗干擾能力強(qiáng)、通訊穩(wěn)定可靠。

IEEE754;流量計;12C5A60S2;Modbus

1 國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)化流量表頭現(xiàn)狀與發(fā)展

目前國內(nèi)市場上的流量計多數(shù)只具備有4 mA～20mA電流與脈沖輸出功能，而沒有通信接口。如果流量計要與上位機(jī)通信構(gòu)成監(jiān)控系統(tǒng)，還需要變送器再外接RS-232、RS-485、USB等標(biāo)準(zhǔn)通信接口把現(xiàn)場測量儀表和上位機(jī)連接起來［1］。

當(dāng)前國外約89%的流量計采用mAHART通信協(xié)議，因?yàn)椴捎胢AHART通信協(xié)議的流量計在安裝難度和操作要求上都低于采用modbus RTU協(xié)議的流量計，但是，隨著自動化水平不斷提高，用戶希望從流量測量中獲取更多的信息，比如，狀態(tài)檢測和診斷信息等，這些數(shù)據(jù)傳送都需要依賴通訊接口支持。西門子等行業(yè)巨頭正在著力推行現(xiàn)場總線協(xié)議的流量測量技術(shù)，這必將不斷推動現(xiàn)場總線協(xié)議流量計在各個行業(yè)的發(fā)展［2-3］。

2 系統(tǒng)整體方案概述

本標(biāo)準(zhǔn)化流量計表頭設(shè)計主要分成兩個部分即:整體硬件設(shè)計與軟件設(shè)計。其中硬件設(shè)計包含電源模塊，單片機(jī)系統(tǒng)，接口電路處理RS-485通信部分，RS-232通信部分，顯示模塊，PCB板制作。軟件設(shè)計主要包括Modbus標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議在控制芯片中的實(shí)現(xiàn)，上位機(jī)監(jiān)控軟件組態(tài)王編程。圖1為系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

本標(biāo)準(zhǔn)化流量計表頭支持寬電壓輸入，允許的最高輸入電壓為DC50V，RS-485通信電源與控制系統(tǒng)電源隔離，有助于提高系統(tǒng)穩(wěn)定性抗干擾性，頻率測量與電壓測量功能可由功能按鍵或者上位機(jī)發(fā)送功能碼設(shè)定，輸入信號通過接口電路被單片機(jī)12C5A60S2采集與處理，之后單片機(jī)將需要現(xiàn)場顯示的數(shù)據(jù)送給1.8寸TFT顯示屏顯示，同時將相應(yīng)數(shù)據(jù)按照Modbus標(biāo)準(zhǔn)幀格式打包通過RS-485發(fā)往遠(yuǎn)程監(jiān)控上位機(jī)。

3 硬件整體設(shè)計

3.1 電源模塊

任何系統(tǒng)電源都是設(shè)計首要考慮的問題，電源不穩(wěn)定系統(tǒng)其他部分再好整體性能也達(dá)不到很好的效果，對此本設(shè)計就電源設(shè)計部分進(jìn)行詳細(xì)描述，本次設(shè)計為提高電源工作效率降低發(fā)熱量縮小電路空間提高系統(tǒng)穩(wěn)定性抗干擾性使用了開關(guān)電源芯片與電源隔離芯片。

圖2 電源模塊LM 2576T

本原理圖J1為外部電壓輸入端，支持7.0 V～50 V輸入通過調(diào)節(jié)可變電阻R6可有1.2 V～-50 V電壓輸出最大輸出電流3 A輸出電壓供下一級元器件使用。具體輸出電壓VOUT=VREF(1+R2/R1)。

為做到真正的電氣隔離，控制信號與收發(fā)信號獨(dú)立供電，采用了5 V輸入5 V隔離輸出的DC-DC模塊B0505s-1w。此級的輸入電壓來源于線性穩(wěn)壓7805T的輸出。為了擴(kuò)展本標(biāo)準(zhǔn)化表頭的通用性適應(yīng)性增設(shè)電源輸出接口供其他器件使用，分別為第1級1.2 V～50 V可調(diào)輸出，在使用時不超過7805的最大耐壓值，第2級5 V線性電壓;第3級5 V隔離電壓輸出。

3.2 單片機(jī)模塊

本次設(shè)計中使用的控制芯片采用的是宏晶公司STC12C5A60S2系列單片機(jī)。

單片機(jī)最小系統(tǒng)由震蕩電路，復(fù)位電路，單片機(jī)和電源組成，單片機(jī)的P0口加了上拉電阻。根據(jù)官方技術(shù)文檔當(dāng)時鐘頻率高于時鐘頻率高于12 MHz時，建議使用第二復(fù)位功能腳，可以不用C1，R1接1 kΩ電阻到地，此時的最小應(yīng)用系統(tǒng)如圖3所示。

由7805T輸出5 V電壓供電，外接24 MHz晶振，P0口外接1 kΩ上拉電阻，P4.6為第二復(fù)位引腳按照官方技術(shù)文檔外接晶振超過12 MHz是推薦使用，本標(biāo)準(zhǔn)化流量計表頭外接24MHz晶振使用第二復(fù)位引腳。第一復(fù)位引腳P4.7外接一個1 kΩ電阻到地。

頻率測量功能實(shí)現(xiàn):在測量外部脈沖信號頻率時本設(shè)計使用STC12C5A60S2單片機(jī)自帶的可編程計數(shù)器陣列(PCA)模塊。STC12C5A60S2集成了兩路PCA模塊，使用此模塊可實(shí)現(xiàn)軟件定時器、外部脈沖捕捉、高速脈沖輸出以及脈寬調(diào)制(PWM)輸出功能［4］。DA功能實(shí)現(xiàn)電路原理圖如圖4所示。

本設(shè)計輸出模擬信號運(yùn)用于一般的場合無需很高的精度，12 bit的PWM可以完成設(shè)計要求。

STC12C5A60S2系列單片機(jī)的PCA模塊可以通過程序設(shè)定，使其工作于兩路12 bit PWM模式，即模塊CCAPMn寄存器的PWMn和ECOMn位置位。

由于兩路PWM的實(shí)現(xiàn)是基于同一個PCA定時器的，所以它們的輸出頻率相同。但各個模塊的輸出占空比可以獨(dú)立變化，具體占空比的值與所使用的捕獲寄存器［EPCnL，CCAPnL］有關(guān)。當(dāng)寄存器CL的值小于［EPCnL，CCAPnL］時，PWM輸出波形為低電平;當(dāng)寄存器CL的值等于或大于［EPCnL，CCAPnL］時，PWM輸出波形為高電平。當(dāng)CL的值由FF累加溢出變?yōu)?0時，單片機(jī)自動將［EPCnH，CCAPnH］的內(nèi)容裝載到［EPCnL，CCAPnL］中。這樣就可輕松實(shí)現(xiàn)更新PWM占空比。輸出的PWM波通過低通濾波器即可輸出0～5 V的電壓。

圖3 STC12C5A60S2 LQFP44最小系統(tǒng)原理圖

圖4 STC12C5A60S2 PWM模擬DAC原理圖

3.3 通信接口電路的硬件設(shè)計

本標(biāo)準(zhǔn)化流量計表頭為實(shí)現(xiàn)基于Modbus協(xié)議的遠(yuǎn)程監(jiān)控，超限報警［5］?？紤]到基于差分信號傳輸?shù)腞S-485總線本身具有抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在通信接口電路上選擇時下工業(yè)應(yīng)用較多技術(shù)完善的RS-485接口標(biāo)準(zhǔn)，同時為了方便程序的下載調(diào)試擴(kuò)展本流量計表頭的功能，增強(qiáng)其適應(yīng)性又增加一RS-232接口。

STC12C5A60S2串口TTL電平到RS-485接口電平的轉(zhuǎn)換采用的是芯片MAX485。RS-485輸出電路設(shè)計關(guān)鍵是抑制線路上的各種干擾，輸出電路與傳輸線路特性阻抗的匹配。由于工程環(huán)境復(fù)雜干擾源不確定，485總線接口傳輸端一定要加有保護(hù)措施。在本次電路設(shè)計中采用能夠抗浪涌的TVS瞬態(tài)雜波抑制器件。在實(shí)際運(yùn)用中，由于通信載體一般是雙絞線，它的特性阻抗為120Ω左右，所以為減少線路上傳輸信號的反射，在線路設(shè)計時，通常在RS-485網(wǎng)絡(luò)傳輸線總線的始末端各接1只120Ω的匹配電阻。

3.4 單片機(jī)程序設(shè)計

本標(biāo)準(zhǔn)化流量計表頭下位機(jī)編程設(shè)計的主要分成以下幾個部分:Modbus協(xié)議在單片機(jī)上的實(shí)現(xiàn);電壓、頻率的高精度測量。PWM模擬DAC的實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)編程流程圖如圖6所示。

4 上位機(jī)監(jiān)控界面組態(tài)王

為了使單片機(jī)與組態(tài)王之間按照Modbus協(xié)議進(jìn)行通信，本設(shè)計中使用組態(tài)王設(shè)備列表中的“莫迪康”。下位機(jī)調(diào)試階段定義的地址為1，所以此處地址選擇“1”。組態(tài)王中不同類型的寄存器格式對應(yīng)于不同的變量類型，要使組態(tài)王能與下位機(jī)正常通信，必須保證上下位機(jī)數(shù)據(jù)的類型相對應(yīng)。在Modbus規(guī)約驅(qū)動中，SwapF寄存器用于改變FLOAT型數(shù)據(jù)的字節(jié)順序，SwapL寄存器用于改變LONG型數(shù)據(jù)的字節(jié)順序，只有0，1，2，3 4種取值。在通訊時從0001地址讀取的4個十六進(jìn)制值為HV1，HV2，HV3，HV4，則按iEEE754標(biāo)準(zhǔn)浮點(diǎn)數(shù)的格式。本文設(shè)定SwapF=0，轉(zhuǎn)換后浮點(diǎn)數(shù)對應(yīng)的內(nèi)存值為:HV4 HV3 HV2 HV1;單片機(jī)在相關(guān)數(shù)據(jù)輸出時也按照這種標(biāo)準(zhǔn)格式［6］。

圖5 RS－485光耦隔離電路原理圖

圖6 單片機(jī)程序流程圖

用戶可根據(jù)自己的具體要求，修改不同寄存器的內(nèi)容。下位機(jī)具有AD采集、頻率測量、瞬時、累計流量顯示、功能設(shè)定等功能，下位機(jī)的地址可由用戶在上、下位機(jī)設(shè)定。如果在通訊過程中有設(shè)備斷線，組態(tài)王經(jīng)過兩次查詢未果，將送出問號，并繼續(xù)與其他設(shè)備通訊。通過設(shè)定可定時查詢故障設(shè)備是否恢復(fù)通訊。具體寄存器配置如表1所示。

表1中所有的浮點(diǎn)數(shù)符合IEEE754標(biāo)準(zhǔn);從站初始地址為十六進(jìn)制的00～FF。

配置信息:波特率:4 800 bit/s。循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)，對全部報文內(nèi)容執(zhí)行校驗(yàn)。除CRC校驗(yàn)外，所發(fā)送字時均是先高位字節(jié)后低位字節(jié)。

組態(tài)王用于顯示的監(jiān)控界面如上所示，累計流量定義到寄存器40001;流量系數(shù)可由后臺設(shè)定到寄存器4003，工況流速定義到寄存器4005;測得數(shù)據(jù)可以使電壓或頻率在寄存器4007顯示。組態(tài)王在顯示前可根據(jù)外界不同電壓范圍與測量的頻率范圍設(shè)定相應(yīng)數(shù)值。設(shè)定界面如上所示，流量系數(shù)設(shè)定到寄存器4003，輸入的頻率最值與電壓最值直接決定輸出電壓的大小所以要在此設(shè)定。

表1 寄存器地址及定義

5 表頭精度實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證所設(shè)計表頭的精度，采用標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)信號發(fā)生器輸出標(biāo)準(zhǔn)頻率信號、高精度穩(wěn)壓電源輸出標(biāo)準(zhǔn)電壓信號供表頭采集。

表頭所需三級電源分別由插針引出，6路PCB接線端子分別對應(yīng)于輸入電源，輸入頻率，輸入電壓，輸出電壓，按鍵，RS-232與RS-485通信，RS-232與RS-485有P6通過跳線帽按實(shí)際使用時需要短接。

調(diào)試測量數(shù)據(jù)誤差分析如表2所示。

通過以上數(shù)據(jù)分析可以看出，通過PCA捕捉測頻在50 Hz到500 000 Hz范圍內(nèi)精度滿足設(shè)計要求;電壓測量在0～5 V范圍內(nèi)精度滿足設(shè)計要求;通過PWM模擬DAC實(shí)現(xiàn)設(shè)計要求，總體調(diào)試結(jié)果滿意，系統(tǒng)穩(wěn)定性高［7-8］。

圖7 精度測試實(shí)驗(yàn)

表2 誤差分析數(shù)據(jù)表

6 結(jié)束語

本標(biāo)準(zhǔn)化流量計表頭可以實(shí)現(xiàn)0～60 kHz內(nèi)(不用分頻器)的高精度測量通過對實(shí)測數(shù)據(jù)的誤差計算結(jié)果證明能夠滿足設(shè)定要求，在電壓測量與PWM模擬DAC實(shí)現(xiàn)上誤差也控制在本項(xiàng)目要求的范圍以內(nèi)。總體來說本智能型標(biāo)準(zhǔn)化表頭緊跟物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的步伐同時具有現(xiàn)場顯示與遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。與市場現(xiàn)有的單一顯示功能的產(chǎn)品相比更先進(jìn)，更具市場占有率。調(diào)試結(jié)果與預(yù)期一致，具有測量精度高、輸入電壓范圍寬、抗干擾能力強(qiáng)、通訊穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。符合智能儀表發(fā)展方向，可以逐步在市場上應(yīng)用。

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周家領(lǐng)(1976-)，男，漢族，安徽毫州人，眉山職業(yè)技術(shù)學(xué)院教師，本科，講師;主要從事機(jī)械制造及其自動化方面的教學(xué)與科研工作，主持省級教科研項(xiàng)目1項(xiàng)，主持省級教科研項(xiàng)目1項(xiàng)，院級科研課題3項(xiàng)，主編出版教材3本，921183389@QQ.com。

Design of Flow M eter Based on IEEE754 Standard*

ZHOU Jialing*

(Mechanical Vocational and Technical College，Meishan Sichuan 232001，China)

In view of existing situation that frequency signal and analog voltage signal aremeasured bymany flowmeters，a standard gauge supported for remote real-timemonitoringwas developed based on the Modbus protocol.Half duplex communication network is composed of RS-485 with the feature of differential signal negative logic.Flow meter data in the form of IEEE754 single precision floating-point standard will be transmitted to the host computer in the datalink layer of the OSImodel based on Modbus protocol.PC monitoring system is programmed by the Kingview，supporting remote access，data overrun alarm，parameter setting and other functions.The experimental results show that:the standard flowmeter design is feasible，the debugging result is consistentwith the expected，has thewide input voltage range，strong anti-interference ability，stable and reliable communication etc.

IEEE754;volumetric flowmeter;12C5A60S2;Modbus

C:7320W;7250

10.3969/j.issn.1005－9490.2017.01.024

TH 85

:A

:1005－9490(2017)01－0125－05

項(xiàng)目來源:四川省教育廳一般項(xiàng)目(16SB0373)

2015-09-08修改日期:2015-10-18