隨著工業(yè)生產(chǎn)和技術(shù)的不斷發(fā)展，流量測量的對象越來越多，精度要求也越來越高，新的測量方法和測試儀器也不斷涌現(xiàn)。但依據(jù)信號輸出類型，各種流量計(jì)總是可分為開方式模擬量輸出流量計(jì)、線性模擬量輸出流量計(jì)、脈沖式輸出流量計(jì)。例如，差壓式流量計(jì)屬于開方
隨著工業(yè)生產(chǎn)和技術(shù)的不斷發(fā)展，流量測量的對象越來越多，精度要求也越來越高，新的測量方法和測試儀器也不斷涌現(xiàn)。但依據(jù)信號輸出類型，各種流量計(jì)總是可分為開方式模擬量輸出流量計(jì)、線性模擬量輸出流量計(jì)、脈沖式輸出流量計(jì)。例如，差壓式流量計(jì)屬于開方式模擬量輸出流量計(jì)，流量同輸出信號的開方成線性關(guān)系；線性模擬量輸出流量計(jì)有電磁流量計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)、旋進(jìn)漩渦式流量計(jì)等，這些流量計(jì)的輸出信號與流量成線性關(guān)系；脈沖式輸出流量計(jì)包括容積式流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、渦街流量計(jì)、插入式流量計(jì)等，這些流量計(jì)的發(fā)信器輸出脈沖信號，一個(gè)脈沖代表一定體積的流量。
對于不同信號類型輸出的流量計(jì)，二次顯示儀表的測量原理都是不一樣的。例如：線性模擬量輸出流量計(jì)，二次儀表測量模擬量（如4－20mA）信號，經(jīng)過線性轉(zhuǎn)換之后就得到瞬時(shí)流量，然后根據(jù)瞬時(shí)流量進(jìn)行累積運(yùn)算；對于開方式模擬量輸出流量計(jì)的測量，需要在模擬量的測量后增加開方運(yùn)算，開方后經(jīng)過線性轉(zhuǎn)換得到瞬時(shí)流量，再根據(jù)瞬時(shí)流量進(jìn)行累積運(yùn)算。從這兩種流量計(jì)的測量方法可以看出，二次顯示儀表從一次表獲得的參數(shù)只有瞬時(shí)流量，而累積流量是二次表內(nèi)部對瞬時(shí)流量的積分運(yùn)算后得到的，即M＝ƒ Ftdt，式中：M為累積流量；Ft為瞬時(shí)流量。對于脈沖式輸出流量計(jì)，二次表通過測量脈沖頻率，經(jīng)過線性轉(zhuǎn)換后得到瞬時(shí)流量，而對于累積流量的測量，也可以通過對瞬時(shí)流量的積分運(yùn)算獲得。
本文針對脈沖式輸出流量計(jì)的特點(diǎn)，提出一種以LPC2119處理器為核心，以uC/OS-II嵌入式操作系統(tǒng)為軟件平臺，可以自動調(diào)零，線性化，補(bǔ)償環(huán)境因素變化，并配以LED顯示并具有超量程報(bào)警輸出，具有CAN總線輸出接口的智能型脈沖式輸出流量計(jì)專用二次儀表。
1 頻率測量方法
脈沖式輸出流量計(jì)的脈沖頻率一般在10KHz以內(nèi)，如渦街流量計(jì)輸出頻率為0~5KHz，容積式流量計(jì)更小，一般只有幾百Hz，甚至幾十Hz。流量計(jì)輸出脈沖一般不是很均勻的脈沖，例如容積式流量計(jì)（又稱定排量流量計(jì)，簡稱PD流量計(jì)），利用機(jī)械測量元件將流體連續(xù)不斷地分割成單個(gè)已知的體積部分，根據(jù)測量室逐次重復(fù)地充滿和排放該體積部分流體的次數(shù)來測量流體體積總量，其內(nèi)部測量元件的轉(zhuǎn)動通過磁性密封聯(lián)軸器及傳動齒輪減速機(jī)構(gòu)傳遞給計(jì)數(shù)器，并附加發(fā)信裝置輸出脈沖信號，由于機(jī)械傳動部分不可避免地存在輸出脈動和噪音，在一個(gè)轉(zhuǎn)動周期內(nèi)，脈沖的分布不均勻。對于這樣的脈沖信號，就需要有一種合適的頻率測量方法來提高測量精度和響應(yīng)速度，并解決瞬時(shí)流量的跳動和抗干擾問題。
通常采用的頻率測量方法有兩種：測頻法，就是在一定的時(shí)間間隔T內(nèi)，對輸入的周期信號脈沖計(jì)數(shù)為N，則信號的頻率為f＝N/T，這種方法適合于高頻信號的檢測；測周法，通過計(jì)數(shù)器計(jì)量輸入信號n個(gè)周期內(nèi)所用的時(shí)間為T，則信號的頻率為f＝n/T，這種方法適合于低頻信號的測量。兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，測頻法適合于高頻信號的測量，但對于像容積式流量計(jì)輸出的低頻信號，測量精度低，不宜采用；測周法適合于低頻信號的測量，為了提高精度，一般在多個(gè)被測信號周期內(nèi)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)信號的脈沖數(shù)，但這樣會增加采樣時(shí)間，降低響應(yīng)速度。
本文所設(shè)計(jì)的二次儀表在測量頻率時(shí)將測頻法和測周法二者有機(jī)地結(jié)合起來，充分利用它們的優(yōu)點(diǎn)，以達(dá)到在較寬的頻率范圍內(nèi)有較好的精度和響應(yīng)速度。初始情況下以時(shí)間T1為計(jì)時(shí)時(shí)間，首先采用測頻法對輸人頻率脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)N1，若計(jì)時(shí)時(shí)間中止時(shí)N1為零，則表明輸入脈沖頻率低于該計(jì)時(shí)時(shí)間所能測到的頻率1/T1，應(yīng)改用測周法重新對該輸入脈沖進(jìn)行測量。每次測周法測量完畢后，還要將當(dāng)次測量結(jié)果與臨界頻率1/T1X110%相比較，若fx>1/T1×110%則下次計(jì)算頻率時(shí)改用測頻法對脈沖進(jìn)行測量。在此設(shè)定臨界頻率為1/T1×110%，主要為消除輸入脈沖頻率剛好位于1/T1附近，而帶來兩種測量方法的頻繁切換影響頻率測量的相應(yīng)速度。
2 系統(tǒng)硬件組成
在實(shí)際工程環(huán)境下，流量計(jì)傳送的流量脈沖信號較微弱，同時(shí)受外界環(huán)境影響，信號攜帶大量噪聲，故電路配置了光耦隔離電路和運(yùn)放電路進(jìn)行信號整形，然后送入LPC2119單片機(jī)的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1；在液壓系統(tǒng)的流量測量中，為保證測量的精度，需要實(shí)時(shí)采集液壓油的溫度作為補(bǔ)償信號，電路中設(shè)置了溫度信號輸入接口，可直接將管路上的溫度傳感器信號直接接入儀表，經(jīng)有源濾波和調(diào)理電路后，送入LPC2119單片機(jī)；在通訊方面，采用LPC2119內(nèi)部所帶有的串口和CAN總線收發(fā)單元，直接完成向上位機(jī)傳送數(shù)據(jù)的任務(wù)；人機(jī)界面采用6位8段數(shù)碼管和三個(gè)按鍵。
LPC2119單片機(jī)
LPC2119單片機(jī)是飛利浦半導(dǎo)體公司推出的一款基于支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的16/32位ARM7TDMI-S CPU的微控制器，并帶有128k字節(jié)嵌入的高速Flash存儲器，通過片內(nèi)PLL可實(shí)現(xiàn)為60MHz的CPU操作頻率。由于LPC2119較小的64腳封裝、極低的功耗、2個(gè)32位定時(shí)器、4路10位ADC、1路CAN以及多達(dá)9個(gè)外部中斷使它特別適用于各種儀器儀表，測試單元，工業(yè)控制單元中。本設(shè)計(jì)選用LPC2119單片機(jī)作為儀表的核心，由于本身集成了較多的功能模塊，這樣無需其他過多外圍器件支持，使得整個(gè)儀表的可靠性和整體成本大大降低。
E2PROM存貯電路
CAT24WC01是一個(gè)1K位串行CMOS E2PROM，內(nèi)部含有128個(gè)8位字節(jié)，CATALYST公司的CMOS技術(shù)實(shí)質(zhì)上減少了器件的功耗，CAT24WC01有一個(gè)8字節(jié)頁寫緩沖器，I2C總線接口進(jìn)行操作，并有一個(gè)專門的寫保護(hù)功能。儀表中用戶所設(shè)值的高低報(bào)警值，量程范圍的值，通訊方式都存放在這里，以方便掉電后可以重新讀取。
通訊電路
CAN-bus是一種多主方式的串行通訊總線，有高的位速率，高抗電磁干擾性，而且能夠檢測出產(chǎn)生的任何錯(cuò)誤。CAN總線還具有傳輸距離遠(yuǎn)，多主機(jī)，時(shí)間同步多點(diǎn)接受等特性。作為一種技術(shù)、可靠性高、功能、成本合理的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)通訊控制方式，CAN-bus已被廣泛應(yīng)用到各個(gè)自動化控制系統(tǒng)中。由于LPC2119內(nèi)置了CAN總線控制器，故只需在外圍添加一個(gè)CAN收發(fā)器TJA1050即可實(shí)現(xiàn)CAN總線的通訊。本儀表還提供串口通訊方式和上位機(jī)傳輸數(shù)據(jù)。
數(shù)碼管顯示和按鍵電路
數(shù)碼管和按鍵均由LPC2119的普通I/O驅(qū)動。面板6位8段數(shù)碼管動態(tài)顯示當(dāng)前流量值，依據(jù)用戶所設(shè)量程小數(shù)點(diǎn)的位置會浮動顯示。當(dāng)流量超過設(shè)定界，高報(bào)警燈HI或低報(bào)警燈LO點(diǎn)亮，繼電器同時(shí)吸合，從儀表后面板輸出相應(yīng)的信號。按鍵功能依次為保存切換鍵，光標(biāo)左移鍵，數(shù)值加一鍵，用戶通過面板按鍵可以設(shè)定采用CAN總線或UART來實(shí)現(xiàn)通訊，并可以設(shè)定脈沖當(dāng)量數(shù)，用戶量程，高低報(bào)警界限等參數(shù)。
3 軟件設(shè)計(jì)
uC/OS-II是源代碼公開的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)，它具有可移植性強(qiáng)、可裁減、搶占式多任務(wù)的實(shí)時(shí)內(nèi)核、任務(wù)棧、系統(tǒng)服務(wù)、可固化、穩(wěn)定性、中斷管理等特點(diǎn)，包含了任務(wù)管理、時(shí)間管理、任務(wù)間通信同步（信號量，郵箱，消息隊(duì)列等）和內(nèi)存管理等功能。它是面向中小型嵌入式系統(tǒng)的，包含全部功能模塊的內(nèi)核大約為10KB，如果經(jīng)過裁減只保留核心代碼，則可壓縮到2KB左右。由于結(jié)構(gòu)簡單，源代碼量少，對處理器及外圍電路的要求不高，因此非常適合于應(yīng)用在儀器儀表的內(nèi)嵌微控制器。
儀表采用uC/OS-II操作系統(tǒng)做為軟件開發(fā)的平臺，并在上面開發(fā)數(shù)據(jù)隊(duì)列、I2C總線驅(qū)動，CAN總線驅(qū)動，串口驅(qū)動等中間件，uC/OS-II上創(chuàng)建任務(wù)時(shí)只需調(diào)用這些中間件就可以完成對實(shí)際硬件的操作。左圖4說明了uC/OS-II的軟硬件體系結(jié)構(gòu)。應(yīng)用程序處于整個(gè)系統(tǒng)的頂層，每個(gè)任務(wù)都可以認(rèn)為自己獨(dú)占CPU，因而可以設(shè)計(jì)成為一個(gè)無限循環(huán)。uC/OS-II處理器無關(guān)的代碼提供了uC/OS-II的系統(tǒng)服務(wù)，應(yīng)用程序可以使用這些API函數(shù)進(jìn)行內(nèi)存管理、任務(wù)間通信以及創(chuàng)建、刪除任務(wù)等。由于設(shè)計(jì)uC/OS-II時(shí)就考慮到了在不同處理器上移植，因而移植uC/OS-II實(shí)際上需要修改的代碼量很小，其中需要修改的部分只是與處理器相關(guān)部分的文件。在uC/OS-II的網(wǎng)站提供了uC/OS-II在一百多種處理器上的移植代碼，其中也包括針對LPC2119處理器的移植源代碼，故具體移植過程和方法再此就不多敘述。
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