引言

      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，各種流量計總是可分為開方式模擬量輸出流量計、線性模擬量輸出流量計、脈沖式輸出流量計。例如，差壓式流量計屬于開方式模擬量輸出流量計，流量同輸出信號的開方成線性關系；線性模擬量輸出流量計有電磁流量計、質(zhì)量流量計、旋進漩渦式流量計等，這些流量計的輸出信號與流量成線性關系；脈沖式輸出流量計包括容積式流量計、渦輪流量計、渦街流量計、插入式流量計等，這些流量計的發(fā)信器輸出脈沖信號，一個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，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，二次儀表測量模擬量（如4－20mA）信號，經(jīng)過線性轉(zhuǎn)換之后就得到瞬時流量，然后根據(jù)瞬時流量進行累積運算；對于開方式模擬量輸出流量計的測量，需要在模擬量的測量后增加開方運算，開方后經(jīng)過線性轉(zhuǎn)換得到瞬時流量，再根據(jù)瞬時流量進行累積運算。從這兩種流量計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)只有瞬時流量，而累積流量是二次表內(nèi)部對瞬時流量的積分運算后得到的，即M＝ƒ F_tdt，式中：M為累積流量；F_t為瞬時流量。對于脈沖式輸出流量計，二次表通過測量脈沖頻率，經(jīng)過線性轉(zhuǎn)換后得到瞬時流量，而對于累積流量的測量，也可以通過對瞬時流量的積分運算獲得。

      本文針對脈沖式輸出流量計的特點，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，補償環(huán)境因素變化，并配以LED顯示并具有超量程報警輸出，具有CAN總線輸出接口的智能型脈沖式輸出流量計專用二次儀表。

      1 頻率測量方法

      脈沖式輸出流量計的脈沖頻率一般在10KHz以內(nèi)，如渦街流量計輸出頻率為0~5KHz，容積式流量計更小，一般只有幾百Hz，甚至幾十Hz。流量計輸出脈沖一般不是很均勻的脈沖，例如容積式流量計（又稱定排量流量計，簡稱PD流量計），利用機械測量元件將流體連續(xù)不斷地分割成單個已知的體積部分，根據(jù)測量室逐次重復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構(gòu)傳遞給計數(shù)器，并附加發(fā)信裝置輸出脈沖信號，由于機械傳動部分不可避免地存在輸出脈動和噪音，在一個轉(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速度，并解決瞬時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，就是在一定的時間間隔T內(nèi)，對輸入的周期信號脈沖計數(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，通過計數(shù)器計量輸入信號n個周期內(nèi)所用的時間為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，測頻法適合于高頻信號的測量，但對于像容積式流量計輸出的低頻信號，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，一般在多個被測信號周期內(nèi)計量標準信號的脈沖數(shù)，但這樣會增加采樣時間，降低響應速度。

      本文所設計的二次儀表在測量頻率時將測頻法和測周法二者有機地結(jié)合起來，充分利用它們的優(yōu)點，以達到在較寬的頻率范圍內(nèi)有較好的精度和響應速度。初始情況下以時間T₁為計時時間，首先采用測頻法對輸人頻率脈沖進行計數(shù)N₁，若計時時間中止時N₁為零，則表明輸入脈沖頻率低于該計時時間所能測到的頻率1/T₁，應改用測周法重新對該輸入脈沖進行測量。每次測周法測量完畢后，還要將當次測量結(jié)果與臨界頻率1/T₁X110%相比較，若f_x>1/T_1×110%則下次計算頻率時改用測頻法對脈沖進行測量。在此設定臨界頻率為1/T_1×110%，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速度。

      2 系統(tǒng)硬件組成

      在實際工程環(huán)境下，流量計傳送的流量脈沖信號較微弱，同時受外界環(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放電路進行信號整形，然后送入LPC2119單片機的定時器/計數(shù)器1；在液壓系統(tǒng)的流量測量中，為保證測量的精度，需要實時采集液壓油的溫度作為補償信號，電路中設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；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，直接完成向上位機傳送數(shù)據(jù)的任務；人機界面采用6位8段數(shù)碼管和三個按鍵。

      LPC2119單片機

      LPC2119單片機是飛利浦半導體公司推出的一款基于支持實時仿真和跟蹤的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32位定時器、4路10位ADC、1路CAN以及多達9個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。本設計選用LPC2119單片機作為儀表的核心，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，使得整個儀表的可靠性和整體成本大大降低。

      E²PROM存貯電路

      CAT24WC01是一個1K位串行CMOS E²PROM，內(nèi)部含有128個8位字節(jié)，CATALYST公司的CMOS技術(shù)實質(zhì)上減少了器件的功耗，CAT24WC01有一個8字節(jié)頁寫緩沖器，I²C總線接口進行操作，并有一個專門的寫保護功能。儀表中用戶所設值的高低報警值，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)生的任何錯誤。CAN總線還具有傳輸距離遠，多主機，時間同步多點接受等特性。作為一種技術(shù)、可靠性高、功能完善、成本合理的遠程網(wǎng)絡通訊控制方式，CAN-bus已被廣泛應用到各個自動化控制系統(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CAN收發(fā)器TJA1050即可實現(xiàn)CAN總線的通訊。本儀表還提供串口通訊方式和上位機傳輸數(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)顯示當前流量值，依據(jù)用戶所設量程小數(shù)點的位置會浮動顯示。當流量超過設定界，高報警燈HI或低報警燈LO點亮，繼電器同時吸合，從儀表后面板輸出相應的信號。按鍵功能依次為保存切換鍵，光標左移鍵，數(shù)值加一鍵，用戶通過面板按鍵可以設定采用CAN總線或UART來實現(xiàn)通訊，并可以設定脈沖當量數(shù)，用戶量程，高低報警界限等參數(shù)。

      3 軟件設計

      uC/OS-II是源代碼公開的實時嵌入式操作系統(tǒng)，它具有可移植性強、可裁減、搶占式多任務的實時內(nèi)核、任務棧、系統(tǒng)服務、可固化、穩(wěn)定性、中斷管理等特點，包含了任務管理、時間管理、任務間通信同步（信號量，郵箱，消息隊列等）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)建任務時只需調(diào)用這些中間件就可以完成對實際硬件的操作。左圖4說明了uC/OS-II的軟硬件體系結(jié)構(gòu)。應用程序處于整個系統(tǒng)的頂層，每個任務都可以認為自己獨占CPU，因而可以設計成為一個無限循環(huán)。uC/OS-II處理器無關的代碼提供了uC/OS-II的系統(tǒng)服務，應用程序可以使用這些API函數(shù)進行內(nèi)存管理、任務間通信以及創(chuàng)建、刪除任務等。由于設計uC/OS-II時就考慮到了在不同處理器上移植，因而移植uC/OS-II實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部分的文件。在uC/OS-II的網(wǎng)站www.uC/OS-II.org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。

      任務建立

      根據(jù)儀表的功能要求，系統(tǒng)設計了頻率測量，數(shù)據(jù)傳輸，A/D采集，數(shù)碼管顯示，儀表參數(shù)設置5個任務具體程序流程圖詳見圖。每個任務都有自己的名稱、內(nèi)存空間和優(yōu)先級。不同的任務必須有不同的優(yōu)先級，它們可以是0～62之間的任意值，數(shù)值越小優(yōu)先級越高。優(yōu)先級的設置有不同的依據(jù)，以本儀表為例，頻率測量的任務對時間要求，該任務的實現(xiàn)頻率直接關系到儀表的精度和響應速度，優(yōu)先級設為；串口通訊或CAN總線通訊要及時將所測流量值傳送給上位機，優(yōu)先級設置為高；顯示任務只是通過LED顯示瞬時流量值提供給用戶參考，優(yōu)先級設為次高；提供AD采集任務運行使用來采集油溫，為測量實際流量提供補償量，由于改量緩慢變化特性，對其采樣頻率不必太快，優(yōu)先級設為低；參數(shù)設置任務只實現(xiàn)人機交互，顯示狀態(tài)和參數(shù)對控制器性能沒有直接影響，優(yōu)先級設為。uC/OS-II要求為每個任務分配OS_STK類型的堆棧空間，并且它們占用的RAM存儲空間必須是連續(xù)的。任務延時是指任務執(zhí)行完畢處于掛起等待狀態(tài)到下一次重新運行之間的時間間隔，它的單位是時鐘中斷節(jié)拍。由于OS_TICKS_PER_SEC為100，每一拍為10ms。每個任務的調(diào)用間隔不能小于一個節(jié)拍，否則它將影響模擬量的采樣頻率。各個任務的屬性定義如表1所示。

表1 任務屬性定義
 

    各個任務是通過搶占CPU的使用權(quán)來運行的，它們之間存在一定的邏輯關系，彼此互相聯(lián)系又互相制約。信號量、郵箱、消息隊列等功能為實現(xiàn)任務間通信提供了有力工具，它們的使用方法靈活多變，如用信號量設置事件標志，喚醒任務、用郵箱在任務間傳遞參數(shù)、用消息隊列的循環(huán)尋址功能進行模擬通道的數(shù)據(jù)采集等。本儀表采用一個信號量SemSet，在出現(xiàn)按鍵中斷后該信號量置位，用來喚醒主程序中儀表參數(shù)設定任務。數(shù)據(jù)隊列Trans_Que，用來在頻率測量任務和通訊任務之間傳遞實際需要發(fā)送的參數(shù)。郵箱ADCMbox，郵箱PARAMboX和郵箱LEDMboX是分別用來在AD采集任務、參數(shù)設定任務、數(shù)據(jù)顯示任務與頻率測量任務之間建立聯(lián)系的紐帶。

      4 結(jié)論

      本儀表采用LPC2119處理器和uC/OS-II操作系統(tǒng)設計了一個針對脈沖輸出型流量計二次儀表，硬件結(jié)構(gòu)簡單成本低廉，軟件借助于操作系統(tǒng)的多任務管理，任務間同步與通信特點，提高了系統(tǒng)的可靠性和實時性。經(jīng)標準信號發(fā)生器輸出頻率范圍0－500KHz的方波信號，經(jīng)該儀表測量誤差均不超過0.5%。

      本設計創(chuàng)新之處在于大大降低了生產(chǎn)成本，約為國外同等產(chǎn)品的二十分之一，同時又實現(xiàn)了高精度，高可靠，安裝方便，使用簡單的要求。該儀表在實際工程項目中已大量使用。

      參考文獻：

      [1] Jean J.Labrosse著.邵貝貝譯.嵌入式操作系統(tǒng)uC/OS-II.北京航空航天大學出版社
      [2] 宋寅卯 張青波.基于uC/OS-II的旋轉(zhuǎn)體非接觸測溫系統(tǒng)[J].微計算機信息2005，10-2