一种远程流量计量系统的设计

1 引言

　　流量计广泛用于现代工业测控对流体计量，流量计的远程监测和数据集中管理是现代流量计远程网络化、测量自动化的发展趋势[1]。MODEM(调制解调器)是远程通信方式之一，利用工厂、企业内部或者公用电话交换机网络(Public Switched Telephone Network, PSTN)实现计算机之间或中央控制室计算机与工业现场嵌入式系统之间进行远距离数据传输。这种通信方式不受地点和时间的限制，而且传输数据完全、经济、方便，不用另外布线。因此，现代工业远距离测控传输中使用较多。

　　远程流量计量系统一般由流量计、下位机数据传输系统、通信介质和PC机构成，现有流量计的数据输出一般有串口和4～20mA模拟信号两种形式。由于输出的信号前者为数字量，后者为模拟量，因此，其数据传输系统的设计原理不同，分别针对这两种数据输出形式，结合MODEM远程通信的优点和单片机现场采集数据的方便性、实用性设计性价比较高的远程流量计量系统，尤其是合理设计下位机硬件系统、软件系统和有效采取抗干扰的硬件和软件措施是实现整个系统功能的关键与核心技术。

      单片机现场采集和发送各流量测量节点的实时数据。流量测量节点分布管网图设计成用户界面，通过上位机可以很方便地拨通分配给各个测量节点流量计的电话号码，即可实现数据的适时显示和集中管理，实际应用表明系统性价比高，下位机工作稳定可靠，上位机能实时、准确显示流量计数据。因此，系统的设计具有一定的技术创新意义和较大的实用价值

　　2 系统总体设计

　　远程流量计量系统实现远程流量计的实时监测控制和数据传输，对系统运行的重要参数和各节点实时数据进行直观地显示。为了提高系统数据传输速度和增大传输距离，提高系统的抗干扰能力和测控精度，本设计通过公用电话网，由中心计算机(上位机，PC)、调制解调器(MODEM)、单片机(下位机)以及各流量测量点的流量计组建成远程流量计量系统。图1系统总体设计原理框图，系统采用两级控制结构：第一级为直接控制级，即单片机对远程流量计的数据(如：压力、温度、瞬时流量和累积流量等)进行实时采集;第二级为过程管理级，即用一台普通PC机来实现，主要实现对各流量计参数和测量数据的管理和实时显示，并且可以根据实际需要进行系统的调整和扩展，所以上位机的监测软件包括通信模块、数据库模块和用户界面三部分。

　　图1 系统原理框图

　　远程流量计测量位置较分散，可以将各流量计的分布情况显示在上位机上，每个流量计用Command控件表示，并且代表一个电话号码，构成所有流量计的分布示意图。通过上位机多点拨号的方式，对应的流量计数据经过对应的下位机电平转换，传入对应的MODEM，再经过公用电话网从PC/MODEM适配卡传入上位机。

　　3 下位机硬件、软件设计

　　根据现有流量计的使用状况和数据输出模式，一般数据输入/输出方式主要由：并行、串行和4～20mA电流模拟信号。本系统针对后两种数据输入/输出方式分别对下位机的软、硬件进行设计。下位机的数据收发与控制器选用PIC16F877单片机。

　　3.1 下位机与流量计的串行通信

　　图2为下位机与流量计之间采用串行通信方式时的电路原理图。上位机拨通测量节点流量计的电话号码，相应节点的MODEM相应，数据传送至下位机的MODEM(提供标准的RS-232接口)，经RS-232/485电平转换器进行电平转换，PIC16F877控制MAX485进行数据收发。PIC的同步/异步收发模块USART(25脚RC6/TX/CK和26脚RC7/RX/DT)接收来自流量计经电平转换的数据反向传输给上位机。图3是PIC与流量计之间采用串行通信方式时的流程图。

　　图2单片机与流量计之间采用串行通信方式的原理图

　　3.2 流量计采用4～20mA模拟信号输出

　　当流量计的输出为4～20mA模拟信号时，采用如图4所示的电路结构，流量计数据以4～20mA电流信号输出经过一个250Ω的标准电阻R1转换为电压信号，电压量经A/D转换器ADS1202进行A/D转换成数字量进入PIC16F877，由单片机的USART模块发送给MAX232传输到电话线。

　　4 系统抗干扰措施

　　根据实际经验和现场使用情况，提高下位机系统的抗干扰能力是整个系统稳定、可靠工作的主要保证，所以，以下重点从下位机硬件系统的干扰源和软件系统两方面介绍保证系统可靠工作的有效措施。

4.1 硬件系统抗干扰措施

　　解决好电路板本身的问题是提高系统抗干扰能力的基本措施，如元器件的选择，线路布线以减少分布电阻和压降、降低耦合噪声、减少高频噪声发射、降低感应噪声，减少IC插座数量。除此之外，还应采取如下抗干扰措施：

　　(1)系统接地的抗干扰设计

图3  PIC16F877与流量计之间串行通信的流程图

　　图4 流量计采用4～20mA模拟输出时的通信电路

　　制作PCB板时可以采用增加一层地线层的三层板，地线层覆盖的面积应尽可能大，使高频器件的地直接通过过孔与地线层连接，使地线与信号线不并行排列，从而可以减少感应和辐射，数字地与系统安全地只在一点相连，以免在地线之间形成回路。(2)消除电源的尖峰干扰

　　尖峰干扰是从交流电网串入电源系统的干扰信号。消除尖峰干扰的基本方法是为单片机系统的电源加上滤波电容。即在电源的输入端并联两个电容进行滤波和去耦，其中大容量的电容负责过滤除低频干扰，而小容量的电容负责过滤高频干扰。

　　(3)滤除晶振振荡信号中的高频噪声

　　为了保证系统能够得到理想的时钟脉冲，应采取如下措施：选取性能稳定、温漂较小的晶振片;晶振片的安装位置应尽量靠近单片机芯片，以减少振荡脉冲信号传输的距离;在晶振片的两端连接高频滤波电容;必要时在振荡器上加一个屏蔽罩，并将屏蔽体与安全地在一点上连接。

　　另外，将强信号和弱信号分开走线;芯片未使用的输入端接地或接高电平，而不悬空;在信号上接上上拉电阻(如图4中的R2和R3)。

　　4.2 软件抗干扰措施

　　完善的软件设计对硬件系统的抗干扰措施起补充作用，如设置自检程序、设置软件陷阱、采用软件冗余技术等。

　　(1)设置自检程序

　　在程序的特定部位或某些内存单元设置标志，在运行中不断进行循环测试，以保证系统中信息存储、传输、运算的高可靠性。在上位机的软件系统中，每次从远程节点读取信息时，都要测试通信线路的连通性。如果线路是维持连通的，则直接读取数据;如果线路已断开连接，则需要重新拨号建立连接后再读取数据。

　　(2)设置软件陷阱

　　为避免程序运行中跑飞，使用PIC单片机的GOTO指令强行使程序跳转到系统复位后的主程序入口处，可以在系统的程序存储器的空闲区或未使用的中断区域设置陷阱。但是方法对于程序指针进入数据区而导致的混乱无能为力，这种情况要使用看门狗电路加以解决。

　　(3)软件冗余

　　在影响程序流向的关键语句前面加上几条空操作NOP指令，以确保程序中关键语句的执行时系统信号的稳定。

　　5 结束语

　　基于MODEM和PSTN设计的远程流量计量系统，是MODEM远程通信技术对远程流量计量的一种创新应用，尤其是下位机的软件设计是该系统的核心技术和知识产权。