針對(duì)渦輪流量計(jì)高精度采集器，設(shè)計(jì)相應(yīng)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)軟件，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程后臺(tái)自動(dòng)監(jiān)測(cè)流量的目的。系統(tǒng)將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)流體流速的功能，數(shù)據(jù)的傳輸通過RS485總線，將基于STC12C2052單片機(jī)設(shè)計(jì)的采集器傳送來的數(shù)據(jù)傳到后臺(tái)上位機(jī)上，在上位機(jī)通過C#寫的監(jiān)測(cè)程序進(jìn)行高精度較準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)待測(cè)流體流速，具有一定的實(shí)用性和創(chuàng)新性。
1 引言
    在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究試驗(yàn)中，要用氣體流量計(jì)對(duì)輸送管道流體進(jìn)行流量檢測(cè)。流量計(jì)分類廣泛，其中，渦輪流量計(jì)由于其測(cè)量精度高、穩(wěn)定性好、對(duì)流量變化反應(yīng)迅速，抗*力強(qiáng)等特點(diǎn)被廣泛運(yùn)用于測(cè)量精度要求高、流量變化快的場(chǎng)合，其輸出信號(hào)為正弦脈沖波信號(hào)，便于遠(yuǎn)傳及與PC機(jī)相連，這樣在PC機(jī)上的用戶界面上便于數(shù)據(jù)采集及處理和分析。本文所研究的渦輪流量計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過對(duì)渦輪流量計(jì)輸出電信號(hào)轉(zhuǎn)換成相同頻率的方波，對(duì)其脈寬進(jìn)行測(cè)量，將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正后現(xiàn)場(chǎng)液晶顯示，同時(shí)通過RS485串行通訊方式向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，由上位機(jī)的監(jiān)測(cè)程序可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)渦輪流量計(jì)測(cè)得的流速。
2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想
    渦輪流量計(jì)流量積算儀的輸出是與流速成正比的類正弦波信號(hào)，通過信號(hào)調(diào)理電路對(duì)此信號(hào)進(jìn)行濾波、放大、整形處理，輸入單片機(jī)采集信號(hào)的頻率，通過頻率計(jì)算渦輪流量計(jì)此刻測(cè)得的流速，將流速數(shù)據(jù)顯示在液晶屏上，同時(shí)單片機(jī)發(fā)出數(shù)據(jù)，通過RS485總線傳輸?shù)娇刂茩C(jī)房中的上位機(jī)處，上位機(jī)的監(jiān)測(cè)程序?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)渦輪流量計(jì)測(cè)得流速.
2.1 流速的處理
    對(duì)于流速的處理，一種方法是將渦輪流量計(jì)輸出正弦波進(jìn)行信號(hào)調(diào)理放大整形成方波，輸入單片機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù)，然后通過單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)計(jì)算流速。
    這種方法被廣泛應(yīng)用于當(dāng)前的渦輪流量計(jì)中，本系統(tǒng)原本的思想是測(cè)量半個(gè)波長的脈寬，以此來計(jì)算出一個(gè)波長，從而通過公式算出頻率，不過信號(hào)調(diào)理電路轉(zhuǎn)換出來的波形下脈沖要比上脈沖略寬（見圖2），目前是通過測(cè)量方波一個(gè)周期的寬度，來計(jì)算當(dāng)前的頻率，這使得數(shù)據(jù)相對(duì)于計(jì)數(shù)來平均計(jì)算更實(shí)時(shí)，更。
2.2 通信協(xié)議
   液位變送器在低速、短距離、無干擾的場(chǎng)合可以采用普通的雙絞線，反之，在高速、長線傳輸時(shí)，則必須采用阻抗匹配（一般為120Ω）的RS485電纜。本系統(tǒng)由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，干擾較強(qiáng)，下位機(jī)采用RS485串口通信。PC機(jī)默認(rèn)的只帶有RS232接口，有兩種方法可以得到PC上位機(jī)的Rs485電路：（1）通過RS232/RS485轉(zhuǎn)換電路將PC機(jī)串口RS232信號(hào)轉(zhuǎn)換成RS485信號(hào)，對(duì)于情況比較復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境是選用防浪涌帶隔離珊的產(chǎn)品。（2）通過PCI多串口卡，可以直接選用輸出信號(hào)為RS485類型的擴(kuò)展卡。本系統(tǒng)與上位機(jī)進(jìn)行通信，是采用*種方法，即通過RS-232、RS-485轉(zhuǎn)換模塊連接到上位機(jī)的串口上。
    通信協(xié)議是進(jìn)行串口通訊的基礎(chǔ)，為了使下位機(jī)傳給上位機(jī)的數(shù)據(jù)能被上位機(jī)準(zhǔn)確識(shí)別并且進(jìn)行運(yùn)算，本設(shè)計(jì)針對(duì)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用情況，制定了特定的通信協(xié)議，下位機(jī)傳輸兩個(gè)數(shù)據(jù)，一個(gè)是定時(shí)器測(cè)量的脈寬數(shù)據(jù)，還有一個(gè)是測(cè)量時(shí)間的數(shù)據(jù)，通過上傳這兩種數(shù)據(jù)，便于上位機(jī)實(shí)時(shí)分析測(cè)試數(shù)據(jù)。。
3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
3.1 下位機(jī)硬件框架圖
  硬件框架圖，渦輪流量計(jì)輸出信號(hào)進(jìn)入信號(hào)調(diào)理模塊，經(jīng)過處理送入單片機(jī)P3.2口，經(jīng)過單片機(jī)處理后，顯示在顯示模塊上，通過設(shè)置按鍵，可以設(shè)置渦輪流量計(jì)的儀表系數(shù)K值，顯示當(dāng)前流速和累積流量，數(shù)據(jù)傳輸模塊主要是MAX485，
3.2 STC12CZO52單片機(jī)簡介
    本系統(tǒng)下位機(jī)采用宏晶科技的STC12CZo52單片機(jī)，STC12CZO52是宏晶科技推出的STC12系列增強(qiáng)型8051單片機(jī)，速度比普通的8051快12倍，具有較寬的操作電壓范圍。其片上集成：256字節(jié)的RAM；15個(gè)通用可編程1/0口，可以設(shè)置成準(zhǔn)雙向口/弱上拉、推挽/強(qiáng)上拉、僅為輸入/高阻、開漏（復(fù)位后為準(zhǔn)雙向口/弱上拉模式）4種模式；EEpROM功能；2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；獨(dú)立的片內(nèi)看門狗定時(shí)器；全雙工異步串行口（L!ART）兼容普通的8051串口；指令兼容C8051，執(zhí)行的時(shí)間效率大幅提升。
    單片機(jī)接口如圖4。其中，RXD、TxD、CS端連接MAX485作為數(shù)據(jù)傳輸模塊，XTAL1、XTAL2連接一個(gè)11.0592MHZ的時(shí)鐘晶振，為單片機(jī)提供外部時(shí)鐘。OUT端是信號(hào)調(diào)理后的方波輸入端。
3.3 信號(hào)調(diào)理模塊
    信號(hào)調(diào)理電路主要任務(wù)，是將渦輪流量計(jì)傳感器部分傳送過來的信號(hào)輸入，通過LM324四運(yùn)放集成電路調(diào)理整形放大，輸出為0-3V的方波，方便單片機(jī)處理。
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
4.1 下位機(jī)（單片機(jī)程序設(shè)計(jì)）
  下位機(jī)程序采用匯編語言編寫，測(cè)量語句盡量精簡，以減少指令執(zhí)行周期造成的誤差，用TO做計(jì)數(shù)器，記錄一個(gè)周期的脈沖寬度，T1做波特率發(fā)生器。
  STC12C2052系列是1T的8051單片機(jī)，為了兼容傳統(tǒng)8051，定時(shí)器0和定時(shí)器1復(fù)位后是傳統(tǒng)8051的速度，即12分頻，這是為了兼容傳統(tǒng)8051。但也可不進(jìn)行12分頻，實(shí)現(xiàn)真正的1T?？梢酝ㄟ^設(shè)置一個(gè)特殊寄存器來提高單片機(jī)的速度。
    T0x12：設(shè)置為0時(shí)，定時(shí)器0是傳統(tǒng)8051速度，12分頻；設(shè)置為1時(shí)，定時(shí)器0的速度是傳統(tǒng)8051的12倍，不分頻。
    T1x12：設(shè)置為O時(shí)，定時(shí)器1是傳統(tǒng)8051速度，12分頻；設(shè)置為1時(shí)，定時(shí)器1的速度是傳統(tǒng)8051的12倍，不分頻。
    串口UART用定時(shí)器1做波特率發(fā)生器時(shí)，UART的速度由T1的溢出率決定。
    由上可知，將T0x12和T1x12都設(shè)置為1，即可實(shí)現(xiàn)采集時(shí)間的速度比傳統(tǒng)8051系列單片機(jī)快12倍，系統(tǒng)使用的外部時(shí)鐘晶振頻率為11.0592MHz，由此可算出小計(jì)時(shí)單位為0.09uS，這使得采集時(shí)間比同種渦輪流量計(jì)顯示儀表的設(shè)計(jì)更。并且串口通訊速度也比傳統(tǒng)8051系列單片機(jī)速度快。
4.2 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)
    上位機(jī)軟件采用C浮語言進(jìn)行編寫。軟件的主要功能如下：對(duì)端口的參數(shù)（如端口設(shè)置、波特率、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)等）進(jìn)行設(shè)置；通過設(shè)置“數(shù)據(jù)顯示”按鈕或者“曲線顯示”按鈕，對(duì)下位機(jī)傳輸上來的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行提取計(jì)算，將計(jì)算出的渦輪流量計(jì)輸出的信號(hào)頻率動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)顯示或者曲線顯示在RichTextBox控件中；可以保存數(shù)據(jù)為excel格式，便于將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析；當(dāng)顯示數(shù)據(jù)控件中的數(shù)據(jù)過多，可以點(diǎn)擊“清除窗口”按鈕進(jìn)行控件清零。由于不同的渦輪流量計(jì)參數(shù)K值的不同，本軟件只是顯示頻率，而流速則根據(jù)輸入K值來計(jì)算。
4.2.1 上位機(jī)與下位機(jī)的通訊程序
    由于下位機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)終是RS485轉(zhuǎn)RS232串口傳到上位機(jī)上，在C#中要接收串口通信，需要在Form窗體中添加SerialPort控件，程序所用到該控件的屬性和方法如表3。
表3 SerialPort串口通信控件的主要屬性與方法
    打開串口和關(guān)閉串口用的是一個(gè)Buton按鈕，寫打開/關(guān)閉串口程序中，用到一個(gè)互鎖，即一開始判斷串口是否打開正（comm.Isopen），如果當(dāng)前串口是打開的，則關(guān)閉串口，如果當(dāng)前串口是關(guān)閉的，則打開串口，并設(shè)置相應(yīng)的配置，即程序窗體上的端口設(shè)置部分，將設(shè)置的相應(yīng)數(shù)據(jù)存到相應(yīng)屬性中。后用一句判斷串口是否打開的語句來顯示按鈕的Text屬性：
    “Buton2.Text=comm..IsOpen?”“停止接收?”：“接收數(shù)據(jù)”；
4.2.2 數(shù)據(jù)處理
   差壓變送器數(shù)據(jù)處理部分是該軟件的重點(diǎn)部分，下位機(jī)傳送上來的數(shù)據(jù)正是通過此進(jìn)行處理，并顯示在RichTextBox中。數(shù)據(jù)處理是在serialPort控件中的DataReceived屬性進(jìn)行，首先在窗體初始化Private void form 1-Load （object sender.EventArgs e）中，寫上代碼：
    Comm.DataReceiVed+=DataReceived；添加事件注冊(cè)，即打開串口后，接收到數(shù)據(jù)進(jìn)入緩沖區(qū)，此事件就會(huì)自動(dòng)觸發(fā)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
    數(shù)據(jù)處理詳細(xì)過程：先聲明一個(gè)臨時(shí)數(shù)組buf來保存當(dāng)前來的串口數(shù)據(jù)，用serialPort.Read（buf，0，n）將緩沖數(shù)據(jù)保存在buf數(shù)組中。然后進(jìn)行一系列判斷，首先判斷數(shù)據(jù)是否接收完整，接著判斷數(shù)據(jù)的幀頭是否為FF，06（前面有介紹傳輸數(shù)據(jù)的格式），當(dāng)數(shù)據(jù)接收完整后，提取數(shù)據(jù)部分，也就是第3字節(jié)到第8字節(jié)一共6個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，將提取的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行處理，處理代碼如下：
    其中，data1為頻率，data2為采集間隔時(shí)間。處理好數(shù)據(jù)后，就可以將數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)顯示出來了。下面是將數(shù)據(jù)顯示在文本框中的代碼，運(yùn)用Invoke線程：
4.2.3 數(shù)據(jù)的保存
    顯示控件中的數(shù)據(jù)保存需要在Form窗體中添加saveFileDialog控件。首先將saveFileDialog控件的Filter屬性設(shè)置為TxT文檔（*.txt）|*.txt|Excel文件（*.xls）|*.xls，這樣保存的文件類型可以選擇為txt文本文檔或是excel表格文檔，可以根據(jù)需要設(shè)置為其他類型的文件。然后再窗體中添加button控件，控件的Click時(shí)間添加處理程序button6_Click，程序代碼如下：
    5 結(jié)論
    本系統(tǒng)由于是運(yùn)用在工廠，對(duì)抗干擾要求比較高，在研究期間一直不斷改善硬件的抗干擾性及穩(wěn)定性，并且對(duì)程序的不斷修改優(yōu)化，不斷減少冗余語句以提高測(cè)量的精度，通過實(shí)驗(yàn)室測(cè)試以及工廠的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試可以得出本系統(tǒng)測(cè)量范圍在0.66Hz-7000Hz之間，而渦輪流量計(jì)輸出頻率高不會(huì)超過6000Hz，故系統(tǒng)滿足要求。下位機(jī)程序中定時(shí)器運(yùn)用溢出中斷方式比循環(huán)等待方式測(cè)量得出數(shù)據(jù)精度高1%-2%。現(xiàn)在穩(wěn)定的程序的精度普遍在0007%-0.1%之間
    本系統(tǒng)利用STC12CZO52系列單片機(jī)的不分頻設(shè)置，提高了計(jì)時(shí)速率和串口通訊的速率，實(shí)現(xiàn)了對(duì)渦輪流量計(jì)測(cè)量流速的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并且能夠方便分析數(shù)據(jù)，以進(jìn)一步研究更為的測(cè)量方式，在技術(shù)不斷更新的今天，本系統(tǒng)有繼續(xù)研究下去的意義。