1 引言
流量計(jì)廣泛用于現(xiàn)代工業(yè)測(cè)控對(duì)流體計(jì)量,，流量計(jì)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)集中管理是現(xiàn)代流量計(jì)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)化,、測(cè)量自動(dòng)化的發(fā)展趨勢(shì)[1]。MODEM(調(diào)制解調(diào)器)是遠(yuǎn)程通信方式之一,，利用工廠,、企業(yè)內(nèi)部或者公用電話交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)(Public Switched Telephone Network, PSTN)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)之間或中央控制室計(jì)算機(jī)與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)嵌入式系統(tǒng)之間進(jìn)行遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸。這種通信方式不受地點(diǎn)和時(shí)間的限制,，而且傳輸數(shù)據(jù)完全,、經(jīng)濟(jì)、方便,，不用另外布線,。因此，現(xiàn)代工業(yè)遠(yuǎn)距離測(cè)控傳輸中使用較多,。
遠(yuǎn)程流量計(jì)量系統(tǒng)一般由流量計(jì),、下位機(jī)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng),、通信介質(zhì)和PC機(jī)構(gòu)成，現(xiàn)有流量計(jì)的數(shù)據(jù)輸出一般有串口和4～20mA模擬信號(hào)兩種形式,。由于輸出的信號(hào)前者為數(shù)字量,，后者為模擬量，因此,，其數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理不同,，分別針對(duì)這兩種數(shù)據(jù)輸出形式，結(jié)合MODEM遠(yuǎn)程通信的優(yōu)點(diǎn)和單片機(jī)現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)的方便性,、實(shí)用性設(shè)計(jì)性價(jià)比較高的遠(yuǎn)程流量計(jì)量系統(tǒng),，尤其是合理設(shè)計(jì)下位機(jī)硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)和有效采取抗干擾的硬件和軟件措施是實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)功能的關(guān)鍵與核心技術(shù),。
單片機(jī)現(xiàn)場(chǎng)采集和發(fā)送各流量測(cè)量節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),。流量測(cè)量節(jié)點(diǎn)分布管網(wǎng)圖設(shè)計(jì)成用戶界面，通過上位機(jī)可以很方便地?fù)芡ǚ峙浣o各個(gè)測(cè)量節(jié)點(diǎn)流量計(jì)的電話號(hào)碼,，即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的適時(shí)顯示和集中管理,，實(shí)際應(yīng)用表明系統(tǒng)性價(jià)比高,，下位機(jī)工作穩(wěn)定可靠,，上位機(jī)能實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確顯示流量計(jì)數(shù)據(jù),。因此,，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有一定的技術(shù)創(chuàng)新意義和較大的實(shí)用價(jià)值
2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
遠(yuǎn)程流量計(jì)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程流量計(jì)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制和數(shù)據(jù)傳輸，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的重要參數(shù)和各節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀地顯示,。為了提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速度和增大傳輸距離,，提高系統(tǒng)的抗干擾能力和測(cè)控精度，本設(shè)計(jì)通過公用電話網(wǎng),，由中心計(jì)算機(jī)(上位機(jī),，PC)、調(diào)制解調(diào)器(MODEM),、單片機(jī)(下位機(jī))以及各流量測(cè)量點(diǎn)的流量計(jì)組建成遠(yuǎn)程流量計(jì)量系統(tǒng),。圖1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)原理框圖，系統(tǒng)采用兩級(jí)控制結(jié)構(gòu)：第一級(jí)為直接控制級(jí),，即單片機(jī)對(duì)遠(yuǎn)程流量計(jì)的數(shù)據(jù)(如：壓力,、溫度、瞬時(shí)流量和累積流量等)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集;第二級(jí)為過程管理級(jí),，即用一臺(tái)普通PC機(jī)來實(shí)現(xiàn),，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)各流量計(jì)參數(shù)和測(cè)量數(shù)據(jù)的管理和實(shí)時(shí)顯示，并且可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行系統(tǒng)的調(diào)整和擴(kuò)展,，所以上位機(jī)的監(jiān)測(cè)軟件包括通信模塊,、數(shù)據(jù)庫(kù)模塊和用戶界面三部分,。
圖1 系統(tǒng)原理框圖
遠(yuǎn)程流量計(jì)測(cè)量位置較分散，可以將各流量計(jì)的分布情況顯示在上位機(jī)上,，每個(gè)流量計(jì)用Command控件表示,，并且代表一個(gè)電話號(hào)碼，構(gòu)成所有流量計(jì)的分布示意圖,。通過上位機(jī)多點(diǎn)撥號(hào)的方式,，對(duì)應(yīng)的流量計(jì)數(shù)據(jù)經(jīng)過對(duì)應(yīng)的下位機(jī)電平轉(zhuǎn)換，傳入對(duì)應(yīng)的MODEM,，再經(jīng)過公用電話網(wǎng)從PC/MODEM適配卡傳入上位機(jī),。
3 下位機(jī)硬件、軟件設(shè)計(jì)
根據(jù)現(xiàn)有流量計(jì)的使用狀況和數(shù)據(jù)輸出模式,，一般數(shù)據(jù)輸入/輸出方式主要由：并行,、串行和4～20mA電流模擬信號(hào)。本系統(tǒng)針對(duì)后兩種數(shù)據(jù)輸入/輸出方式分別對(duì)下位機(jī)的軟,、硬件進(jìn)行設(shè)計(jì),。下位機(jī)的數(shù)據(jù)收發(fā)與控制器選用PIC16F877單片機(jī)。
3.1 下位機(jī)與流量計(jì)的串行通信
圖2為下位機(jī)與流量計(jì)之間采用串行通信方式時(shí)的電路原理圖,。上位機(jī)撥通測(cè)量節(jié)點(diǎn)流量計(jì)的電話號(hào)碼,，相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的MODEM相應(yīng)，數(shù)據(jù)傳送至下位機(jī)的MODEM(提供標(biāo)準(zhǔn)的RS-232接口),，經(jīng)RS-232/485電平轉(zhuǎn)換器進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換,，PIC16F877控制MAX485進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)。PIC的同步/異步收發(fā)模塊USART(25腳RC6/TX/CK和26腳RC7/RX/DT)接收來自流量計(jì)經(jīng)電平轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)反向傳輸給上位機(jī),。圖3是PIC與流量計(jì)之間采用串行通信方式時(shí)的流程圖,。
圖2單片機(jī)與流量計(jì)之間采用串行通信方式的原理圖
3.2 流量計(jì)采用4～20mA模擬信號(hào)輸出
當(dāng)流量計(jì)的輸出為4～20mA模擬信號(hào)時(shí)，采用如圖4所示的電路結(jié)構(gòu),，流量計(jì)數(shù)據(jù)以4～20mA電流信號(hào)輸出經(jīng)過一個(gè)250Ω的標(biāo)準(zhǔn)電阻R1轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào),，電壓量經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器ADS1202進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量進(jìn)入PIC16F877，由單片機(jī)的USART模塊發(fā)送給MAX232傳輸?shù)诫娫捑€,。
4 系統(tǒng)抗干擾措施
根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)使用情況,，提高下位機(jī)系統(tǒng)的抗干擾能力是整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠工作的主要保證,，所以,，以下重點(diǎn)從下位機(jī)硬件系統(tǒng)的干擾源和軟件系統(tǒng)兩方面介紹保證系統(tǒng)可靠工作的有效措施。
4.1 硬件系統(tǒng)抗干擾措施
解決好電路板本身的問題是提高系統(tǒng)抗干擾能力的基本措施,，如元器件的選擇,，線路布線以減少分布電阻和壓降、降低耦合噪聲,、減少高頻噪聲發(fā)射,、降低感應(yīng)噪聲,，減少IC插座數(shù)量。除此之外,，還應(yīng)采取如下抗干擾措施：
(1)系統(tǒng)接地的抗干擾設(shè)計(jì)
圖3 PIC16F877與流量計(jì)之間串行通信的流程圖
圖4 流量計(jì)采用4～20mA模擬輸出時(shí)的通信電路
制作PCB板時(shí)可以采用增加一層地線層的三層板,，地線層覆蓋的面積應(yīng)盡可能大，使高頻器件的地直接通過過孔與地線層連接,，使地線與信號(hào)線不并行排列,，從而可以減少感應(yīng)和輻射，數(shù)字地與系統(tǒng)安全地只在一點(diǎn)相連,，以免在地線之間形成回路,。(2)消除電源的尖峰干擾
尖峰干擾是從交流電網(wǎng)串入電源系統(tǒng)的干擾信號(hào)。消除尖峰干擾的基本方法是為單片機(jī)系統(tǒng)的電源加上濾波電容,。即在電源的輸入端并聯(lián)兩個(gè)電容進(jìn)行濾波和去耦,，其中大容量的電容負(fù)責(zé)過濾除低頻干擾，而小容量的電容負(fù)責(zé)過濾高頻干擾,。
(3)濾除晶振振蕩信號(hào)中的高頻噪聲
為了保證系統(tǒng)能夠得到理想的時(shí)鐘脈沖,，應(yīng)采取如下措施：選取性能穩(wěn)定、溫漂較小的晶振片;晶振片的安裝位置應(yīng)盡量靠近單片機(jī)芯片,，以減少振蕩脈沖信號(hào)傳輸?shù)木嚯x;在晶振片的兩端連接高頻濾波電容;必要時(shí)在振蕩器上加一個(gè)屏蔽罩,，并將屏蔽體與安全地在一點(diǎn)上連接。
另外,，將強(qiáng)信號(hào)和弱信號(hào)分開走線;芯片未使用的輸入端接地或接高電平,，而不懸空;在信號(hào)上接上上拉電阻(如圖4中的R2和R3),。
4.2 軟件抗干擾措施
完善的軟件設(shè)計(jì)對(duì)硬件系統(tǒng)的抗干擾措施起補(bǔ)充作用,，如設(shè)置自檢程序、設(shè)置軟件陷阱,、采用軟件冗余技術(shù)等,。
(1)設(shè)置自檢程序
在程序的特定部位或某些內(nèi)存單元設(shè)置標(biāo)志，在運(yùn)行中不斷進(jìn)行循環(huán)測(cè)試,，以保證系統(tǒng)中信息存儲(chǔ),、傳輸、運(yùn)算的高可靠性,。在上位機(jī)的軟件系統(tǒng)中,，每次從遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)讀取信息時(shí)，都要測(cè)試通信線路的連通性,。如果線路是維持連通的,，則直接讀取數(shù)據(jù);如果線路已斷開連接，則需要重新?lián)芴?hào)建立連接后再讀取數(shù)據(jù),。
(2)設(shè)置軟件陷阱
為避免程序運(yùn)行中跑飛,，使用PIC單片機(jī)的GOTO指令強(qiáng)行使程序跳轉(zhuǎn)到系統(tǒng)復(fù)位后的主程序入口處,，可以在系統(tǒng)的程序存儲(chǔ)器的空閑區(qū)或未使用的中斷區(qū)域設(shè)置陷阱。但是方法對(duì)于程序指針進(jìn)入數(shù)據(jù)區(qū)而導(dǎo)致的混亂無能為力,，這種情況要使用看門狗電路加以解決,。
(3)軟件冗余
在影響程序流向的關(guān)鍵語句前面加上幾條空操作NOP指令，以確保程序中關(guān)鍵語句的執(zhí)行時(shí)系統(tǒng)信號(hào)的穩(wěn)定,。
5 結(jié)束語
基于MODEM和PSTN設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程流量計(jì)量系統(tǒng),，是MODEM遠(yuǎn)程通信技術(shù)對(duì)遠(yuǎn)程流量計(jì)量的一種創(chuàng)新應(yīng)用，尤其是下位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)是該系統(tǒng)的核心技術(shù)和知識(shí)產(chǎn)權(quán),。