智能電磁流量計中各功能模塊的劃分和C語言實現(xiàn)

智能電磁流量計中各功能模塊的劃分和C語言實現(xiàn)
    智能電磁流量計轉(zhuǎn)換器的工作過程，不僅要求CPU對來自傳感器的流量信號進(jìn)行采集、處理、運算、顯示，完成流量、流速的檢測。同時還要控制產(chǎn)生低頻矩形波勵磁電流、輸出流量的積算總量值和輸出模擬電流、頻率、數(shù)字通訊信號以及分時檢測傳感器的空管信號等等，所以本系統(tǒng)智能電磁流量計的軟件部分設(shè)計是比較復(fù)雜的，根據(jù)上面提到的各個功能，主要功能可以劃分為阻6’7’“491： 1、單片機(jī)看門狗保護(hù)； 2、數(shù)據(jù)采集部分控制； 3、鍵盤管理；4、LCD顯示控制； 5、寄存器管理； 6、勵磁控制； 7、輸入信號數(shù)字預(yù)處理； 8、流量計算； 9、報警； 10、空管及正反向流量檢測； 11、網(wǎng)絡(luò)通信。在這里，要說明的是，這些任務(wù)的操作并不總是順序執(zhí)行的，在很多時候需要并行地操作。如通信、鍵盤管理等在任何時候都有可能發(fā)生，流量計算可能消耗比較多的時間，數(shù)據(jù)采集需要定時進(jìn)行等等。當(dāng)然從指令層來看其程序仍是一條指令接一條指令順序執(zhí)行，但從宏觀上來說，這些任務(wù)的處理是并行的。
   4．3．1系統(tǒng)主程序
   系統(tǒng)的主程序主要由主循環(huán)和初試化程序構(gòu)成，其流程見圖4_3所示，裝置上電復(fù)位或手動、硬件復(fù)位后，微處理器80C196KC就要響應(yīng)復(fù)位信號，然后程序從地址0x2080開始執(zhí)行。程序入口的個模塊是程序初始化模塊，包括對相關(guān)硬件的初始化和相應(yīng)參數(shù)的初始化。硬件初始化主要是完成開關(guān)量輸出初始化， 顯示芯片初始化，微控制器的中斷、串行口、定時器等硬件資源的初始化，主要是對特殊寄存器的復(fù)制賦值；相應(yīng)參數(shù)的初始化包括對程序中各個變量的初始賦值，比如對鍵值的初始賦值等；而主程序框圖中的各個子程序的執(zhí)行，指的是對一些功能模塊的初始設(shè)置，這里主要指LCD顯示模塊的初始工作設(shè)置，在系統(tǒng)開始上電或復(fù)位工作以后，應(yīng)在LCD上顯示一些特殊意義的信息，如儀表型號、生產(chǎn)廠家名稱、商標(biāo)等文字圖案信息。還有其他的子程序初始化包括數(shù)據(jù)采集初始化子程序在系統(tǒng)開始工作之前，應(yīng)對采集所存儲的地址指針清零等工作。在程序的主循環(huán)中，我們采用了檢測標(biāo)志位的方法，運用中斷服務(wù)程序產(chǎn)生各執(zhí)行的標(biāo)志位，通過對其標(biāo)志為的判定，來執(zhí)行相應(yīng)的子程序。圖4-3主程序流程框圖其中，特殊寄存器的操作如下： void Sfrslni《void) { WSr=OxOf； timerl=45536； wsr=Ox00； iocO=Ox01； iocl=Ox04； baud rate=Ox67； baud rate=OxSO； int pend=Ox00； intmask=Ox91； 腚時器1定時20ms，其中65．536ms為周期的計時／／O：hsi．0輸入使能。／／5：選擇p2．0為喇，2：定時器1中斷使能， 3：定時器2中斷使能，hsi保持寄存器被加載／／9600baud的設(shè)置： ，，中斷懸掛清零／／7：外部中斷，4：hsi．0中斷，O：定時器1中斷，int_pendl=0x00； int_maskl=0x00；
    4．3．2各中斷服務(wù)子程序
   ，，中斷懸掛清零“撾tx．rx中斷此智能流量計軟件設(shè)計部分主要涉及到的中斷有3個，分別是定時器1中斷服務(wù)程序，外部中斷服務(wù)程序，HIS．0中斷服務(wù)程序：
   1、定時器1中斷[49-s3J：
   定時器1的中斷服務(wù)程序主要是用來控制勵磁方式和生成AD轉(zhuǎn)換信號，在我們這里設(shè)計的系統(tǒng)中，采用三值低頻矩形波的勵磁方式，通過控制negative和positive來調(diào)節(jié)勵磁的變化及控制AD轉(zhuǎn)換采集信號，當(dāng)程序初始化以后，一旦開啟中斷信號，此程序就一直在運行中，這里我們設(shè)定時器溢出時問是20ms，以8 個狀態(tài)作為一個周期，其流程如下圖4-4： 其相應(yīng)的程序如下： void timerlmanage(void) { if(count==8) 圖4-4定時器中斷流程圖count=O； Switch(count) ‘：tse0： negative-1；count++；break； casel： adflag-捌；count++；bre出case2： negative---O；count++；break= case3： count-t+；break； case4： positive--1；count++；break； case5： adflag=Oxff；count++；break； casc6： positive---0，count+l-；break； case7： ／／設(shè)定ad采樣標(biāo)志位adflag ／／設(shè)定ad采樣標(biāo)志位adflag count++；break； 出fault； ’ 由此我們可以得到單片機(jī)控制的勵磁低頻三值波為： Negative：廠—]廠—] Positive：廠—] 勵磁方式：
   2、外部中斷服務(wù)程序：
    外部中斷服務(wù)程序的執(zhí)行，主要用來控制對ADS7806轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)讀取，因為有對A／D轉(zhuǎn)換讀取的實時性，我們用外部中斷來完成這個功能，部分程序如下陋郴s】： #pragma interrupt(adbusy 2n { RC-=I； BYTE--O； ，·進(jìn)入讀模式，選擇高字節(jié)+／ uh=*(unsigned char*)adcs； ／．讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果的高8位’， BYTE=l； ／．選擇低字節(jié)·， ul=’(unsigned char*)adcs&OxfO； ，’讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果的低4位’， u=uh’256+ul；if(u>--0x0800) II=u脅固00； ，．如果為負(fù)值，則符號擴(kuò)展．， Atray[i]=u； I++： ADflag=0xff； ，·數(shù)據(jù)讀取后的保存．， ，．AD轉(zhuǎn)換標(biāo)志位．， )ADS7806u的具體轉(zhuǎn)換工作可以參考第三章第2節(jié)，在這里，我們設(shè)定了連續(xù)采集N個點的采集方式，當(dāng)ADflag=0xff時，設(shè)定的ADS7806開始工作，進(jìn)行模擬信號的采樣轉(zhuǎn)換工作，R／C為低電平，然后等待轉(zhuǎn)換的完成，BUSY產(chǎn)生高電平， 所以使得外部中斷服務(wù)程序的執(zhí)行。麗對于主程序中對AD的管理程序見如下： while(adflag=--Ox田／／ad轉(zhuǎn)換程序{ adflag--0x00； ，，設(shè)置轉(zhuǎn)換標(biāo)志位uh=’(unsigned char‘)adcs；，，i筮中C8位，啟動AD采樣轉(zhuǎn)換R／C=0； while(!adflag) ，，等待中斷，完成AD的讀取{ )； if(i--N) ／厥N個采集點{ i--1； adflag--0x00； } ’ 3、HIS．0中斷服務(wù)程序： q P ——卜—+一圖4-5按鍵過程中接觸電阻變化情況HIS。0中斷服務(wù)程序主要完成對鍵盤管理工作，對于鍵盤處理，包括硬件和軟件兩部分，硬件電路可以參考第三章第3節(jié)，而對于軟件的處理，主要包括識鍵； 譯鍵及可能的鍵義分析。因為按鍵是機(jī)械結(jié)構(gòu)，在鍵閉合與彈開的時候，往往會產(chǎn)生抖動，若系統(tǒng)處理不好，一次按鍵會被誤認(rèn)為是連續(xù)按了多次鍵。因此， 必須對按鍵的抖動作相應(yīng)的處理。圖舡5是一個典型的按鍵過程中的觸點電阻變化情況。一般按鍵抖動時間大約10～20ms，因此，處理程序在按鍵穩(wěn)定后再檢查鍵的信息。當(dāng)然，克服按鍵抖動常用的方法有兩種：一種是用硬件，即在每個鍵上加RC濾波電路或用一個RS觸發(fā)器組成防抖動的電路，另一種方法是用軟件延時程序，待按鍵狀態(tài)穩(wěn)定后(10--20ms)再去讀取信息，從而防止誤判斷。在本系統(tǒng)中，我們采取的是軟件消除鍵盤抖動的方式，當(dāng)有按鍵下按時，就會有一個HIS．0的中斷，在中斷服務(wù)程序里，先有一定的延時，這里我們設(shè)為10ms， 然后再進(jìn)行鍵值的讀取。HIS．0的中斷服務(wù)程序如下【““j“圳： 卻ragma interrupt(keymauage=4) { int_mask=intmask&Oxef； f}屏蔽HSIO； delay_lores； keyvalue=’key_cs； KeyShowld=0xff； int_pending=int pending&0xef；腑苛中斷懸掛寄存器HSIO位； int_mask=Ox91； ，，取消屏蔽的HSIO； }
   4．3．3系統(tǒng)軟件其他功能模塊的開發(fā)
   一、看門狗陋”，刪
    WATCHDOG(俗稱“看門狗”)是單片機(jī)抗干擾的軟件措施，它具有的特點是本身能獨立工作，基本不依賴于CPU，CPU只在一個固定的時問問隔內(nèi)與其打一次交道，表明整個系統(tǒng)“目前尚屬正常”；另一個一個特點是當(dāng)CPU落入死循環(huán)后，能及時發(fā)現(xiàn)并使整個系統(tǒng)復(fù)位。我們這里采用的是W蛆℃HDOG硬件電路配合的措施，并不是純軟件的WATCHDOG系統(tǒng)。一般的。WATCHDOG硬件電路為一獨立于CPU之外的單穩(wěn)部件，可用單穩(wěn)電路構(gòu)成，也可用自帶脈沖源的計數(shù)器構(gòu)成。CPU正常工作時每隔一段時間就輸出一個脈沖，將單穩(wěn)系統(tǒng)觸發(fā)到暫穩(wěn)態(tài)。當(dāng)CPU陷入死循環(huán)后，再也不去觸發(fā)單穩(wěn)系統(tǒng)了，單穩(wěn)系統(tǒng)就可順利返回穩(wěn)態(tài)。利用它返回穩(wěn)態(tài)時輸出的信號作為復(fù)位信號，就可以使CPU退出死循環(huán)。這其中對于“喂狗”時機(jī)的考慮，也就是指復(fù)位“看門狗”，一般安排在等待查詢的循環(huán)體內(nèi)部、耗時很大的函數(shù)體內(nèi)部或主程序任務(wù)隊列中，下面就是一個“喂狗”的程序： void ClrRst(void) { unsigned char temp； if(RelyConFlag—Oxm{ temp=ioportl； temp=temp&Oxef ioportl=lemp； } }
   二、輸入處理及流量計算【枷拈】
   由于流量儀表采集到的數(shù)據(jù)與實際流量值間只有線性的對應(yīng)關(guān)系，它們的單位并不相同，流量儀表不能將采集到的數(shù)據(jù)直接作瞬時流量數(shù)據(jù)使用，必須對其進(jìn)行必要的轉(zhuǎn)化。此模塊就是用來將采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為流量數(shù)據(jù)，其程序流程如圖4-6所示。由于外界隨機(jī)干擾的影響，系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)有時也會隨機(jī)偏離實際的流量值。為了得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，我們在系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理前采用數(shù)字濾波來濾除干擾的影響。此外，為了消除測量信號與實際流量值間非線性誤差的影響， 我們對采集到的數(shù)據(jù)實施了非線性補(bǔ)償。[互口@ 圖4-6運算子程序框圖數(shù)字濾波實際上是一種程序濾波。它通過一定的計算程序，減少干擾在有用信號中的比重。與常規(guī)的硬件模擬濾波器相比，有以下幾個優(yōu)點：
   1)N為用程序濾波，無需硬件設(shè)備，且可多通道共享一個濾波器(共同調(diào)用同一個子程序)；
  2油于不用硬件設(shè)備，各回路間不存在阻抗匹配等問題，故可靠性高，穩(wěn)定性好；
   3)可以對頻率很低的信號濾波，克服了模擬信號濾波的缺陷．且可根據(jù)需要選擇不同的濾波方式，或改變?yōu)V波器的參數(shù)，方便、靈活。因此數(shù)字濾波得到了廣泛利用。
   數(shù)字濾波主要有以下幾種方法：
  1、程序判斷濾波
  當(dāng)采樣信號由于隨機(jī)干擾、誤檢測或變送器不穩(wěn)定引起嚴(yán)重失真時，可采用程序判斷濾波。程序判斷濾波是根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗，確定出兩次連續(xù)采樣輸入信號可能出現(xiàn)的偏差，若超過此偏差值，認(rèn)為是虛假的干擾信號應(yīng)該去掉，否則保留該采樣值。基本程序是比較判斷，其中還可分為限幅和限速兩種方法。
   2、中值濾波
  中值濾波是對連續(xù)采樣輸入的三個信號進(jìn)行比較后取中間值。設(shè)三次采樣輸入分別為yl，Y2，y3若Y。<y2<)，3，則取)，2為本次采樣有效信號。中值濾波對偶然因素引起的脈沖性干擾十分有效。對緩慢變化的過程參數(shù)采用此法有良好的效果，但不宜用于快速變化的過程參數(shù)。
   3、算術(shù)平均值濾波
   算術(shù)平均值濾波是尋找一個Y值，使該值與各采樣值間的誤差的平方和為最小，即“曲酬叫抄t川㈩由一元函數(shù)求極值的原理可求得y a搬叫㈤式中％為第k次采樣值；為采樣次數(shù)；Y為Ⅳ次采樣的算術(shù)平均值。顯然，N越大，結(jié)果越準(zhǔn)確，但計算時間也越長。算術(shù)平均值濾波將Ⅳ次采樣值同等對待，這就削弱了當(dāng)前采樣值在程序中的比重，有時為了提高濾波效果，將各次采樣值取不同的比例系數(shù)，然后再相加， 這種方法又常被稱為加權(quán)平均濾波，其運算表達(dá)式為Y一羅c。墨(4-3)式中q為比例系數(shù)，它應(yīng)該滿足了q=1，一般情況下，采樣次數(shù)越靠后，Ci取的比例越大，這樣可提高新近采樣值在平均值中的比重。
   4、一階慣性濾波程序
   無源濾波器RC電路是模擬量輸入通道常用的濾波方法，但對于低頻干擾卻因為RC參數(shù)難以實現(xiàn)，往往不能取得良好的效果。而一階慣性濾波是一種以數(shù)字形式實現(xiàn)低通濾波的動態(tài)濾波法。在濾波時間常數(shù)要求較大的場合，這種方法尤為實用。己知RC低通濾波器的濾波常數(shù)為GG)-l，6)／xG)-V∞s+1) (4．4) 其中，L-RC為低通濾波器的時間常數(shù)。將上式離散后可得YI一(1一aJyI_l+O口ft(4-5) 這就是一階慣性濾波的數(shù)字表達(dá)式。兒，兒。分別為第k次及t-1次采樣濾波后濾波器輸出值，濾波系數(shù)口-1-e—r／r1，T為采樣周期，當(dāng)r遠(yuǎn)小于L時，口．r／L。在程序濾波時，可通過實驗選擇適當(dāng)?shù)腖值，直到被檢測的信號不產(chǎn)生明顯的紋波為止． 通過對上面幾種數(shù)字濾波方法的分析、探討，我們發(fā)現(xiàn)平均值濾波方法適用于對流量信號的平滑處理。流量信號總是在某一數(shù)值范圍內(nèi)上下波動，有一個平均值存在，采樣一點是不準(zhǔn)確的，平滑程度取決于N，隨著N增大，平滑度提高， 但響應(yīng)速度降低。為了進(jìn)一步提高濾波效果，我們采用一種新的濾波方法，即將中值濾波法和平均值濾波法相結(jié)合，這種濾波方法稱為復(fù)合濾波。其設(shè)計思想是，連續(xù)采樣N 次，把采樣值按順序排隊，去掉值和最小值后，把N-2次采樣求平均值。這樣既可以去掉脈沖性干擾，又可以濾掉慢隨機(jī)起伏信號。
   三、電磁流量計LCD顯示№。”·61J
   顯示器對于儀表來說就像眼睛對于人來說一樣。良好的顯示界面是智能化儀表的發(fā)展趨勢。在本項目的設(shè)計中，我們采用了TRULY sEMIcoNDucToRS LTD的MsD-G12864點陣圖形示液晶顯示器來顯示數(shù)據(jù)信息，此液晶顯示的工作原理方面， 可以見第三章第五節(jié)LCD液晶顯示模塊部分，在軟件部分的設(shè)計中，主要討論液晶模塊的初始化、流體流速的顯示，流體累積流量的顯示和漢字的顯示等信息。按設(shè)計的要求，在正常運行和顯示狀態(tài)下，LCD能夠設(shè)置瞬時流量、累積流量及其單位，在查詢設(shè)置參數(shù)或參數(shù)設(shè)置狀態(tài)下，應(yīng)能顯示相應(yīng)的漢字提示、操作菜單和被顯示或修改的參數(shù)值。顯示功能模塊由鍵盤消息和運算子程序后產(chǎn)生驅(qū)動， 并根據(jù)狀態(tài)變量做出不同的反應(yīng)。下面給出了液晶顯示清屏初始化部分的程序： void IxdInitCs(unsigned char CS．unsigned int WrCommandAddr,unsigned洫WrDataAddr)unsigned char x，y； unsigned char+led； led=(u∞igned char’)WrCommandAddr, *lcd=0x3￡，／控制顯示開關(guān)，0011111x,O表示關(guān)，1表示開； *lcd；OxcO； ，，設(shè)置顯示的起始行。llxxxxxx for(xfOxbS；x<fOxbf；x++) ，，設(shè)置頁值1011 lxxx { ． LcdWaitBusyC_,s(cs)； led=(unsigned char+)WrConl】mandAddg ’led=x： for(yfOx40；y<=Ox7f；y++1 ，／設(shè)置列值01xx xxxx, { lxdWaitBusyCs(cs)； led=(unsigned char’)WICommandAddr, ‘led2 y； lxaWCaimusyCs(cs)； led=(unsigned char’)WrDataAddr, ’lcd=Ox00； ) ’