陳 云,周武雷

(黔南民族師范學(xué)院物理與電子科學(xué)系,貴州 都勻 558000)

基于二進(jìn)制編碼尺的水位測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)*

陳 云,周武雷

(黔南民族師范學(xué)院物理與電子科學(xué)系,貴州 都勻 558000)

鑒于傳統(tǒng)水位測(cè)量?jī)x在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)化時(shí)產(chǎn)生較大誤差，提出了基于二進(jìn)制編碼尺的新型水位測(cè)量方法，該測(cè)量方法保證了水位檢測(cè)中水位信息的測(cè)量精度.同時(shí)采用CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，準(zhǔn)確地傳輸多路數(shù)據(jù),保證了水位信息的數(shù)字化傳輸和實(shí)時(shí)性.

CAN總線；水位傳感器；數(shù)字傳輸

中國(guó)水資源總量位居世界榜首，然而人均占有的水資源量卻僅為世界人均占有量的四分之一，這一形勢(shì)要求合理地利用水資源.除了要在興修水利工程、提高全民節(jié)水意識(shí)等方面做出努力，更重要的是要應(yīng)用新技術(shù)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地掌握各種水情信息，據(jù)此做好水資源調(diào)度，防患于未然，盡量減少水資源的浪費(fèi)[1].另外，在汛情指揮、洪水預(yù)報(bào)、以及保障船舶的安全航行等方面，同樣需要實(shí)時(shí)的掌握水情信息.進(jìn)行水位測(cè)量是人們了解水情信息的關(guān)鍵手段，利用測(cè)量的水情來(lái)指導(dǎo)工農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)，所以設(shè)計(jì)一個(gè)安全可靠的水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)人們的生活有著很大的影響.

圖1 總體設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的水位測(cè)量?jī)x在數(shù)據(jù)通信部分大多數(shù)是采用的RS422、RS232和RS485總線來(lái)傳輸.然而RS-232-C接口標(biāo)準(zhǔn)存在很多欠缺之處：RS-232-C的電氣接口電路采取單端通訊，其發(fā)送與接收電平差只有2～3V，共模抑制能力較差，抗噪性能弱,再加上信號(hào)線之間存在分布電容，其傳送距離最大為約15 m，最高數(shù)據(jù)傳輸速率為20kb/s.RS422、RS485總線的數(shù)據(jù)傳輸率理論上最高可達(dá)10 Mbps，傳輸距離可達(dá)1 200 m左右，它們所采取的差分接收形式的抗噪性也不錯(cuò)，但是RS422、RS232、RS485總線它們都存在主設(shè)備與從設(shè)備之分：即存在一個(gè)Master，其余的設(shè)備為Salve，而且Salve之間是不能夠互相通信的，這樣就使總線工作效率大大降低且增加系統(tǒng)的復(fù)雜性.控制器局域網(wǎng)(CAN)屬于現(xiàn)場(chǎng)總線，是目前現(xiàn)場(chǎng)總線中應(yīng)用比較廣泛的一種，CAN控制器可以以多種方式進(jìn)行工作，沒(méi)有主/從設(shè)備之分[2]；且CAN協(xié)議定義的是對(duì)所要通信的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，這樣可使不同的節(jié)點(diǎn)設(shè)備同時(shí)接收到相同的編碼數(shù)據(jù)，這樣就使得CAN總線的各節(jié)點(diǎn)設(shè)備之間可以進(jìn)行實(shí)時(shí)有效的數(shù)據(jù)通信，這樣方便構(gòu)成一種冗余結(jié)構(gòu)方式，使整個(gè)系統(tǒng)更加靈活可靠.

筆者設(shè)計(jì)一種二進(jìn)制編碼尺的水位傳感器,并采用CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)的數(shù)字化傳輸.水位信息由水位傳感器測(cè)得，然后經(jīng)下位機(jī)進(jìn)行處理，最后通過(guò)CAN總線進(jìn)行傳輸，直接用電腦接收水位信息并通過(guò)界面顯示水位信息.系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖1所示.

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1水位傳感器

水位傳感器的核心結(jié)構(gòu)是一個(gè)光電傳感器RPR220和一個(gè)垂直放置于水中的黑白刻度尺.根據(jù)RPR220的工作特性可以確定編碼刻度尺在不同時(shí)刻液面處所對(duì)應(yīng)的顏色，然后在根據(jù)編碼規(guī)則來(lái)確定液面高度[3].文中所使用的光電傳感器RPR220的主要構(gòu)成如圖2所示，該結(jié)構(gòu)包括1個(gè)Q(光電三極管)和1個(gè)D1(砷化鎵紅外發(fā)光二極管).當(dāng)RPR220中的D1(砷化鎵紅外發(fā)光二極管)發(fā)射的紅外光遇到黑色物質(zhì)時(shí)，紅外光被吸收，被反射回來(lái)的光線很弱，導(dǎo)致此時(shí)光電三極管截止，此時(shí)輸出高電平；若遇到白色物體，則能夠反射回強(qiáng)光，此時(shí)光電三極管由于受到光照射導(dǎo)通而輸出低電平.

圖2 RPR220的結(jié)構(gòu)

圖3 水位傳感器整體結(jié)構(gòu)示意圖

二進(jìn)制編碼尺設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖3所示，此處以5位二進(jìn)制編碼尺為例來(lái)描述編碼尺的工作原理.用5位二進(jìn)制來(lái)反映水位信息,則刻度尺需要從左到右平均分成5列.規(guī)定左邊為第1列，把第1列尺子從垂直方向平均分為2個(gè)部分，將下面部分涂黑，上面部分涂白；第2列從垂直方向均分為4個(gè)等份，依照前面的規(guī)則，每部分刻度尺輪流涂黑或者涂白；第3列從垂直方向把刻度尺均分為8個(gè)部分，從下往上,每部分依次輪流涂黑或涂白；依次類推，到第5列時(shí).尺子從垂直被均分為32個(gè)等分，從下往上,每等分輪流涂黑或者涂白.通過(guò)安裝在圖3中所示浮子上的5個(gè)RPR220即可反映出液面高度處所對(duì)應(yīng)的每列編碼尺的顏色，若在液面處某一列刻度尺的顏色為白色，則RPR220輸出低電平，反之輸出高電平.5個(gè)RPR220就可以同時(shí)讀出5列二進(jìn)制編碼尺的讀數(shù)，組成1個(gè)5位二進(jìn)制數(shù)，其中最左邊RPR220反映的數(shù)據(jù)信息對(duì)應(yīng)水位數(shù)據(jù)的最高有效位，最右邊則反映的結(jié)果則對(duì)應(yīng)水位數(shù)據(jù)的最低有效位.依次從左到右，由每個(gè)RPR220所讀出的一個(gè)二進(jìn)制數(shù)就是所要測(cè)的水位信息.如果最左邊傳感器的讀數(shù)為0，則說(shuō)明此時(shí)的水位超過(guò)編碼尺高度的1/2，接下來(lái)可以由第2列尺子進(jìn)一步精確液面高度，若第2個(gè)RPR220的示數(shù)也為0，則說(shuō)明此時(shí)水位超過(guò)編碼尺的3/4，依次往右可以一步步精確水位數(shù)據(jù)，如果設(shè)計(jì)一個(gè)5列的編碼尺可使測(cè)量的水位數(shù)據(jù)精度達(dá)到此二進(jìn)制編碼尺子高度的1/32，那么1個(gè)16列的編碼尺,則可使測(cè)量精度達(dá)到尺子高度的1/65536.

1.2下位機(jī)電路

下位機(jī)負(fù)責(zé)水位信息的采集及其傳輸，其核心電路如圖4所示，CAN收發(fā)電路如圖5所示.CPU選擇LPC11C14，它自帶一路CAN，外圍電路只需添加1個(gè)CAN收發(fā)器TJA1050即可.

圖4 下位機(jī)核心芯片

圖5 CAN收發(fā)電路

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

其數(shù)據(jù)采集和發(fā)送的流程如圖6所示.

圖6 數(shù)據(jù)采集和發(fā)送流程

2.2上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

為了便于觀察結(jié)果，文中采用PC機(jī)作為上位機(jī)來(lái)接收水位信息，這樣可以直觀地顯示水位數(shù)據(jù)信息，PC機(jī)上的數(shù)據(jù)接收與顯示界面采用Microsoft Visual C++來(lái)編程設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)的接收過(guò)程如圖7所示.

水位顯示如圖8所示,其中復(fù)位按鈕可隨時(shí)將顯示的水位信息復(fù)位，如果想查看當(dāng)前的水位信息則只需點(diǎn)擊圖8中的刷新按鈕即可.

圖7 數(shù)據(jù)接收

圖8 水位信息顯示框圖

3 結(jié)論

文中采用CAN傳輸數(shù)據(jù)，克服了傳統(tǒng)水位檢測(cè)系統(tǒng)采用模擬數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟蛔悖岣吡讼到y(tǒng)的抗干擾能力.并提出了一種新型的水位測(cè)量方法，此種水位測(cè)量方法中的水位傳感器采用光電傳感器設(shè)計(jì)制作的，保證了水位信息在測(cè)量中的精度以及傳輸過(guò)程中的數(shù)字化的傳輸要求.

[1] 龔壁建，何國(guó)榮，王偉民.三峽多級(jí)船闡水力學(xué)試驗(yàn)檢測(cè)與控制[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，1999，16(6)：35-38.

[2] 饒運(yùn)濤，鄒繼軍，鄭勇云.現(xiàn)場(chǎng)總線CAN原理與應(yīng)用技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

[3] 陳 云.基于嵌入式平臺(tái)的船舶水位自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究[D].武漢：華中師范大學(xué)，2011.

(責(zé)任編輯 陳炳權(quán))

WaterMeterBasedonBinaryEncodingDesign

CHEN Yun,ZHOU Wulei

(Physics Department,National Normal College of Qiannan,Duyun 55800,Guizhou China)

In view of the traditional water level measurement in the module of data transformation having larger error,the author designs a new type of water level measurement method based on binary encoding rule which ensures the accuracy and digital transmission in the water level automatic detection.Meanwhile CAN bus is used for data transmission which can achieve accurate transmission of multiplex data,ensuring the digital and linear transimission of water level information.

CAN bus;water-level sensor;digital transmission

1007-2985(2014)01-0042-04

2013-08-26

貴州省教育廳科研創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)(201329)資助項(xiàng)目；貴州省2013年省級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心(201310)

陳 云(1985-)，女，湖北咸寧人，黔南民族師范學(xué)院物理與電子科學(xué)系講師，碩士(華中師范大學(xué))，主要從事嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究；周武雷(1977-) 男，黔南民族師范學(xué)院物理與電子科學(xué)系副教授，碩士，主要從事材料物理、實(shí)驗(yàn)測(cè)量研究.

TP391

A

10.3969/j.issn.1007-2985.2014.01.010