王 超，李雪亭，張海鵬，夏振盛

(1.海軍潛艇學(xué)院，山東 青島 266042；2.92330部隊(duì)，山東 青島 266000)

機(jī)電參數(shù)高精度實(shí)時(shí)測(cè)量方法研究

王 超1，李雪亭2，張海鵬1，夏振盛1

(1.海軍潛艇學(xué)院，山東 青島 266042；2.92330部隊(duì)，山東 青島 266000)

針對(duì)設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)高精度機(jī)電設(shè)備參數(shù)測(cè)量裝置需求，分析了測(cè)量熱工參數(shù)和電氣參數(shù)傳感器及其輸出信號(hào)形式的選取方法，研究了微控制器應(yīng)用及其與傳感器相接方法，設(shè)計(jì)了多任務(wù)機(jī)制程序結(jié)構(gòu)和精密整流電路。應(yīng)用表明該方法提高了測(cè)量裝置的測(cè)量實(shí)時(shí)性和測(cè)量精度。

機(jī)電設(shè)備；參數(shù)測(cè)量；技術(shù)；方法

熱工參數(shù)和電氣參數(shù)是判斷運(yùn)行中的機(jī)電設(shè)備或維修后的機(jī)電設(shè)備正常與否的重要依據(jù)。運(yùn)用傳感器(變送器)和微控制器設(shè)計(jì)機(jī)電設(shè)備運(yùn)行參數(shù)測(cè)量裝置，具有設(shè)計(jì)成本較低和設(shè)計(jì)周期較短的特點(diǎn)。機(jī)電設(shè)備運(yùn)行參數(shù)測(cè)量裝置主要由硬件和軟件組成，一般包括傳感器、微控制器、轉(zhuǎn)換電路、存儲(chǔ)器電路、電源電路、按鍵、顯示器及微控制器運(yùn)行程序等。在設(shè)計(jì)質(zhì)量高、性能好的機(jī)電設(shè)備運(yùn)行參數(shù)測(cè)量裝置的過(guò)程中，研究實(shí)時(shí)高精度測(cè)量機(jī)電參數(shù)技術(shù)和方法是設(shè)計(jì)機(jī)電設(shè)備運(yùn)行參數(shù)測(cè)量裝置的關(guān)鍵技術(shù)。

1 傳感器及其選用方法研究

1.1熱工參數(shù)與電氣參數(shù)傳感器分析

可用傳感器直接測(cè)量的熱工參數(shù)主要有壓力、流量、溫度、轉(zhuǎn)速、液位和位置等物理量，傳感器將這些物理量(非電量)轉(zhuǎn)換為與之有確定關(guān)系的電量[1]，供給微控制器處理。測(cè)量同一熱工參數(shù)可有多種不同的傳感器(原理、形式、精度、價(jià)格等不同)供選用，如流量傳感器(包括流量檢測(cè)儀表)就有10大類，約100余種。應(yīng)用中要對(duì)被測(cè)參數(shù)的量程范圍、安裝環(huán)境及測(cè)量精度要求等方面綜合考慮。一般選型可以從儀表性能、流體特性、安裝條件、環(huán)境條件和經(jīng)濟(jì)因素5個(gè)方面考慮，或者從測(cè)量方法、最大流量與最小流量、最高工作壓力、測(cè)量精度、流體成分、最高工作溫度與最低工作溫度和安裝環(huán)境等多方面考慮。在沒(méi)有合適的型號(hào)產(chǎn)品選取時(shí)，還可向廠家提出要求定制。

可用傳感器直接測(cè)量的電氣參數(shù)主要有電壓、電流(啟動(dòng)電流、穩(wěn)定電流)、頻率、相角、功率、相序和絕緣電阻等物理量，傳感器將這些參數(shù)轉(zhuǎn)換為與之有確定關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)電量，供給微控制器處理。測(cè)量同一電氣參數(shù)也有多種不同的傳感器可選，選取時(shí)一般從量程范圍、測(cè)量精度及安裝環(huán)境要求等方面綜合考慮。特別要考慮選用具有強(qiáng)弱電隔離性能的傳感器，以防止工作中產(chǎn)生干擾。例如，應(yīng)用通過(guò)端子、插針輸入或穿孔方式直接接入高電壓或大電流信號(hào)的電量隔離傳感器，既便于使用，又具有較好的抗干擾性能。在一些特殊場(chǎng)合采用非接觸式傳感器更利于提高測(cè)量裝置的安全性。

目前，各種智能化、數(shù)字化、帶有非線性校正和溫度補(bǔ)償?shù)母呔?、高穩(wěn)定度新型傳感器不斷出現(xiàn)。有些傳感器不需用戶二次開(kāi)發(fā)，就能直接應(yīng)用。選用這類新型傳感器可以簡(jiǎn)化測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)工作。選用傳感器時(shí)，還可以多選取幾種技術(shù)性能指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求的傳感器，進(jìn)行比較試用，從而發(fā)現(xiàn)不足、優(yōu)中選優(yōu)。

1.2傳感器輸出信號(hào)形式的選取研究

傳感器輸出信號(hào)具有電壓、電流、頻率(脈沖)和數(shù)字等形式。不同形式的信號(hào)，具有不同的特點(diǎn)。采用微控制器構(gòu)成參數(shù)測(cè)量裝置時(shí)，要將電壓、電流等模擬量經(jīng)高精度模數(shù)(AD)轉(zhuǎn)換送至微控制器，脈沖信號(hào)、數(shù)字信號(hào)可直接經(jīng)接口送至微控制器。

模擬電壓(電流)信號(hào)大小與被測(cè)參數(shù)成正比。標(biāo)準(zhǔn)模擬電壓信號(hào)通常為0～2.5 V、0～5 V或0～10 V等，電壓最大值對(duì)應(yīng)所測(cè)參數(shù)的量程。電壓信號(hào)便于高速采集信號(hào)，適用于采集實(shí)時(shí)性要求高的參數(shù)，但易受到干擾，適合于傳感器與模數(shù)(AD)變換器距離較近的場(chǎng)合。標(biāo)準(zhǔn)模擬電流信號(hào)通常為4～20 mA、0～20 mA或0～10 mA等，電流最大值對(duì)應(yīng)所測(cè)參數(shù)的量程。與電壓信號(hào)相比，電流信號(hào)抗干擾較強(qiáng)，適合于傳感器與模數(shù)(AD)變換器距離較遠(yuǎn)的場(chǎng)合及高速采集信號(hào)。

數(shù)字脈沖信號(hào)頻率與被測(cè)物理量成正比，輸出頻率最大值對(duì)應(yīng)所測(cè)參數(shù)的量程。這種輸出方式適合于傳感器與微控制器距離較遠(yuǎn)的場(chǎng)合，輸入時(shí)要在微控制器頻率測(cè)量端口前加整形電路。

數(shù)字編碼信號(hào)是一種通訊信號(hào)，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口與微控制器連接，如RS232、RS485或USB等，通過(guò)微控制器發(fā)送既定的指令，讀取傳感器輸出的所測(cè)參數(shù)數(shù)字代碼。采用RS485接口方式傳送距離較遠(yuǎn)，但信號(hào)采集速度受接口傳輸速率的限制。該信號(hào)方式不需模擬量信號(hào)調(diào)理電路，抗干擾能力強(qiáng)。

2 微控制器及其應(yīng)用方法分析

2.1微控制器分析

微控制器的應(yīng)用是設(shè)計(jì)機(jī)電設(shè)備參數(shù)測(cè)量裝置的關(guān)鍵技術(shù)。微控制器種類很多，應(yīng)用較廣的是MCS—51系列微控制器，其主要配置為4～64 k Flash ROM、128或256字節(jié)RAM、2～3個(gè)定時(shí)器、2個(gè)外部中斷及一個(gè)異步通訊接口(UART)等。隨著微控制器的發(fā)展，出現(xiàn)了很多兼容MCS—51內(nèi)核、資源更加豐富的新型微控制器。其中，Silicon Laboratories公司的高速混合信號(hào)處理SOC系列微控制器，除具有MCS—51系列微控制器的內(nèi)核外，還集成了AD、DA、PCA、I2C總線、交叉開(kāi)關(guān)、USB及CAN控制器等。例如，該系列的C8051F410型微控制器具有高速8051微控制器內(nèi)核。在時(shí)鐘頻率為50 MHz時(shí)，運(yùn)算速度最高可達(dá)50 MIPS；具有24個(gè)I/O端口，均可配置為上拉模式或開(kāi)漏模式，耐壓值為5 V；具有12位200 ksps的AD轉(zhuǎn)換器，并可配置為任意I/O口輸入，還可配置為差動(dòng)輸入，以提高抗干擾能力和轉(zhuǎn)換精度；具有2個(gè)12位電流輸出DA轉(zhuǎn)換器，可以實(shí)現(xiàn)模擬量輸出；具有16 kFlsah存儲(chǔ)器、2304字節(jié)RAM，可以裝載解決較復(fù)雜問(wèn)題的長(zhǎng)程序；內(nèi)部振蕩器精度達(dá)±2%，可支持UART操作。該控制器能夠勝任多數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理功能的需求。因此，它適用于研制開(kāi)發(fā)測(cè)量多種機(jī)電參數(shù)的參數(shù)測(cè)量裝置。

2.2編程語(yǔ)言和開(kāi)發(fā)軟件分析

由于參數(shù)測(cè)量中需要計(jì)算物理量，當(dāng)涉及浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算時(shí)，采用匯編語(yǔ)言編程較為復(fù)雜，而采用C語(yǔ)言編程則具有以下優(yōu)點(diǎn)：可以由編譯器自動(dòng)完成程序變量的分配，從而優(yōu)化程序結(jié)構(gòu)；可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)，增強(qiáng)程序的可讀性；可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，有利于提高數(shù)據(jù)處理能力；便于檢查與調(diào)試程序。

8051系列微控制器C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)環(huán)境的常用軟件有：Intel公司的ASM51、美國(guó)的Cybernetic Microsystem Inc公司的Cys8051、美國(guó)Keil Software公司的Keil C51、國(guó)內(nèi)的MedWin集成開(kāi)發(fā)環(huán)境及偉福集成開(kāi)發(fā)軟件等。其中Keil C51是一種集編輯、編譯和仿真于一體的微控制器開(kāi)發(fā)軟件。由于它是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的Windows應(yīng)用程序，使得開(kāi)發(fā)編譯過(guò)程完全在Windows界面環(huán)境下進(jìn)行。該軟件具有源代碼編輯、project管理、窗口功能和工具引用功能，它的人機(jī)界面友好，操作方便。并且其高效的C51編譯器可自動(dòng)編譯生成目標(biāo)文件(*.OBJ)，然后經(jīng)L51連接定位生成絕對(duì)目標(biāo)文件(*.ABS)，最后由OH51轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的HEX文件，形成可以直接寫(xiě)入程序存儲(chǔ)器的16進(jìn)制程序。

2.3端口資源的使用

若微控制器僅有數(shù)字端口，傳感器的模擬量信號(hào)要先經(jīng)AD變換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量再送到微控制器的輸入端口。若微控制器內(nèi)部有AD變換器，可直接將模擬量信號(hào)送至微控制器的模擬量輸入端口。傳感器的數(shù)字脈沖信號(hào)和數(shù)字編碼信號(hào)，要經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后與微控制器的數(shù)字量輸入端口或通信端口相連。先進(jìn)的微控制器通過(guò)軟件讀取AD變換結(jié)果、測(cè)量數(shù)字脈沖信號(hào)的頻率或讀取所測(cè)參數(shù)的數(shù)字編碼信號(hào)。如混合信號(hào)SOC FLASH微控制器C8051F410，其I/O端口可通過(guò)軟件配置為數(shù)字量或模擬量方式，以適應(yīng)不同信號(hào)輸入輸出要求。當(dāng)機(jī)電設(shè)備被測(cè)參數(shù)具有多種信號(hào)形式時(shí)，選用多種I/O端口方式的微控制器能夠簡(jiǎn)化電路的設(shè)計(jì)。

微控制器的端口是有限的，當(dāng)所測(cè)參數(shù)數(shù)量超過(guò)微控制器端口數(shù)時(shí)，需要擴(kuò)展端口。這時(shí)，可采用串并轉(zhuǎn)換芯片(如74HC595)擴(kuò)展端口。當(dāng)需要采用多個(gè)串口進(jìn)行通信時(shí)，可以用多路開(kāi)關(guān)構(gòu)成共享異步串行通信口。

3 機(jī)電參數(shù)實(shí)時(shí)性測(cè)量技術(shù)研究

3.1傳統(tǒng)測(cè)量方法的實(shí)時(shí)性缺陷分析

程序的任務(wù)機(jī)制對(duì)微控制器處理測(cè)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性影響很大。傳統(tǒng)應(yīng)用程序一般基于前后臺(tái)任務(wù)機(jī)制，程序的各功能模塊，按固定順序循環(huán)執(zhí)行。即多個(gè)任務(wù)構(gòu)成一個(gè)無(wú)限循環(huán)，執(zhí)行完一個(gè)模塊后再執(zhí)行另一個(gè)模塊。循環(huán)執(zhí)行的模塊被稱為后臺(tái)；當(dāng)產(chǎn)生中斷時(shí)，微控制器執(zhí)行中斷服務(wù)程序，這個(gè)模塊被稱為前臺(tái)。這種前后臺(tái)任務(wù)機(jī)制有一個(gè)不足，即某事件發(fā)生了，要等到程序循環(huán)到查詢?cè)撌录?biāo)志時(shí)才能得到處理，這就影響了測(cè)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，如：測(cè)量電流瞬時(shí)值時(shí)，由于處理時(shí)間延時(shí)，得不到準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

3.2多任務(wù)機(jī)制程序結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)性分析

基于多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的程序結(jié)構(gòu)，將項(xiàng)目功能分解為多個(gè)相對(duì)獨(dú)立的任務(wù)，CPU運(yùn)行時(shí)間被劃分為許多小時(shí)間片，各任務(wù)分別在各自的時(shí)間片內(nèi)訪問(wèn)CPU，從而產(chǎn)生了在微觀上輪流運(yùn)行，宏觀上并行運(yùn)行的實(shí)時(shí)效果，如圖1所示[2]。

圖1 多任務(wù)機(jī)制程序結(jié)構(gòu)圖

3.3多任務(wù)機(jī)制結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方法研究

小型實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTX—51Tiny是執(zhí)行多任務(wù)機(jī)制的有效平臺(tái)，基于它設(shè)計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)綜合處理軟件能得到較好的實(shí)時(shí)性。RTX—51Tiny完全集成在Keil C51編譯器中，運(yùn)行速度快，占用硬件資源少，使用靈活方便。它以C51函數(shù)調(diào)用的方式運(yùn)行，很容易使用C51編寫(xiě)和編譯一個(gè)最多16個(gè)任務(wù)的多任務(wù)程序，并嵌入到實(shí)際系統(tǒng)中。進(jìn)而按時(shí)間片循環(huán)任務(wù)調(diào)度，支持任務(wù)間信號(hào)傳遞，通過(guò)并行使用中斷，來(lái)提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

應(yīng)用時(shí)要注意2點(diǎn)：一是RTX—51Tiny不支持信號(hào)量操作，劃分任務(wù)時(shí)，應(yīng)將對(duì)同一外設(shè)的訪問(wèn)放在同一任務(wù)中；二是采用RTX—51Tiny，會(huì)增加編譯后的代碼長(zhǎng)度，在保證功能穩(wěn)定的前提下，應(yīng)盡量避免長(zhǎng)任務(wù)，優(yōu)化代碼，控制代碼長(zhǎng)度[3]，以免降低系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

4 機(jī)電參數(shù)高精度測(cè)量技術(shù)研究

4.1影響機(jī)電參數(shù)測(cè)量精度的原因分析

除了傳感器自身的感測(cè)性能的影響，微弱信號(hào)處理電路技術(shù)對(duì)機(jī)電參數(shù)測(cè)量精度也有較大的影響。如用傳感器(如跟蹤方式電流隔離傳感器)測(cè)量交流電流時(shí)，傳感器輸出電壓信號(hào)波形與被測(cè)電流瞬時(shí)值成正比，須經(jīng)整流后進(jìn)行AD變換。因二極管有正向電壓，弱小信號(hào)通不過(guò)傳統(tǒng)的二極管橋式整流電路，這就使得一部分信號(hào)丟失，影響測(cè)量精度。

4.2精密整流電路技術(shù)研究

利用運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)極大和輸入阻抗極高的特性，構(gòu)成如圖2所示的精密整流電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱信號(hào)的全波整流，做到完整地采樣瞬時(shí)值。當(dāng)輸入信號(hào)正半周時(shí)，A2輸出為更大的正信號(hào)，二極管D1反偏截止，D2正偏導(dǎo)通，運(yùn)算放大器A2利用A3輸入端虛短特性構(gòu)成電壓跟隨器，運(yùn)算放大器A3本身就構(gòu)成電壓跟隨器。所以，此時(shí)uo=ui。當(dāng)輸入信號(hào)在負(fù)半周時(shí)，A2輸出為更大的負(fù)信號(hào)。因此，二極管D2截止，D1導(dǎo)通，運(yùn)算放大器A2通過(guò)D1構(gòu)成電壓跟隨器，防止其處于開(kāi)環(huán)狀態(tài)。輸入信號(hào)利用A2輸入端虛短特性送至R1，而運(yùn)算放大器A3構(gòu)成反相比例放大電路，放大倍數(shù)為-R2/R1，如果R2=R1，則放大倍數(shù)為-1，所以最后輸出uo=-ui。這就實(shí)現(xiàn)了對(duì)微弱信號(hào)的全波整流。理論上本電路可對(duì)0～±VDD范圍內(nèi)信號(hào)整流，避免二極管整流700 mV電壓損失，確保模擬信號(hào)測(cè)量范圍，提高測(cè)量精度。

圖2 精密整流電路圖

4.3精密整流電路應(yīng)用

機(jī)電設(shè)備參數(shù)測(cè)量裝置的電流、電壓等模擬信號(hào)可能來(lái)自用整定電位器構(gòu)成的信號(hào)整定電路，其信號(hào)內(nèi)阻抗大，會(huì)引起測(cè)量誤差。通過(guò)運(yùn)用A1作電壓跟隨器，得到很高輸入阻抗、很低輸出阻抗的信號(hào)，以消除其影響。采用LT1014(開(kāi)環(huán)差模放大倍數(shù)大)型運(yùn)算放大器和1N4148型二極管制作電路，結(jié)果可以滿足測(cè)量精度要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于微控制器的機(jī)電設(shè)備參數(shù)測(cè)量裝置的核心部件是傳感器和微控制器，而參數(shù)測(cè)量的實(shí)時(shí)性和精度直接影響所設(shè)計(jì)參數(shù)測(cè)量裝置的性能指標(biāo)，必須采取有效的技術(shù)和方法來(lái)解決，以上是作者近年來(lái)在多種機(jī)電設(shè)備參數(shù)測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)實(shí)踐中，行之有效的幾個(gè)實(shí)用技術(shù)和方法。

[1] 徐科軍. 傳感器與檢測(cè)技術(shù)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[2]歐偉明.嵌入式應(yīng)用軟件任務(wù)劃分的原則[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2007(6):65-67.

[3] 岳洋,曹穎.基于小型操作系統(tǒng)RTX51-Tiny 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的無(wú)線終端[J].電子測(cè)量技術(shù)，2008，31(5):170-172，180.

In order to design the high-precision and real-time measurement device, the sensors for measurement thermal parameters and electrical parameters were analyzed and the output signals of sensors were studied. The micro-controller applications and its linking method with sensors were researched. The multi-task mechanism program and precision rectifier circuits were designed. It was shown that these methods can improve the high-precision and real-time characteristic of the measurement device.

electromechanical equipment； parameters measurement；technology；method

U665

10.13352/j.issn.1001-8328.2015.01.006

王超(1960-)，男，江蘇六合人，副教授，碩士，研究方向?yàn)榇半姎庠O(shè)備。

2014-10-23