陳立華 ，鄧芳芳 ，鄭應成

（1.廣西大學土木建筑工程學院，廣西省南寧市 530004 ；2. 廣西防災減災與工程安全重點實驗室，廣西省南寧市 530004；3.廣西壯族自治區(qū)水文水資源局， 廣西省南寧市 530023）

流速儀檢定車數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)研發(fā)與應用

陳立華1，2，鄧芳芳1，2，鄭應成3

（1.廣西大學土木建筑工程學院，廣西省南寧市 530004 ；2. 廣西防災減災與工程安全重點實驗室，廣西省南寧市 530004；3.廣西壯族自治區(qū)水文水資源局， 廣西省南寧市 530023）

為了解決華南水文儀器檢測中心儀器老化等的問題，研發(fā)了流速儀檢定車數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的硬件和上位機軟件。本研究重點解決該系統(tǒng)改造過程中的采集系統(tǒng)硬件設計、通信協(xié)議、數(shù)據(jù)庫庫表結構及儀器常數(shù)a和水力螺距b的計算。硬件電路設計方面采用隔離變壓器、核心電路與外圍電路單獨供電且通過磁耦合進行信號傳輸?shù)却胧┓乐垢蓴_信號對數(shù)據(jù)采集電路的影響；選擇不同的延時去抖動時間和延時判決時間實現(xiàn)去抖動。系統(tǒng)軟件方面設計了ASCII編碼的通信協(xié)議和數(shù)據(jù)庫庫表結構，實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的接收與解譯、參數(shù)計算、數(shù)據(jù)庫管理、信息查詢、生成報表等功能。通過現(xiàn)場測試，驗證了該系統(tǒng)能夠精確、快速地運行。

檢定；數(shù)據(jù)采集；信號處理；流速儀

1 研究背景

我國始于1943年模仿美國Price旋杯式流速儀生產(chǎn)轉(zhuǎn)子式流速儀[1]，20世紀70年代后流速儀在我國的應用得到快速發(fā)展。流速儀長期在野外進行工作，為了保證測量的準確性，《中華人民共和國計量法》第九條規(guī)定需定期對其進行強制檢定。為了規(guī)范流速儀檢定行業(yè)的工作，國家頒布了一系列相關行業(yè)標準：1995年，水利部頒布《直線明槽中轉(zhuǎn)子式流速儀的檢定》[2]；2008年，對檢定標準進行修訂，頒布《直線明槽中的轉(zhuǎn)子式流速儀檢定/校準方法》[3]?，F(xiàn)行標準規(guī)定了轉(zhuǎn)子式流速儀檢定的原理、設備、方法、證書、資料以及檢定槽的驗收等內(nèi)容。

當前我國共10處水文儀器檢測中心已經(jīng)擁有流速儀檢定系統(tǒng)。大多數(shù)檢定車的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)使用時間較長，華南水文儀器檢測中心更是存在系統(tǒng)設備陳舊、檢定效率較低等問題。1999年李琛[4]等人便對華東水文儀器檢測中心流速儀檢定車進行了全面的改造，2010年Qian Fei等[5]曾利用遠程測控系統(tǒng)和PLC對流速儀檢定車進行了改造，2012年周琪羽等[6]人也曾對東部水文儀器檢測中心流速儀檢定車進行了改造。本課題針對華南水文儀器檢測中心對其流速儀檢定車進行改造，研發(fā)流速儀檢定車數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)硬件與上位機軟件。

2 流速儀檢定車工作原理

國內(nèi)外流速儀的檢定方法并無太大的區(qū)別[7]。目前國內(nèi)外室內(nèi)流速儀的檢定設備由檢定槽、檢定車、軌道、控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、安全系統(tǒng)以及供排水系統(tǒng)等組成。流速儀檢定車工作原理：在橫斷面均勻的檢定槽中，在軌道上行駛的檢定車以若干穩(wěn)定速度牽引流速儀，使固定在測桿上的流速儀在靜水中行進，測定檢定車的速度和流速儀轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，對這兩組數(shù)據(jù)用方程式以及圖表建立相關關系[3]。現(xiàn)行流速儀檢定車可檢測的流速儀型號主要有10種，分別是LS25-1-1、LS25-3、LS25-1-2、LS25-1-A、LS10、LS68、LS78、LS 45、LS1206B、LS20。

在檢定流速儀過程中，將一定數(shù)量的流速儀懸掛于流速儀檢定車上（一般是3臺），通過測速輪測出前進的流速儀檢定車的車速，并將單片機檢測到的測試輪的脈沖、儀器的閉合周期送到計算機內(nèi)。以LS25-1-1型流速儀為例，當車速一定時在水下的儀器槳葉每轉(zhuǎn)20周，儀器內(nèi)部就有一個觸點閉合一次，時長是3轉(zhuǎn)，然后斷開，如此循環(huán)。張新書[8]所改造的流速儀檢定車，所使用的二次儀表只能搭配固定型號。而本次研發(fā)的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)并沒有限定檢測的流速儀型號，且新型號流速儀所有參數(shù)都可在以后檢測需要時自行添加。當檢測完畢時，將檢測數(shù)據(jù)上傳到計算機進行處理，采用最小二乘法擬合檢定公式參數(shù)。

3 流速儀檢定車數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)設計思路

根據(jù)華南水文儀器檢測中心的功能需求，設計流速儀信號采集系統(tǒng)框圖如圖1所示。將流速儀檢定車數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)分為兩個部分：流速儀檢定車數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)硬件和該系統(tǒng)上位機軟件。上位機指數(shù)據(jù)處理計算機，即本地的PC機；下位機指該系統(tǒng)硬件，即電路板單元。

3.1 數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)硬件設計思路

數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)硬件采用磁耦合電路，可同時接入三臺流速儀。信號采集系統(tǒng)是由數(shù)據(jù)采集接口電路，CPU（中心處理器）以及通信接口電路組成。流速儀脈沖信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集接口電路傳入CPU，采集流速儀的速度以及轉(zhuǎn)率，并將CPU計算的轉(zhuǎn)率傳到通信接口，然后經(jīng)由串口通信上傳至數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)上位機。

3.2 數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)上位機軟件設計思路

軟件開發(fā)和運行的操作系統(tǒng)為Windows 8；開發(fā)語言采用C#語言；開發(fā)平臺為Visual Studio 2010。數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)上位機軟件分為數(shù)據(jù)接收模塊、數(shù)據(jù)計算模塊、歷史查詢模塊、信息管理模塊4個模塊。該系統(tǒng)軟件采用ASCII編碼的通信協(xié)議與硬件系統(tǒng)相連，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收，上位機可實現(xiàn)數(shù)據(jù)解譯、數(shù)據(jù)擬合計算、數(shù)據(jù)庫管理、信息查詢、生成報表等功能。上位機通過該系統(tǒng)硬件檢測出的檢定車速度v和流速儀轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)率n完成一系列的數(shù)據(jù)處理工作。根據(jù)計算處理得到的全線平均相對誤差和全線相對均方差m數(shù)據(jù)可判斷流速儀是否合格，然后自動生成檢定報告，即完成檢定工作。

4 流速儀檢定車數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)改造關鍵技術

流速儀檢定車數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)改造的關鍵點在于采集系統(tǒng)的硬件設計、通信協(xié)議、數(shù)據(jù)庫庫表結構設計及儀器常數(shù)a和水力螺距b的計算。

4.1 硬件設計

數(shù)據(jù)采集電路所在的工作現(xiàn)場電磁環(huán)境十分復雜，存在伺服電機輻射出的極強電磁諧波、導軌等機械摩擦產(chǎn)生的靜電、滑動式供電回路產(chǎn)生的電磁火花干擾等，電路必須適應這種電磁環(huán)境并能穩(wěn)定、可靠地工作，這是本次電路設計的重點。為了實現(xiàn)這一的目標，從以下幾個方面對電路進行設計。

圖1 流速儀信號采集系統(tǒng)框圖Fig.1 Structure of signal acquisition system

4.1.1 抗干擾

從供電電路方面提高電路的抗干擾能力。數(shù)據(jù)采集電路與伺服電機等強電類設備共接一個電網(wǎng)，由于這些強電類設備的高能耗、強電磁輻射等特性會造成電網(wǎng)嚴重的干擾，數(shù)據(jù)采集電路直接連接這樣的電網(wǎng)將有嚴重的不良后果。本課題采取了多重措施防止干擾信號對數(shù)據(jù)采集電路的影響。一方面是采用隔離變壓器，充分利用其磁耦合、無電聯(lián)系的特性，以解決數(shù)據(jù)采集電路與強電設備電網(wǎng)共線的問題，而且對一些尖峰脈沖能起到很好的抑制作用；另一方面是核心電路與外圍電路單獨供電，數(shù)據(jù)采集電路設計分成外圍電路與核心電路兩部分，外圍電路是指與流速儀、檢定車速度信號盤及通信接口相連接的部分電路，核心電路是指波形整形及CPU等部分電路，兩者之間是通過光電耦合進行信號傳輸且沒有直接的電聯(lián)系，這個措施有效地抑制了干擾信號從地入侵的問題。

4.1.2 去抖動

數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)硬件應能根據(jù)不同型號的流速儀在不同的速度點，選擇不同的“延時去抖動”時間和“延時判決”時間。目前使用的轉(zhuǎn)葉式流速儀開關信號大多數(shù)為機械觸點式，這類開關抖動性大，特別在開關接觸及脫離的兩個位置上抖動十分明顯，這給準確判讀開關信號帶來了極大的困難，即便是相同型號的流速儀在不同的速度點上開關通斷的周期也有所不同，最大相差可達一個數(shù)據(jù)量級。況且實際檢定中流速儀的型號可能不同，不同的流速儀有著不同的轉(zhuǎn)響比和不同的轉(zhuǎn)率，因此用一個固定的延時去抖動時間和延時判決時間來判讀一個開關信號是不行的。該系統(tǒng)硬件設計的核心就是根據(jù)不同的流速儀在不同的速度點，能夠智能性地選擇不同延時去抖動時間和延時判決時間。

圖2 數(shù)據(jù)庫庫表關聯(lián)圖Fig.2 Relevance of database

4.2 數(shù)據(jù)庫庫表結構設計

本系統(tǒng)采用SQL Sever 2012數(shù)據(jù)庫，主要包含計算成果表、檢定計算表、基本信息類表，數(shù)據(jù)庫庫表關系如圖2所示。其中基本信息類表包含流速儀型號、送檢單位、儀器類型、檢定單位等有關常用參數(shù)；計算成果表共有20個字段，儲存計算信息；檢定計算表有11個字段，儲存計算數(shù)據(jù)；其余各只有一個字段，分別儲存常用信息。

4.3 通信協(xié)議

此次串口通信采用ASCII編碼的通信協(xié)議，波特率采用9600bps，8個數(shù)據(jù)位，1個停止位。通信協(xié)議中，上行（數(shù)據(jù)上行）是數(shù)據(jù)從下位機向上位機傳送；下行（數(shù)據(jù)下行）是數(shù)據(jù)從上位機向下位機傳送。以流速儀基本參數(shù)為例：

上行：AA AA+給定點速度+AB+Data_b+AC+Data_a+AD+轉(zhuǎn)響比+AE+1號流速儀是否檢定+AF+2號流速儀是否檢定+BA+3號流速儀是否檢定+BB+檢定點順序號（十六進制1個字節(jié)）+BC+采集信號個數(shù)（1個字節(jié)十六進制）+BD+參考轉(zhuǎn)率+BE+型號+BF+參考周期（s）+FF FF。

例 如：AA AA 33 2E 35 30 30 30 30 30 AB 30 2E 32 37 38 30 30 30 AC 30 2E 36 39 38 30 30 30 AD 32 30 2E 30 30 30 30 30 30 AE 31 AF 30 BA 30 BB 01 BC 14 BD 31 30 2E 30 37 39 31 34 30 BE 4C 53 20 32 35 20 41 BF 31 2E 39 38 34 32 39 37 FF FF

下行：EE +89 +FF FC FF FF

參數(shù)說明：EE EE為開始標識符，F(xiàn)F FF為終止標識符（“+”號不傳送）。

4.4 儀器常數(shù)a和水力螺距b的計算

擬合儀器常數(shù)a和水力螺距b時，根據(jù)《直線明槽中的轉(zhuǎn)子式流速儀檢定/校準方法》現(xiàn)行標準，不考慮低速和中高速對直線的影響度差別而對其直線部分統(tǒng)一擬合，用直線方程v=a+bn作為檢定結果，用檢定點擬合檢定公式時采用最小二乘法計算a、b值。最小二乘法公式具體如式（1）所示：

式中：a——流速儀的儀器常數(shù)，m/s；

i——測點個數(shù)；

N——參與計算的點數(shù)；

vi——測點實測速度，m/s；

ni——測點轉(zhuǎn)率，s-1；

b——儀器的水力螺距，m。

5 流速儀檢定車數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)功能

5.1 流速儀檢定車數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)硬件功能

該系統(tǒng)硬件功能主要為檢測流速儀的速率，采用觸摸式顯示屏，如圖3所示根據(jù)所測流速儀型號輸入?yún)?shù)、檢測序號、檢測信號個數(shù)，并確認流速儀是否檢測，則可點擊確認輸入?yún)?shù)。當檢定時，顯示屏將實時顯示時間、給定檢測點速度以及檢定車當前的速度等。待檢定車速穩(wěn)定后，便可按下開始采集鍵開始采集數(shù)據(jù)，每采集一個數(shù)據(jù)便會有蜂鳴器及LED燈提醒；采集完畢后，系統(tǒng)將計算出實測轉(zhuǎn)率和采集的平均速度，按下確認鍵將結果上傳給上位機，然后進行下一檢測點的檢測。

5.2 流速儀檢定車數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)上位機軟件功能

上位機軟件的四個模塊主要功能如下：

5.2.1 數(shù)據(jù)接收模塊

圖3 硬件界面圖Fig.3 Interface of hardware

本次研發(fā)采用Microsoft Communications Control控件（MSComm）[9]實現(xiàn)單片機與上位機的通信。該模塊能實時接收數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)上傳的數(shù)據(jù)，同時與下位機通信確認已接收數(shù)據(jù)。原軟件輸入檢測數(shù)據(jù)采用人工輸入浮點式數(shù)據(jù)，該次研發(fā)軟件可自動接收采集數(shù)據(jù)，接收速度快且采集的數(shù)據(jù)精度更高。若接收數(shù)據(jù)時顯示接收出錯，可按確認結果鍵重新接收數(shù)據(jù)。對于未檢測完畢的一組數(shù)據(jù)，可以選擇在數(shù)據(jù)庫中查找檢測日期及型號，補全未檢測完畢的數(shù)據(jù)。接收確認后對上傳的數(shù)據(jù)解譯，并將解譯后的結果給定一個檢定編號存入數(shù)據(jù)庫，以供隨時查詢和調(diào)用。

5.2.2 數(shù)據(jù)計算模塊

該模塊可查詢出數(shù)據(jù)解譯后的結果，根據(jù)v、n值選擇有效的檢測點擬合檢定參數(shù)a、b值，并在該界面輸入相應流速儀常用參數(shù)，例如送檢單位、檢定單位等，如圖4所示。根據(jù)擬合出的a、b值計算出儀器速度、相對誤差、絕對誤差等，繪出相關圖，由計算結果判斷檢測的流速儀是否合格，并將計算結果與信息存入數(shù)據(jù)庫，同時系統(tǒng)會自動根據(jù)計算結果生成Word文檔格式的檢定報告。

5.2.3 歷史查詢模塊

該模塊可查詢數(shù)據(jù)庫計算結果，共設有三個條件框可同時輸入查詢信息，支持按檢定編號、儀器類型、儀器號碼等條件進行查詢。在條件框選定需查詢的條件和輸入查詢關鍵字后，按下查詢條件按鈕后就可查詢歷史結果以及計算信息，右下角將顯示查詢出符合條件的數(shù)據(jù)記錄數(shù)，并可根據(jù)需要將查詢結果按Excel文件導出。

5.2.4 信息管理模塊

該模塊提供了強大的多數(shù)據(jù)表數(shù)據(jù)管理功能，可根據(jù)選擇出的條件顯示出相應的流速儀常用信息表，包括檢定單位、送檢單位、儀器類型等數(shù)據(jù)表，主要功能是對常用信息進行添加、修改、刪除記錄等管理操作，能滿足用戶大多數(shù)的要求。

6 應用與驗證

根據(jù)華南水文儀器檢測中心的要求，對研發(fā)的流速儀檢定車數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)進行了測試。

（1）數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)硬件：經(jīng)驗證，流速儀檢定車數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)硬件實現(xiàn)了設計的一系列功能，可實時獲取流速儀車速以及轉(zhuǎn)率，由此可以看出抗干擾措施、去抖動措施有效，該硬件可以正常使用。

圖4 數(shù)據(jù)計算界面Fig.4 Interface of calculation

（2）數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)上位機軟件：檢定數(shù)據(jù)可上傳到上位機；據(jù)測得的數(shù)據(jù)，在該上位機軟件上可以正確的擬合出a、b、全線平均相對誤差和全線相對均方差；計算完畢后，可將計算結果存入數(shù)據(jù)庫，并可自動生成檢定報告。以檢定編號為2015101103為例，共測得21個點，使用19個點進行擬合，全線平均相對誤差為0.8905，全線相對均方差為1.4586，該流速儀合格。

綜上所述，本課題所研發(fā)的流速儀檢定車數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)可有效地驗證流速儀是否合格，達到了預期的設計目標，說明該系統(tǒng)確實可行。檢定編號為2015101103的實例如圖4所示，該圖反映了在華南水文儀器檢測中心測試的結果表明改造后的系統(tǒng)滿足流速儀檢定的要求，擬合后的流速儀速度曲線圖與實測流速儀速度散點圖如圖5所示。

7 結束語

針對華南水文儀器檢測中心儀器老化等問題，按照該檢測中心的功能需求研發(fā)了流速儀檢定車數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的下位機硬件和上位機軟件：

（1）針對數(shù)據(jù)采集電路所在的工作現(xiàn)場復雜的電磁環(huán)境，重點進行了硬件電路設計以適應現(xiàn)場電磁環(huán)境。采用隔離變壓器解決數(shù)據(jù)采集電路與強電設備電網(wǎng)共線的問題；在電路設計中，將核心電路與外圍電路單獨供電，再通過光電耦合進行信號傳輸?shù)却胧┓乐垢蓴_信號對數(shù)據(jù)采集電路的影響；選擇不同的“延時去抖動”時間和“延時判決”時間實現(xiàn)“去抖動”。通過上述措施使得下位機能夠穩(wěn)定、可靠地工作。

圖5 擬合速度與實測速度關系圖Fig.5 Chart of fitting and the actual speed

（2）基于Visual Studio2010平臺和SQL Server 2012數(shù)據(jù)庫采用C#語言編寫代碼開發(fā)了系統(tǒng)軟件。在開發(fā)過程主要解決了以下關鍵問題：根據(jù)ASCII編碼的通信協(xié)議與該系統(tǒng)硬件進行數(shù)據(jù)通信；采用最小二乘法對檢測數(shù)據(jù)擬合計算出a、b；針對采集數(shù)據(jù)特點對數(shù)據(jù)庫庫表結構進行了設計，主要包括計算成果表、檢定計算表、基本信息類表。該軟件實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收、數(shù)據(jù)解譯、數(shù)據(jù)計算、數(shù)據(jù)庫管理、信息查詢等功能。

（3）通過對研發(fā)的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的現(xiàn)場測試，能夠快速、可靠地運行，驗證了該系統(tǒng)可以取代原系統(tǒng)在華南水文儀器檢測中心執(zhí)行流速儀的檢定工作。

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Research and Development of Data Acquisition and Processing System for Verification of Current Meter

CHEN Lihua1,2, DENG Fangfang1,2,ZHENG Yingcheng3
(1. College of Civil Engineering and Architecture, Guangxi University, Nanning 530004, China; 2. Key Laboratory of Disaster

In order to solve aging equipment of the South China Hydrological Instrument Testing Center， the data acquisition and processing system hardware and software of current meter calibration vehicle are reformed. This study focused on solving the key technology of hardware design， the system transformation process in the system of data communication protocol， database table structure design and the calculation of instrument constants and hydraulic screw pitch. The design of hardware of the system using the isolation transformer， and the core circuit powering peripheral circuit alone and through the photocoupling for signal transmission and other measures to prevent the influence of interference data acquisition circuit，select a different time of “delay to the jitter and delay judgment”decision to achieve “jitter”. Software of the system is designed by communication protocol by ASCII code and database table structure，realizes sending and receiving， data interpretation， calculation of parameters， database management， information query， report generation function. Through test， it is proved that the system can work accurately and quickly and reliably.

calibration； data acquisition； signal processing；current meter

TV53+8.4

A

570.1020

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.01.013

國家自然科學基金項目（51469002）；廣西科學研究與技術開發(fā)計劃（桂科攻1298005-6）。

Project Supported by National Natural Science Foundation of China（51469002）;Guangxi Scientific Research and Technology Development Program（Guangxi Science and Technology Project 1298005-6）.

2016-04-09

2016-05-20

陳立華（1980—），男，教授，博士后，主要研究方向：流域水文預報和水資源優(yōu)化配置。E-mail：zgfjclh@163.com

鄧芳芳（1992—），女，碩士研究生，主要研究方向：流域水文預報與水資源優(yōu)化配置。E-mail：1091763532@qq.com

鄭應成（1960—），男，工程師，主要研究方向：水文儀器檢測與管理。E-mail： 737894069@qq.comPrevention and Safety Engineering in Guangxi, Nanning 530004,China; 3. The Guangxi Zhuang Autonomous Region Hydrology and Water Resources Bureau, Nanning 530023, China)