基于IEEE754標準的流量計表頭設計*

周家領

(眉山職業技術學院，四川眉山232001)

基于IEEE754標準的流量計表頭設計*

周家領*

(眉山職業技術學院，四川眉山232001)

針對目前國內大多數流量變送器僅輸出頻率信號和模擬電壓信號的現狀，研制了一種基于Modbus協議支持遠程實時監控的標準化表頭。按照IEEE754單精度浮點數標準由RS485負邏輯電平差分信號組成全雙工通信網絡，數據鏈路層基于Modbus議將流量計表頭所測數據傳輸至上位機。上位機監控系統采用亞控組態王軟件編寫，支持遠程訪問、數據超限報警、參數設定等功能。實驗結果證明:此標準化流量計表頭切實可行，調試結果滿足精度要求，且輸入電壓范圍寬、抗干擾能力強、通訊穩定可靠。

IEEE754;流量計;12C5A60S2;Modbus

1 國內外標準化流量表頭現狀與發展

目前國內市場上的流量計多數只具備有4 mA～20mA電流與脈沖輸出功能，而沒有通信接口。如果流量計要與上位機通信構成監控系統，還需要變送器再外接RS-232、RS-485、USB等標準通信接口把現場測量儀表和上位機連接起來［1］。

當前國外約89%的流量計采用mAHART通信協議，因為采用mAHART通信協議的流量計在安裝難度和操作要求上都低于采用modbus RTU協議的流量計，但是，隨著自動化水平不斷提高，用戶希望從流量測量中獲取更多的信息，比如，狀態檢測和診斷信息等，這些數據傳送都需要依賴通訊接口支持。西門子等行業巨頭正在著力推行現場總線協議的流量測量技術，這必將不斷推動現場總線協議流量計在各個行業的發展［2-3］。

2 系統整體方案概述

本標準化流量計表頭設計主要分成兩個部分即:整體硬件設計與軟件設計。其中硬件設計包含電源模塊，單片機系統，接口電路處理RS-485通信部分，RS-232通信部分，顯示模塊，PCB板制作。軟件設計主要包括Modbus標準協議在控制芯片中的實現，上位機監控軟件組態王編程。圖1為系統硬件結構圖。

圖1 系統硬件結構圖

本標準化流量計表頭支持寬電壓輸入，允許的最高輸入電壓為DC50V，RS-485通信電源與控制系統電源隔離，有助于提高系統穩定性抗干擾性，頻率測量與電壓測量功能可由功能按鍵或者上位機發送功能碼設定，輸入信號通過接口電路被單片機12C5A60S2采集與處理，之后單片機將需要現場顯示的數據送給1.8寸TFT顯示屏顯示，同時將相應數據按照Modbus標準幀格式打包通過RS-485發往遠程監控上位機。

3 硬件整體設計

3.1 電源模塊

任何系統電源都是設計首要考慮的問題，電源不穩定系統其他部分再好整體性能也達不到很好的效果，對此本設計就電源設計部分進行詳細描述，本次設計為提高電源工作效率降低發熱量縮小電路空間提高系統穩定性抗干擾性使用了開關電源芯片與電源隔離芯片。

圖2 電源模塊LM 2576T

本原理圖J1為外部電壓輸入端，支持7.0 V～50 V輸入通過調節可變電阻R6可有1.2 V～-50 V電壓輸出最大輸出電流3 A輸出電壓供下一級元器件使用。具體輸出電壓VOUT=VREF(1+R2/R1)。

為做到真正的電氣隔離，控制信號與收發信號獨立供電，采用了5 V輸入5 V隔離輸出的DC-DC模塊B0505s-1w。此級的輸入電壓來源于線性穩壓7805T的輸出。為了擴展本標準化表頭的通用性適應性增設電源輸出接口供其他器件使用，分別為第1級1.2 V～50 V可調輸出，在使用時不超過7805的最大耐壓值，第2級5 V線性電壓;第3級5 V隔離電壓輸出。

3.2 單片機模塊

本次設計中使用的控制芯片采用的是宏晶公司STC12C5A60S2系列單片機。

單片機最小系統由震蕩電路，復位電路，單片機和電源組成，單片機的P0口加了上拉電阻。根據官方技術文檔當時鐘頻率高于時鐘頻率高于12 MHz時，建議使用第二復位功能腳，可以不用C1，R1接1 kΩ電阻到地，此時的最小應用系統如圖3所示。

由7805T輸出5 V電壓供電，外接24 MHz晶振，P0口外接1 kΩ上拉電阻，P4.6為第二復位引腳按照官方技術文檔外接晶振超過12 MHz是推薦使用，本標準化流量計表頭外接24MHz晶振使用第二復位引腳。第一復位引腳P4.7外接一個1 kΩ電阻到地。

頻率測量功能實現:在測量外部脈沖信號頻率時本設計使用STC12C5A60S2單片機自帶的可編程計數器陣列(PCA)模塊。STC12C5A60S2集成了兩路PCA模塊，使用此模塊可實現軟件定時器、外部脈沖捕捉、高速脈沖輸出以及脈寬調制(PWM)輸出功能［4］。DA功能實現電路原理圖如圖4所示。

本設計輸出模擬信號運用于一般的場合無需很高的精度，12 bit的PWM可以完成設計要求。

STC12C5A60S2系列單片機的PCA模塊可以通過程序設定，使其工作于兩路12 bit PWM模式，即模塊CCAPMn寄存器的PWMn和ECOMn位置位。

由于兩路PWM的實現是基于同一個PCA定時器的，所以它們的輸出頻率相同。但各個模塊的輸出占空比可以獨立變化，具體占空比的值與所使用的捕獲寄存器［EPCnL，CCAPnL］有關。當寄存器CL的值小于［EPCnL，CCAPnL］時，PWM輸出波形為低電平;當寄存器CL的值等于或大于［EPCnL，CCAPnL］時，PWM輸出波形為高電平。當CL的值由FF累加溢出變為00時，單片機自動將［EPCnH，CCAPnH］的內容裝載到［EPCnL，CCAPnL］中。這樣就可輕松實現更新PWM占空比。輸出的PWM波通過低通濾波器即可輸出0～5 V的電壓。

圖3 STC12C5A60S2 LQFP44最小系統原理圖

圖4 STC12C5A60S2 PWM模擬DAC原理圖

3.3 通信接口電路的硬件設計

本標準化流量計表頭為實現基于Modbus協議的遠程監控，超限報警［5］。考慮到基于差分信號傳輸的RS-485總線本身具有抗干擾能力強等特點，在通信接口電路上選擇時下工業應用較多技術完善的RS-485接口標準，同時為了方便程序的下載調試擴展本流量計表頭的功能，增強其適應性又增加一RS-232接口。

STC12C5A60S2串口TTL電平到RS-485接口電平的轉換采用的是芯片MAX485。RS-485輸出電路設計關鍵是抑制線路上的各種干擾，輸出電路與傳輸線路特性阻抗的匹配。由于工程環境復雜干擾源不確定，485總線接口傳輸端一定要加有保護措施。在本次電路設計中采用能夠抗浪涌的TVS瞬態雜波抑制器件。在實際運用中，由于通信載體一般是雙絞線，它的特性阻抗為120Ω左右，所以為減少線路上傳輸信號的反射，在線路設計時，通常在RS-485網絡傳輸線總線的始末端各接1只120Ω的匹配電阻。

3.4 單片機程序設計

本標準化流量計表頭下位機編程設計的主要分成以下幾個部分:Modbus協議在單片機上的實現;電壓、頻率的高精度測量。PWM模擬DAC的實現。單片機編程流程圖如圖6所示。

4 上位機監控界面組態王

為了使單片機與組態王之間按照Modbus協議進行通信，本設計中使用組態王設備列表中的“莫迪康”。下位機調試階段定義的地址為1，所以此處地址選擇“1”。組態王中不同類型的寄存器格式對應于不同的變量類型，要使組態王能與下位機正常通信，必須保證上下位機數據的類型相對應。在Modbus規約驅動中，SwapF寄存器用于改變FLOAT型數據的字節順序，SwapL寄存器用于改變LONG型數據的字節順序，只有0，1，2，3 4種取值。在通訊時從0001地址讀取的4個十六進制值為HV1，HV2，HV3，HV4，則按iEEE754標準浮點數的格式。本文設定SwapF=0，轉換后浮點數對應的內存值為:HV4 HV3 HV2 HV1;單片機在相關數據輸出時也按照這種標準格式［6］。

圖5 RS－485光耦隔離電路原理圖

圖6 單片機程序流程圖

用戶可根據自己的具體要求，修改不同寄存器的內容。下位機具有AD采集、頻率測量、瞬時、累計流量顯示、功能設定等功能，下位機的地址可由用戶在上、下位機設定。如果在通訊過程中有設備斷線，組態王經過兩次查詢未果，將送出問號，并繼續與其他設備通訊。通過設定可定時查詢故障設備是否恢復通訊。具體寄存器配置如表1所示。

表1中所有的浮點數符合IEEE754標準;從站初始地址為十六進制的00～FF。

配置信息:波特率:4 800 bit/s。循環冗余校驗(CRC)，對全部報文內容執行校驗。除CRC校驗外，所發送字時均是先高位字節后低位字節。

組態王用于顯示的監控界面如上所示，累計流量定義到寄存器40001;流量系數可由后臺設定到寄存器4003，工況流速定義到寄存器4005;測得數據可以使電壓或頻率在寄存器4007顯示。組態王在顯示前可根據外界不同電壓范圍與測量的頻率范圍設定相應數值。設定界面如上所示，流量系數設定到寄存器4003，輸入的頻率最值與電壓最值直接決定輸出電壓的大小所以要在此設定。

表1 寄存器地址及定義

5 表頭精度實驗

為了驗證所設計表頭的精度，采用標準函數信號發生器輸出標準頻率信號、高精度穩壓電源輸出標準電壓信號供表頭采集。

表頭所需三級電源分別由插針引出，6路PCB接線端子分別對應于輸入電源，輸入頻率，輸入電壓，輸出電壓，按鍵，RS-232與RS-485通信，RS-232與RS-485有P6通過跳線帽按實際使用時需要短接。

調試測量數據誤差分析如表2所示。

通過以上數據分析可以看出，通過PCA捕捉測頻在50 Hz到500 000 Hz范圍內精度滿足設計要求;電壓測量在0～5 V范圍內精度滿足設計要求;通過PWM模擬DAC實現設計要求，總體調試結果滿意，系統穩定性高［7-8］。

圖7 精度測試實驗

表2 誤差分析數據表

6 結束語

本標準化流量計表頭可以實現0～60 kHz內(不用分頻器)的高精度測量通過對實測數據的誤差計算結果證明能夠滿足設定要求，在電壓測量與PWM模擬DAC實現上誤差也控制在本項目要求的范圍以內。總體來說本智能型標準化表頭緊跟物聯網發展的步伐同時具有現場顯示與遠程監控功能。與市場現有的單一顯示功能的產品相比更先進，更具市場占有率。調試結果與預期一致，具有測量精度高、輸入電壓范圍寬、抗干擾能力強、通訊穩定可靠等特點。符合智能儀表發展方向，可以逐步在市場上應用。

［1］林偉，徐林.智能V錐流量計的研究［J］.電子器件，2014，37 (1):17-21.

［2］ProfW K.IEEE Standard 754 for Binary Floating-Point Arithmetic［D］.University of California:Berkeley，October 1，1997.

［3］Kang Ding.Frequency Estimation Accuracy Analysis and Improvement of Energy Barycenter Correction Method for Discrete Spectrum［J］.Journal of Mechanical Engineering，2010，46(5):43-46.

［4］Fu Cong，Song Zhitang，Chen Houpeng，et al.A Novel Low Ripple Charge Pump With a 2X/1.5X Booster for PCM［J］.半導體學報(英文版)，2012，33(9):1-6.

［5］佟為明，胡素君，劉勇，等.一種體現Modbus主要技術的實驗系統［J］.電子器件，2009，32(4):834-839.

［6］盧文俊，冷杉，楊建軍.基于Modbus協議的控制器遠程監控系統［J］.電力自動化設備，2003，23(6):54-56.

［7］蒙建波，朱林章.自適應頻率測量方法(AMF)在渦街流量計中的應用［J］.自動化學報，1992，18(3):362-366.

［8］王保強，竇文，白紅.高精度測頻方案設計［J］.成都信息工程學院學報，2002(2):77-81.

周家領(1976-)，男，漢族，安徽毫州人，眉山職業技術學院教師，本科，講師;主要從事機械制造及其自動化方面的教學與科研工作，主持省級教科研項目1項，主持省級教科研項目1項，院級科研課題3項，主編出版教材3本，921183389@QQ.com。

Design of Flow M eter Based on IEEE754 Standard*

ZHOU Jialing*

(Mechanical Vocational and Technical College，Meishan Sichuan 232001，China)

In view of existing situation that frequency signal and analog voltage signal aremeasured bymany flowmeters，a standard gauge supported for remote real-timemonitoringwas developed based on the Modbus protocol.Half duplex communication network is composed of RS-485 with the feature of differential signal negative logic.Flow meter data in the form of IEEE754 single precision floating-point standard will be transmitted to the host computer in the datalink layer of the OSImodel based on Modbus protocol.PC monitoring system is programmed by the Kingview，supporting remote access，data overrun alarm，parameter setting and other functions.The experimental results show that:the standard flowmeter design is feasible，the debugging result is consistentwith the expected，has thewide input voltage range，strong anti-interference ability，stable and reliable communication etc.

IEEE754;volumetric flowmeter;12C5A60S2;Modbus

C:7320W;7250

10.3969/j.issn.1005－9490.2017.01.024

TH 85

:A

:1005－9490(2017)01－0125－05

項目來源:四川省教育廳一般項目(16SB0373)

2015-09-08修改日期:2015-10-18