王 超，姜應(yīng)戰(zhàn)，吳言鳳

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船用水泵綜合測量裝置設(shè)計

王 超，姜應(yīng)戰(zhàn)，吳言鳳

（海軍潛艇學(xué)院，山東青島 266042）

為綜合測量和集中顯示修復(fù)后的船用水泵性能參數(shù)，研究應(yīng)用傳感器和微控制器設(shè)計船用水泵測量裝置。在軟件方面，基于RTX-51Tiny實時操作系統(tǒng)設(shè)計數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)計算、鍵盤掃描和命令處理等多任務(wù)。在硬件方面，采用多種傳感器檢測流量、壓力、溫度、電壓和電流；設(shè)計模擬量、數(shù)字量和頻率等不同形式信號與微控制器的對接轉(zhuǎn)換電路；采用各種轉(zhuǎn)換芯片設(shè)計鍵盤、液晶顯示器和打印機與微控制器的通信接口電路。依據(jù)設(shè)計制成的船用水泵綜合測量裝置樣機實時性好、精度高，集中顯示測量結(jié)果。

水泵 測量 實時操作系統(tǒng) 多任務(wù)

0 引言

船用水泵修復(fù)后，通常采用分立的傳感器或儀表分別檢測水泵的進出口壓力、出口流量及其拖動電動機的電壓和電流等性能參數(shù)。為綜合測量和集中顯示小型船用水泵修復(fù)后的性能參數(shù)，提出應(yīng)用傳感器和微控制器，基于RTX51-Tiny實時多任務(wù)操作系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計船用水泵綜合測量裝置（以下簡稱裝置）。要求裝置具有測量水泵出口壓力、流量和溫度，測量電動機電源電壓和三相電流的功能，用液晶模塊集中顯示測量數(shù)據(jù)，并與水泵電氣控制電路相結(jié)合設(shè)置電動機過載保護功能。

1 硬件設(shè)計

1.1 組成

裝置硬件以C8051F410微控制器為核心配合外圍電路和傳感器構(gòu)成。設(shè)計中充分利用C8051F410微控制器的資源特點，降低硬件和軟件的復(fù)雜程度。圖1為裝置硬件組成框圖，包括電壓傳感器、電流傳感器、壓力傳感器、流量傳感器、溫度傳感器、微控制器、存儲器電路、轉(zhuǎn)換電路、交流采樣參考信號電路、電源電路、液晶顯示器及微型打印機等。

1.2 傳感器

互感型電量傳感器便于隔離強電和弱電。用互感型電壓隔離傳感器測量三相電源電壓，輸出信號為0～5 VDC；用互感型電流隔離傳感器跟蹤測量電動機三相電流，輸出信號為0～5 VAC。

用擴散硅壓力變送器測量壓力，輸出信號為0～5 VDC。

用電磁流量計測量流量，輸出頻率設(shè)定為0～5 kHz。

用非接觸紅外溫度傳感器測量溫度，輸出RS232方式的數(shù)字編碼信號。

這些傳感器輸出信號型式不同，要求裝置具有處理多種數(shù)據(jù)信號能力的特點。

1.3 C8051F410微控制器及端口分配

C8051F410微控制器（以下簡稱微控制器）是一種混合信號微控制器，具有以下特點[1]：高速8051微控制器內(nèi)核，運算速度在時鐘頻率為50 MHz時最高可達50MIPS；24個IO端口可配置為上拉模式或開漏模式，耐壓5 V；12位200 ksps的AD轉(zhuǎn)換器，可配置為任意IO口輸入，處理多種混合信號，還可配置為差動輸入，以提高抗干擾能力和轉(zhuǎn)換精度；兩個12位電流輸出DA轉(zhuǎn)換器；16 kFlsah存儲器、2304位RAM；內(nèi)部振蕩器精度為0.25％。

微控制器端口分配如下：P03輸入電量、壓力傳感器的模擬信號；P20、P21及P22控制信號切換；P07輸入流量傳感器的頻率信號；P06輸入電流采樣參考信號；P17輸出過流保護信號；P04、P05輸入溫度傳感器的數(shù)字通訊信號，同時控制LCD顯示；P10控制CD4052與LCD切換；P14、P15、P16鍵盤接口；P11、P13、P23、P26打印機接口；P00作I2C總線SDA信號線；P01作I2C總線SCL信號線。

1.3 電量信號和壓力信號調(diào)理電路

電量傳感器和壓力變送器輸出的電壓模擬信號經(jīng)整定電位器、多路開關(guān)（CD4051）和精密整流電路調(diào)理，以與微控制器的AD輸入信號標準相匹配。其中精密整流電路如圖2所示，本電路理論上可實現(xiàn)對0～±VDD范圍內(nèi)信號整流，它對微弱信號的全波整流，避免二極管整流存在的700 mV電壓損失，提高了測量精度。

1.4 流量信號輸入電路

用三極管和二極管等構(gòu)成如圖3所示的信號整形電路，將流量計的頻率信號整形成與微控制器輸入端口相匹配的數(shù)字信號。

1.5 電流采樣參考信號變換電路

電流傳感器的輸出是瞬時值對應(yīng)的標準信號。計算有效值時，在一周期內(nèi)的采樣點數(shù)必須固定，即當頻率波動時，采樣點數(shù)應(yīng)保持不變。采用圖4所示變換電路，將被測電源信號，整形成方波作采樣周期參考信號。

1.6 LCD控制與溫度傳感器接口電路

LCD的控制方式是TTL電平異步串行通信接口、溫度傳感器的輸出是RS232異步串行通信接口，而微控制器僅有一對異步通信端口（P04、P05）。為同時控制LCD顯示和采集溫度信號，用多路開關(guān)（CD4052）構(gòu)成共享異步串行通信端口。由微控制器端口P10控制多路開關(guān)。P10=0時，異步通信端口供LCD使用，P10=1時異步通信端口采集溫度信號。電路如圖5所示。

1.7 鍵盤電路

用并/串轉(zhuǎn)換芯片（74165）構(gòu)成六鍵按鍵電路。1鍵設(shè)置時鐘及過流保護值；2鍵查看存儲的測試結(jié)果；3鍵設(shè)置參數(shù)時為加1鍵，查看狀態(tài)時為向前翻頁鍵；4鍵設(shè)置參數(shù)時為減1鍵，查看狀態(tài)時為向后翻頁鍵；5鍵打印測量結(jié)果；6鍵保存設(shè)定參數(shù)及測量數(shù)據(jù)。

1.8 打印機接口電路

用串/并轉(zhuǎn)換芯片（74164）構(gòu)成打印機數(shù)據(jù)信號接口電路。將微控制器端口P11、P26的串行輸出轉(zhuǎn)換成并行輸出，送給打印機的數(shù)據(jù)接口。用三極管構(gòu)成電平轉(zhuǎn)換電路，將打印機忙信號轉(zhuǎn)換為3.3 V電平，與微控制器端口P13電平相匹配。

1.9 時鐘及存儲電路

時鐘及存儲電路均采用I2C總線控制方式。時鐘電路由時鐘芯片（PCF8563）構(gòu)成，向整個裝置提供時間基準和時鐘信息。存儲電路用基于I2C總線模式的非易失存儲器構(gòu)成。

1.10 過流保護電路

用三極管和繼電器構(gòu)成過流保護電路，如圖6所示。當測得電流超過設(shè)定限值時，微控制器端口P17輸出高電平控制繼電器J動作，觸點J斷開通過水泵電氣控制電路實施停機保護。

2 軟件設(shè)計

2.1 總體方案

因微控制器運算為浮點數(shù)運算，故選擇C語言編程，避免匯編語言的復(fù)雜性。

運用RTX-51Tiny實時操作系統(tǒng)[2]，按多任務(wù)機制設(shè)計測量數(shù)據(jù)綜合處理軟件。多任務(wù)機制將軟件系統(tǒng)功能分解為多個相對獨立的任務(wù)，CPU運行時間被劃分為許多小時間片，各任務(wù)分別在各自的時間片內(nèi)訪問CPU，從而產(chǎn)生了在微觀上輪流運行，宏觀上并行運行的實時效果[3]。如圖7所示，軟件分為6個任務(wù)，各任務(wù)之間以發(fā)送信號及全局變量的形式進行同步，并以協(xié)調(diào)方式切換。

2.2 數(shù)據(jù)采集及計算任務(wù)

2.2.1數(shù)據(jù)采集

定時器控制電量、壓力模擬量采樣，完成一路AD轉(zhuǎn)換后，由軟件控制將下一模擬量切換至微控制器內(nèi)部AD采樣，如此循環(huán)。

溫度傳感器輸出數(shù)字編碼，微控制器發(fā)送讀命令，溫度傳感器收到讀命令后發(fā)回當前溫度值。

流量計頻率信號整形成數(shù)字脈沖頻率，微控制器將頻率換算成流量。

2.2.2計算與判斷

采集的電流、電壓、壓力、流量和溫度信號換算成實際物理量（選定量綱）送入微控制器顯示緩沖區(qū)，進行計算與判斷。

1)相電流計算。電流傳感器輸出電流瞬時值，采用均方根計算相電流有效值：

式中：為一個周期的采樣點數(shù)，0???i-1為每個采樣點的電流值。0???i-1的大小由電流傳感器輸出電壓值、量程及AD位數(shù)決定。電流傳感器輸出5 VAC，對應(yīng)測量電流上限max；微控制器的AD為12位，最高轉(zhuǎn)換數(shù)值為4095，則采樣點的電流計算公式為：

式中：AD為AD的電流采樣值，K=0，1，???，－1。將每周期（20 ms）采樣點數(shù)定為32（或64），能滿足測量精度要求[4]。

2)起動電流計算。完成相電流計算后，判斷當前值是否大于原最大值，若是則替換原最大值。在起動階段此電流即為起動電流。

3)電壓計算。電壓傳感器輸出5 VDC，對應(yīng)電壓測量上限max。其計算公式為：

式中：AD為AD的電壓采樣值。

4)壓力計算。壓力傳感器輸出5VDC，對應(yīng)測量壓力上限max，其計算公式為：

式中：AD為AD的壓力采樣值。

5)流量計算。設(shè)定電磁流量計輸出頻率5kHz，對應(yīng)流量測量上限max，其計算公式為：

式中：in為電磁流量計脈沖頻率測量值。

6)過載電流判斷。完成相電流計算后，判斷當前電流值是否大于過載電流設(shè)定值，若是并在延時時間后仍大于設(shè)定值，則通過微控制器發(fā)出停機信號。

2.3 鍵盤掃描任務(wù)

定時掃描鍵盤，將按鍵組合命令信號發(fā)送給命令處理任務(wù)。

2.4 命令處理任務(wù)

識別并執(zhí)行按鍵組合命令。設(shè)置時鐘日期、設(shè)定過載電流值、設(shè)定延時時間、保存測量數(shù)據(jù)、查看測量數(shù)據(jù)及打印。

2.5 時鐘與存儲器管理任務(wù)

時鐘芯片與存儲器芯片同為I2C總線接口方式。根據(jù)I2C接口規(guī)范，由軟件控制時鐘及非易失存儲器讀寫。因RTX-51Tiny不支持信號量操作，所以將它們的操作放在同一任務(wù)。

2.6 LCD顯示及溫度采集任務(wù)

LCD顯示及溫度傳感器接口均為異步通信接口。與本文2.5同理，歸為同一任務(wù)。LCD中文顯示模塊通過UART發(fā)送指令控制顯示內(nèi)容。

2.7打印任務(wù)

微控制器發(fā)送指令控制打印機，送打印指令前，先檢測打印機是否處于“空閑”狀態(tài)，若是（P13=0）則打印命令通過P11和P26配合將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)送至串/并轉(zhuǎn)換器，由轉(zhuǎn)換器并行輸出端送至打印機，并加載鎖存信號（P23輸出一個脈沖）。

3 結(jié)束語

按本文設(shè)計方案制成船用水泵綜合測量裝置原理樣機，實現(xiàn)了綜合測量修復(fù)水泵出口壓力和流量溫度、電源電壓及電動機工作電流等參數(shù)，并用液晶模塊集中顯示測量參數(shù)。裝置運行穩(wěn)定，實時性好，測量最大誤差小于1%，各性能指標達到設(shè)計要求。

應(yīng)用結(jié)果表明，運用傳感器和混合信號微控制器，基于RTX-51Tiny實時多任務(wù)操作系統(tǒng)設(shè)計測量數(shù)據(jù)綜合處理軟件，構(gòu)成水泵綜合測量裝置能保證測量數(shù)據(jù)綜合處理的實時性和測量精度，技術(shù)思路和方法可行。本文提出的設(shè)計方法可用于設(shè)計其它泵類機械的綜合測量裝置。

[1] 潘琢金譯. C8051F3410/1/2/3混合信號ISP FLASH微控制器數(shù)據(jù)手冊. http://www.xhl.com.cn.

[2] Keil software Inc. RTX51 Tiny User’s Guide. http://www.keil.com.

[3] 歐偉明. 嵌入式應(yīng)用軟件任務(wù)劃分的原則. 單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2007，（5）：65-67.

[4] 徐世川. 正弦交流采樣理論誤差的估計. 電氣傳動自動化，2000，22（6）：56-57.

Design of Integrated Measuring Device For Repaired shipboard Water Pump

Wang Chao，Jiang Yingzhan，Wu Yanfeng

(Naval Submarine Academy, Qingdao266042, Shangdong, China)

TP460.403

A

1003-4862（2014）07-0059-04

2014-03-31

王超(1960-)，男，副教授。研究方向：：船舶電氣設(shè)備。