1 引言
流量計廣泛用于現(xiàn)代工業(yè)測控對流體計量，流量計的遠程監(jiān)測和數(shù)據(jù)集中管理是現(xiàn)代流量計遠程網(wǎng)絡化、測量自動化的發(fā)展趨勢[1]。MODEM(調(diào)制解調(diào)器)是遠程通信方式之一，利用工廠、企業(yè)內(nèi)部或者公用電話交換機網(wǎng)絡(Public Switched Telephone Network, PSTN)實現(xiàn)計算機之間或中央控制室計算機與工業(yè)現(xiàn)場嵌入式系統(tǒng)之間進行遠距離數(shù)據(jù)傳輸。這種通信方式不受地點和時間的限制，而且傳輸數(shù)據(jù)完全、經(jīng)濟、方便，不用另外布線。因此，現(xiàn)代工業(yè)遠距離測控傳輸中使用較多。
遠程流量計量系統(tǒng)一般由流量計、下位機數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、通信介質(zhì)和PC機構成，現(xiàn)有流量計的數(shù)據(jù)輸出一般有串口和4～20mA模擬信號兩種形式。由于輸出的信號前者為數(shù)字量，后者為模擬量，因此，其數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設計原理不同，分別針對這兩種數(shù)據(jù)輸出形式，結合MODEM遠程通信的優(yōu)點和單片機現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)的方便性、實用性設計性價比較高的遠程流量計量系統(tǒng)，尤其是合理設計下位機硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)和有效采取抗干擾的硬件和軟件措施是實現(xiàn)整個系統(tǒng)功能的關鍵與核心技術。
單片機現(xiàn)場采集和發(fā)送各流量測量節(jié)點的實時數(shù)據(jù)。流量測量節(jié)點分布管網(wǎng)圖設計成用戶界面，通過上位機可以很方便地撥通分配給各個測量節(jié)點流量計的電話號碼，即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的適時顯示和集中管理，實際應用表明系統(tǒng)性價比高，下位機工作穩(wěn)定可靠，上位機能實時、準確顯示流量計數(shù)據(jù)。因此，系統(tǒng)的設計具有一定的技術創(chuàng)新意義和較大的實用價值
2 系統(tǒng)總體設計
遠程流量計量系統(tǒng)實現(xiàn)遠程流量計的實時監(jiān)測控制和數(shù)據(jù)傳輸，對系統(tǒng)運行的重要參數(shù)和各節(jié)點實時數(shù)據(jù)進行直觀地顯示。為了提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速度和增大傳輸距離，提高系統(tǒng)的抗干擾能力和測控精度，本設計通過公用電話網(wǎng)，由中心計算機(上位機，PC)、調(diào)制解調(diào)器(MODEM)、單片機(下位機)以及各流量測量點的流量計組建成遠程流量計量系統(tǒng)。圖1系統(tǒng)總體設計原理框圖，系統(tǒng)采用兩級控制結構：第一級為直接控制級，即單片機對遠程流量計的數(shù)據(jù)(如：壓力、溫度、瞬時流量和累積流量等)進行實時采集;第二級為過程管理級，即用一臺普通PC機來實現(xiàn)，主要實現(xiàn)對各流量計參數(shù)和測量數(shù)據(jù)的管理和實時顯示，并且可以根據(jù)實際需要進行系統(tǒng)的調(diào)整和擴展，所以上位機的監(jiān)測軟件包括通信模塊、數(shù)據(jù)庫模塊和用戶界面三部分。
圖1 系統(tǒng)原理框圖
遠程流量計測量位置較分散，可以將各流量計的分布情況顯示在上位機上，每個流量計用Command控件表示，并且代表一個電話號碼，構成所有流量計的分布示意圖。通過上位機多點撥號的方式，對應的流量計數(shù)據(jù)經(jīng)過對應的下位機電平轉(zhuǎn)換，傳入對應的MODEM，再經(jīng)過公用電話網(wǎng)從PC/MODEM適配卡傳入上位機。
3 下位機硬件、軟件設計
根據(jù)現(xiàn)有流量計的使用狀況和數(shù)據(jù)輸出模式，一般數(shù)據(jù)輸入/輸出方式主要由：并行、串行和4～20mA電流模擬信號。本系統(tǒng)針對后兩種數(shù)據(jù)輸入/輸出方式分別對下位機的軟、硬件進行設計。下位機的數(shù)據(jù)收發(fā)與控制器選用PIC16F877單片機。
3.1 下位機與流量計的串行通信
圖2為下位機與流量計之間采用串行通信方式時的電路原理圖。上位機撥通測量節(jié)點流量計的電話號碼，相應節(jié)點的MODEM相應，數(shù)據(jù)傳送至下位機的MODEM(提供標準的RS-232接口)，經(jīng)RS-232/485電平轉(zhuǎn)換器進行電平轉(zhuǎn)換，PIC16F877控制MAX485進行數(shù)據(jù)收發(fā)。PIC的同步/異步收發(fā)模塊USART(25腳RC6/TX/CK和26腳RC7/RX/DT)接收來自流量計經(jīng)電平轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)反向傳輸給上位機。圖3是PIC與流量計之間采用串行通信方式時的流程圖。
圖2單片機與流量計之間采用串行通信方式的原理圖
3.2 流量計采用4～20mA模擬信號輸出
當流量計的輸出為4～20mA模擬信號時，采用如圖4所示的電路結構，流量計數(shù)據(jù)以4～20mA電流信號輸出經(jīng)過一個250Ω的標準電阻R1轉(zhuǎn)換為電壓信號，電壓量經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器ADS1202進行A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量進入PIC16F877，由單片機的USART模塊發(fā)送給MAX232傳輸?shù)诫娫捑€。
4 系統(tǒng)抗干擾措施
根據(jù)實際經(jīng)驗和現(xiàn)場使用情況，提高下位機系統(tǒng)的抗干擾能力是整個系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠工作的主要保證，所以，以下重點從下位機硬件系統(tǒng)的干擾源和軟件系統(tǒng)兩方面介紹保證系統(tǒng)可靠工作的有效措施。
4.1 硬件系統(tǒng)抗干擾措施
解決好電路板本身的問題是提高系統(tǒng)抗干擾能力的基本措施，如元器件的選擇，線路布線以減少分布電阻和壓降、降低耦合噪聲、減少高頻噪聲發(fā)射、降低感應噪聲，減少IC插座數(shù)量。除此之外，還應采取如下抗干擾措施：
(1)系統(tǒng)接地的抗干擾設計
圖3 PIC16F877與流量計之間串行通信的流程圖
圖4 流量計采用4～20mA模擬輸出時的通信電路
制作PCB板時可以采用增加一層地線層的三層板，地線層覆蓋的面積應盡可能大，使高頻器件的地直接通過過孔與地線層連接，使地線與信號線不并行排列，從而可以減少感應和輻射，數(shù)字地與系統(tǒng)安全地只在一點相連，以免在地線之間形成回路。(2)消除電源的尖峰干擾
尖峰干擾是從交流電網(wǎng)串入電源系統(tǒng)的干擾信號。消除尖峰干擾的基本方法是為單片機系統(tǒng)的電源加上濾波電容。即在電源的輸入端并聯(lián)兩個電容進行濾波和去耦，其中大容量的電容負責過濾除低頻干擾，而小容量的電容負責過濾高頻干擾。
(3)濾除晶振振蕩信號中的高頻噪聲
為了保證系統(tǒng)能夠得到理想的時鐘脈沖，應采取如下措施：選取性能穩(wěn)定、溫漂較小的晶振片;晶振片的安裝位置應盡量靠近單片機芯片，以減少振蕩脈沖信號傳輸?shù)木嚯x;在晶振片的兩端連接高頻濾波電容;必要時在振蕩器上加一個屏蔽罩，并將屏蔽體與安全地在一點上連接。
另外，將強信號和弱信號分開走線;芯片未使用的輸入端接地或接高電平，而不懸空;在信號上接上上拉電阻(如圖4中的R2和R3)。
4.2 軟件抗干擾措施
完善的軟件設計對硬件系統(tǒng)的抗干擾措施起補充作用，如設置自檢程序、設置軟件陷阱、采用軟件冗余技術等。
(1)設置自檢程序
在程序的特定部位或某些內(nèi)存單元設置標志，在運行中不斷進行循環(huán)測試，以保證系統(tǒng)中信息存儲、傳輸、運算的高可靠性。在上位機的軟件系統(tǒng)中，每次從遠程節(jié)點讀取信息時，都要測試通信線路的連通性。如果線路是維持連通的，則直接讀取數(shù)據(jù);如果線路已斷開連接，則需要重新?lián)芴柦⑦B接后再讀取數(shù)據(jù)。
(2)設置軟件陷阱
為避免程序運行中跑飛，使用PIC單片機的GOTO指令強行使程序跳轉(zhuǎn)到系統(tǒng)復位后的主程序入口處，可以在系統(tǒng)的程序存儲器的空閑區(qū)或未使用的中斷區(qū)域設置陷阱。但是方法對于程序指針進入數(shù)據(jù)區(qū)而導致的混亂無能為力，這種情況要使用看門狗電路加以解決。
(3)軟件冗余
在影響程序流向的關鍵語句前面加上幾條空操作NOP指令，以確保程序中關鍵語句的執(zhí)行時系統(tǒng)信號的穩(wěn)定。
5 結束語
基于MODEM和PSTN設計的遠程流量計量系統(tǒng)，是MODEM遠程通信技術對遠程流量計量的一種創(chuàng)新應用，尤其是下位機的軟件設計是該系統(tǒng)的核心技術和知識產(chǎn)權。