基于CAN与VI的智能流量检测系统研究

摘 要：文章研究了基于CAN与虚拟仪器的智能流量检测系统的关键构架及设计。其基于CAN的通讯模式保证了检测系统的高实时性和抗干扰能力，而基于虚拟仪器（VI）的设计使系统在数据采集能力、开放性、模块化和智能特性方面都有很大的提高。关键词：CAN, 虚拟仪器, 流量检测系统Abstract: This paper does the research of architecture and design of the flux measurement system based on CAN and VI, in which CAN has assured the system has a good real-time and anti-jamming capability, and VI technology made the system have a improved data-collecting, open capability, modularization and intelligent performance.Key words: CAN, VI, Flux measurement system1、前言　　流量检测系统经过多年的发展，其发展动向的技术发展动向主要表现为以下几点：　　1、提高仪表智能性。仪表的智能性主要是功能上的智能性，特别是近年来新型微处理器的出现和应用，使仪表通过对软件控制和管理实现整个测量工作过程，充分发挥出微机的功能和灵活性。　　2、数据采集能力的提高，测量性能的改善。测量精度和稳定性是一般流量计的重要技术指标，并与所采用的数据采集技术密切相关。通过减少干扰、提高检测精度和仪表稳定性，从而使数据采集卡的能力得到大大加强。　　3、增强CPU处理能力，提高数据处理功能随着微电子技术和计算机技术的进步，用高性能集成芯片和微处理器来提高信号放大处理精度、拓宽仪表检测量程、补偿检测误差及零点校准己成为当今仪表的发展方向之一。　　4、提高系统的开放性。提高系统的开放性包括提高硬件电路开放性、软件结构开放性、通讯接口开放性以及人机界面开放性。　　5、系统的模块化趋势。流量检测的数据采集部分、信号处理部分包括数据采样、滤波、放大等等功能模块都被模块化。实际系统组成时，只需按照所需功能选取相关模块组装完成。2、基于CAN与虚拟仪器（VI）的智能流量检测系统研究　　2.1 虚拟仪器（VI）简介　　所谓虚拟仪器（Virtual Instrument，简称VI），即是将现有的计算机主流技术与革新的灵活易用的软件和高性能模块化硬件结合在一起，建立起功能强大又灵活易变的基于计算机的测试测量与控制系统。虚拟仪器是现代计算机技术和仪器技术深层次结合的产物，是当今计算机辅助测试（CAT）领域的一项重要技术，是计算机硬件资源、仪器与测控系统硬件资源和虚拟仪器软件资源三者有效的结合。　　虚拟仪器（Vl）是计算机技术在仪器仪表领域的应用所形成的一种新型的、富有生命力的仪器种类。虚拟仪器通过给用户提供组建自己仪器的可重用源代码库，来处理模块间通讯、定时、触发等功能。它强调在通用计算机平台的基础上，通过软件和软面板，把由厂家定义的传统仪器转变为由用户定义的、由计算机软件和几种模块组成的专用仪器。虚拟仪器的出现，彻底打破了传统仪器由厂家定义、用户无法改变的模式。由于虚拟仪器应用软件集成了仪器的所有采集、控制、数据分析、结果输出和用户界面等功能，使传统仪器的某些硬件乃至整个仪器都被计算机软件所替代。因此，从某种意义上可以说“软件就是仪器”。如今，随着电测技术以及网络技术的发展，虚拟仪器技术必将成为仪器仪表技术发展的主要方向。　　2.2 CAN现场总线简介　　CAN是控制器局域网（Controller Area Network）的简称，是由德国BOSCH公司最早提出的一种用于汽车内部执行部件之间数据通信的协议。CAN协议是建立在国际标准组织的开放系统互连模型基础之上的，但是其模型结构只有3层：物理层、数据链路层和应用层。　　CAN的数据传输是采用短帧格式，每一帧的数据字节数为8个，通信速率可达1Mbit/s。CAN传输数据用时极短，因而总线上数据受干扰的几率大大降低;当节点上发生严重数据传输错误时，还具有自动关断出错节点的功能，因此具有较强的抗干扰能力。CAN支持“多主”工作方式，CAN网络上任何节点都可以在任意时刻主动向其他节点发送信息，可以方便地实现“点对点”、“一点对多点”和“全局广播”的通信方式。由于CAN采用非破坏性的总线仲裁技术，当多个节点向总线发送数据时，优先级较低的节点会主动退出发送，而优先级较高的节点可以不受影响继续传输数据。　　2.3 基于CAN与虚拟仪器的智能流量检测平台　　2.3.1 需求分析　　随着国民经济的发展，阀门在工业领域中的地位越来越重要，质量、性能要求也越来越高。阀门的流量系数是衡量阀门流通能力的指标，流量系数值越大说明流体流过阀门时的压力损失越小。国外工业发达国家的阀门生产厂家大多把不同压力等级、不同类型和不同公称通径阀门的流量系数值列入产品样本，供设计部门和使用单位选用。流量系数值随阀门的尺寸、型式、结构而变化，不同类型和不同规格的阀门都要分别进行试验，才能确定该阀门的流量系数值。目前，在我国能够测量阀门流量系数的试验设备很少，远远不能满足实际的需要，并且这些设备大多是采用传统仪表测量和手动测量的落后方法，所能达到的精度比较低，因此本系统采用先进的虚拟仪器技术和基于工业高实时性的CAN通信方法来改善这种现状。　　2.3.2 基于CAN的通信方案设计　　本系统设计的基于ARM处理器的检测终端是基于CAN现场总线的数字集成控制器，一个典型的基于CAN与ARM智能检测终端的集成检测平台的结构如图1所示，它配备了多个CAN智能检测终端节点，以及显示仪表和上层计算机。ARM9智能检测终端作为CAN总线前端的某个控制节点（图1中的从节点1），主要承担着控制现场设备的任务。显示仪表可以选配，用于监控系统运行结果;上层计算机系统（图1中的主节点）主要由主控机、接至主控机内部的CAN总线通信接口适配卡组成，负责对整个系统进行管理、发送控制命令、传输数据等。主控机机型采用机型为PIII或P4级工控机，另外选用一块带PCI总线接口的CAN总线通信接口适配卡。[align=center]图1、基于CAN总线的集成检测平台图[/align]　　2.3.3 虚拟仪器技术的应用　　选用LabVIEW的数据接口卡，工作原理如图：[align=center]图2、基于LabVIEW的数据采集卡的工作原理图[/align]　　一个检测系统由传感器、信号调理电路、微处理器/计算机数据采集与处理等各环节组成。在检测系统的设计时，应考虑系统性能设计指标与各组成环节性能指标的关系，合理地进行误差分配，以最少的策划成本、最简单的实现方案获得最好的系统静态和动态性能指标。　　系统是用来动态测试阀门流量系数的，因此其中的关键就是能够准确、快速的提取测试系统中的压力、压差、流量和温度等随时间动态变化的物理量，而计算机是提取和处理这些信息的最好工具。因此构建出以计算机为核心的虚拟仪器测试系统，目的是能够较高精度、较高灵敏度、较高效率的获得压力、压差、流量和温度等参数的静态和动态值。并能对采集的数据进行过滤和处理，最大限度地消除测量的随机误差、系统误差和外界干扰，完成自动校正零点、自动显示、输出数据以及打印试验报告等功能。　　构建基于虚拟仪器的流量检测系统，首先需要测试用的管道系统，它是测试能够进行的基础。管道的设计要求能够满足试验所需要的压力和流量，并能够使其保持平稳，当然还要考虑其对传感器的保护作用，使整个系统的使用寿命更长一些。　　其次还要有把所要测量的物理信号转换为能够进行测量的电信号的传感器，系统所要测量的物理量是：压力、压差、流量和温度，考虑到测量精度和成本，选用了陶瓷压力传感器、电容式压差传感器，涡轮流量传感器和pt100热电阻分别测量压力、压差，流量和温度。由于涡轮流量传感器出来的是不规则的频率信号，这种信号不利于计算机进行处理，因此在流量传感器后面加了一个可以把频率转换为标准电流信号的二次仪表。　　再次，构建基于虚拟仪器的流量检测系统，光有传感器是远远不够的，传感器出来的号还要进行光电隔离、放大、A/D转换后才能进入计算机进行处理。综合以上因素，在系统中加入了一个具有放大、A/D转换、光电隔离等功能的数据采集卡。　　另外，还需要电源、接线板、信号连接线等辅助元件，其中电源是用来给传感器和功率放大器供电的。　　最后，既然是虚拟仪器，计算机是必不可少的，考虑到整个测试系统的稳定性，选用了华北工控的工业控制计算机。　　综上所述，基于虚拟仪器的阀门流量检测系统硬件设计可分：检测管路设计、传感器位置规划和计算机测试子系统的设计。下图给出检测管路设计的图示：[align=center]图3、 检测管路设计[/align]　　图中1为可控水源，2为止回阀，3为流量调节阀，4为过滤器，5为测温传感器，6为流量传感器，7为流量数字累计仪，8为压力传感器，9为压差变送器，10为被测阀门。系统的可控水源是由一个大功率抽水泵组成;止回阀和流量调节阀主要防止水倒流和保持系统流量的稳定;过滤器的作用是过滤水中的杂质，保护涡轮流量传感器的涡轮免受伤害。　　检测系统总体硬件平台的设计框图如图4。[align=center]图4、检测系统的硬件平台[/align]　　被测的各种参数（压力、压差、流量、温度）由传感器变换成易于后续处理的电信号。如果传感器输出信号太弱或信号质量太差，则应经过前端预处理电路进行放大，滤波等处理。然后经过数据采集子系统转换成数字量，通过数据总线进入微机系统，计算机处理数据，然后验证是否符合试验所要求的条件。若不能满足条件（如试验温度过低，流量不稳定，压力过高等），则触发报警装置，同时发出调节或禁止试验的指令以保护试验装置不被破坏;若能够满足试验条件，计算机就开始数据运算，并对运算结果进行显示、记录入数据库、绘制成曲线、图表等，然后由I/O子系统完成阀门规格、型号、适应条件等基本参数的人一机交互，最后打印出试验报告。3、应用案例　　一个测试系统建立的是否成功，是通过检验测试结果的有效性来判定的。自本系统在校阀门流量检测研究中心建成以后，进行了多次试验，经过测试表明，界面操作方便，各项功能都达到了预定的设计要求，能满足试验研究的使用要求。　　以针对SZ45X系列的阀门为例，所测数据在管道流体产生紊流的情况下测试，流体的雷诺系数满足在4X105～1X106之间的要求。系统测试数据和仪表显示数据比较，相对误差的绝对值均小于1.4%，满足JB/T 5296-91规定的测试有效误差范围士2%要求。从而可以证明系统设计达到要求，处于国内领先的地位，其计算机采集处理、显示的数据满足了系统精度的要求，可以用于阀门流量系数方面的测试。同时系统可以方便的给出阀门的各种参数和试验的结果，包括：试验日期、阀门基本资料、测试原始数据及数据曲线、阀门流量系数测试结果等等。4、结论与展望　　经专家鉴定和实际测试结果分析，基于CAN与虚拟仪器的智能流量检测系统可用于测定测定闸阀、截止阀、节流阀、球阀、蝶阀、隔膜阀、旋塞阀、止回阀、底阀、减压阀的流阻系数和闸阀、节流阀、球阀、蝶阀的流量系数，从而达到测定流量的目的。其基于CAN总线的通信方式保证了测定参数的实时性和系统的高抗干扰特性。基于虚拟仪器技术的使用可以让其更方便的以软件的方式添加检测系统的功能，使系统具有开放性、智能和模块化特性，符合了当今流量检测系统的发展趋势，其关键技术可以用于大多数包括实时检测监控测控和过程测控的工业控制系统。创新点：　　1、基于CAN和虚拟仪器技术的结合用于流量检测系统　　2、提供了一种可集成实时测控和过程测控的先进解决方案参考文献：　　[1] David J. Kland. Nioll M. adams Pattern Detection and Discovery[M].Springer,2001　　[2] 李世平.PC计算机检测技术与应用[M].西安电子科技大学出版社,2003　　[3] 桑强,张宏建.基于数据采集卡和输出卡的计算机控制系统设计及其应用[J].机电工程，2003 （4）　　[4] US National Instruments Inc. Measurement and automation catalogue [M/CD]. USA,2003　　[5] 梁惺彦，和卫星.LabVIEW实现远程数据采集与传输.微计算机信息，2004.9,44-45