基于CAN與VI的智能流量檢測系統研究

1、前言

　　流量檢測系統經過多年的發展，其發展動向的技術發展動向主要表現為以下幾點：

　　1、提高儀表智能性。儀表的智能性主要是功能上的智能性，特別是近年來新型微處理器的出現和應用，使儀表通過對軟件控制和管理實現整個測量工作過程，充分發揮出微機的功能和靈活性。

　　2、數據采集能力的提高，測量性能的改善。測量精度和穩定性是一般流量計的重要技術指標，并與所采用的數據采集技術密切相關。通過減少干擾、提高檢測精度和儀表穩定性，從而使數據采集卡的能力得到大大加強。

　　3、增強CPU處理能力，提高數據處理功能隨著微電子技術和計算機技術的進步，用高性能集成芯片和微處理器來提高信號放大處理精度、拓寬儀表檢測量程、補償檢測誤差及零點校準己成為當今儀表的發展方向之一。

　　4、提高系統的開放性。提高系統的開放性包括提高硬件電路開放性、軟件結構開放性、通訊接口開放性以及人機界面開放性。

　　5、系統的模塊化趨勢。流量檢測的數據采集部分、信號處理部分包括數據采樣、濾波、放大等等功能模塊都被模塊化。實際系統組成時，只需按照所需功能選取相關模塊組裝完成。

2、基于CAN與虛擬儀器（VI）的智能流量檢測系統研究

　　2.1 虛擬儀器（VI）簡介

　　所謂虛擬儀器（Virtual Instrument，簡稱VI），即是將現有的計算機主流技術與革新的靈活易用的軟件和高性能模塊化硬件結合在一起，建立起功能強大又靈活易變的基于計算機的測試測量與控制系統。虛擬儀器是現代計算機技術和儀器技術深層次結合的產物，是當今計算機輔助測試（CAT）領域的一項重要技術，是計算機硬件資源、儀器與測控系統硬件資源和虛擬儀器軟件資源三者有效的結合。

　　虛擬儀器（Vl）是計算機技術在儀器儀表領域的應用所形成的一種新型的、富有生命力的儀器種類。虛擬儀器通過給用戶提供組建自己儀器的可重用源代碼庫，來處理模塊間通訊、定時、觸發等功能。它強調在通用計算機平臺的基礎上，通過軟件和軟面板，把由廠家定義的傳統儀器轉變為由用戶定義的、由計算機軟件和幾種模塊組成的專用儀器。虛擬儀器的出現，徹底打破了傳統儀器由廠家定義、用戶無法改變的模式。由于虛擬儀器應用軟件集成了儀器的所有采集、控制、數據分析、結果輸出和用戶界面等功能，使傳統儀器的某些硬件乃至整個儀器都被計算機軟件所替代。因此，從某種意義上可以說“軟件就是儀器”。如今，隨著電測技術以及網絡技術的發展，虛擬儀器技術必將成為儀器儀表技術發展的主要方向。

　　2.2 CAN現場總線簡介

　　CAN是控制器局域網（Controller Area Network）的簡稱，是由德國BOSCH公司最早提出的一種用于汽車內部執行部件之間數據通信的協議。CAN協議是建立在國際標準組織的開放系統互連模型基礎之上的，但是其模型結構只有3層：物理層、數據鏈路層和應用層。

　　CAN的數據傳輸是采用短幀格式，每一幀的數據字節數為8個，通信速率可達1Mbit/s。CAN傳輸數據用時極短，因而總線上數據受干擾的幾率大大降低;當節點上發生嚴重數據傳輸錯誤時，還具有自動關斷出錯節點的功能，因此具有較強的抗干擾能力。CAN支持“多主”工作方式，CAN網絡上任何節點都可以在任意時刻主動向其他節點發送信息，可以方便地實現“點對點”、“一點對多點”和“全局廣播”的通信方式。由于CAN采用非破壞性的總線仲裁技術，當多個節點向總線發送數據時，優先級較低的節點會主動退出發送，而優先級較高的節點可以不受影響繼續傳輸數據。

　　2.3 基于CAN與虛擬儀器的智能流量檢測平臺

　　2.3.1 需求分析

　　隨著國民經濟的發展，閥門在工業領域中的地位越來越重要，質量、性能要求也越來越高。閥門的流量系數是衡量閥門流通能力的指標，流量系數值越大說明流體流過閥門時的壓力損失越小。國外工業發達國家的閥門生產廠家大多把不同壓力等級、不同類型和不同公稱通徑閥門的流量系數值列入產品樣本，供設計部門和使用單位選用。流量系數值隨閥門的尺寸、型式、結構而變化，不同類型和不同規格的閥門都要分別進行試驗，才能確定該閥門的流量系數值。目前，在我國能夠測量閥門流量系數的試驗設備很少，遠遠不能滿足實際的需要，并且這些設備大多是采用傳統儀表測量和手動測量的落后方法，所能達到的精度比較低，因此本系統采用先進的虛擬儀器技術和基于工業高實時性的CAN通信方法來改善這種現狀。

　　2.3.2 基于CAN的通信方案設計

　　本系統設計的基于ARM處理器的檢測終端是基于CAN現場總線的數字集成控制器，一個典型的基于CAN與ARM智能檢測終端的集成檢測平臺的結構如圖 1所示，它配備了多個CAN智能檢測終端節點，以及顯示儀表和上層計算機。ARM9智能檢測終端作為CAN總線前端的某個控制節點（圖1中的從節點1），主要承擔著控制現場設備的任務。顯示儀表可以選配，用于監控系統運行結果;上層計算機系統（圖1中的主節點）主要由主控機、接至主控機內部的CAN總線通信接口適配卡組成，負責對整個系統進行管理、發送控制命令、傳輸數據等。主控機機型采用機型為PIII或P4級工控機，另外選用一塊帶PCI總線接口的 CAN總線通信接口適配卡。

圖1、基于CAN總線的集成檢測平臺圖

　　2.3.3 虛擬儀器技術的應用

　　選用LabVIEW的數據接口卡，工作原理如圖：

圖2、基于LabVIEW的數據采集卡的工作原理圖

　　一個檢測系統由傳感器、信號調理電路、微處理器/計算機數據采集與處理等各環節組成。在檢測系統的設計時，應考慮系統性能設計指標與各組成環節性能指標的關系，合理地進行誤差分配，以最少的策劃成本、最簡單的實現方案獲得最好的系統靜態和動態性能指標。

　　系統是用來動態測試閥門流量系數的，因此其中的關鍵就是能夠準確、快速的提取測試系統中的壓力、壓差、流量和溫度等隨時間動態變化的物理量，而計算機是提取和處理這些信息的最好工具。因此構建出以計算機為核心的虛擬儀器測試系統，目的是能夠較高精度、較高靈敏度、較高效率的獲得壓力、壓差、流量和溫度等參數的靜態和動態值。并能對采集的數據進行過濾和處理，最大限度地消除測量的隨機誤差、系統誤差和外界干擾，完成自動校正零點、自動顯示、輸出數據以及打印試驗報告等功能。

　　構建基于虛擬儀器的流量檢測系統，首先需要測試用的管道系統，它是測試能夠進行的基礎。管道的設計要求能夠滿足試驗所需要的壓力和流量，并能夠使其保持平穩，當然還要考慮其對傳感器的保護作用，使整個系統的使用壽命更長一些。

　　其次還要有把所要測量的物理信號轉換為能夠進行測量的電信號的傳感器，系統所要測量的物理量是：壓力、壓差、流量和溫度，考慮到測量精度和成本，選用了陶瓷壓力傳感器、電容式壓差傳感器，渦輪流量傳感器和pt100熱電阻分別測量壓力、壓差，流量和溫度。由于渦輪流量傳感器出來的是不規則的頻率信號，這種信號不利于計算機進行處理，因此在流量傳感器后面加了一個可以把頻率轉換為標準電流信號的二次儀表。

　　再次，構建基于虛擬儀器的流量檢測系統，光有傳感器是遠遠不夠的，傳感器出來的號還要進行光電隔離、放大、A/D轉換后才能進入計算機進行處理。綜合以上因素，在系統中加入了一個具有放大、A/D轉換、光電隔離等功能的數據采集卡。

　　另外，還需要電源、接線板、信號連接線等輔助元件，其中電源是用來給傳感器和功率放大器供電的。

　　最后，既然是虛擬儀器，計算機是必不可少的，考慮到整個測試系統的穩定性，選用了華北工控的工業控制計算機。

　　綜上所述，基于虛擬儀器的閥門流量檢測系統硬件設計可分：檢測管路設計、傳感器位置規劃和計算機測試子系統的設計。下圖給出檢測管路設計的圖示：

圖3、 檢測管路設計

　　圖中1為可控水源，2為止回閥，3為流量調節閥，4為過濾器，5為測溫傳感器，6為流量傳感器，7為流量數字累計儀，8為壓力傳感器，9為壓差變送器，10為被測閥門。系統的可控水源是由一個大功率抽水泵組成;止回閥和流量調節閥主要防止水倒流和保持系統流量的穩定;過濾器的作用是過濾水中的雜質，保護渦輪流量傳感器的渦輪免受傷害。

　　檢測系統總體硬件平臺的設計框圖如圖4。

圖4、檢測系統的硬件平臺

　　被測的各種參數（壓力、壓差、流量、溫度）由傳感器變換成易于后續處理的電信號。如果傳感器輸出信號太弱或信號質量太差，則應經過前端預處理電路進行放大，濾波等處理。然后經過數據采集子系統轉換成數字量，通過數據總線進入微機系統，計算機處理數據，然后驗證是否符合試驗所要求的條件。若不能滿足條件（如試驗溫度過低，流量不穩定，壓力過高等），則觸發報警裝置，同時發出調節或禁止試驗的指令以保護試驗裝置不被破壞;若能夠滿足試驗條件，計算機就開始數據運算，并對運算結果進行顯示、記錄入數據庫、繪制成曲線、圖表等，然后由I/O子系統完成閥門規格、型號、適應條件等基本參數的人一機交互，最后打印出試驗報告。

3、應用案例

　　一個測試系統建立的是否成功，是通過檢驗測試結果的有效性來判定的。自本系統在校閥門流量檢測研究中心建成以后，進行了多次試驗，經過測試表明，界面操作方便，各項功能都達到了預定的設計要求，能滿足試驗研究的使用要求。

　　以針對SZ45X系列的閥門為例，所測數據在管道流體產生紊流的情況下測試，流體的雷諾系數滿足在4X105～1X106之間的要求。系統測試數據和儀表顯示數據比較，相對誤差的絕對值均小于1.4%，滿足JB/T 5296-91規定的測試有效誤差范圍士2%要求。從而可以證明系統設計達到要求，處于國內領先的地位，其計算機采集處理、顯示的數據滿足了系統精度的要求，可以用于閥門流量系數方面的測試。同時系統可以方便的給出閥門的各種參數和試驗的結果，包括：試驗日期、閥門基本資料、測試原始數據及數據曲線、閥門流量系數測試結果等等。

4、結論與展望

　　經專家鑒定和實際測試結果分析，基于CAN與虛擬儀器的智能流量檢測系統可用于測定測定閘閥、截止閥、節流閥、球閥、蝶閥、隔膜閥、旋塞閥、止回閥、底閥、減壓閥的流阻系數和閘閥、節流閥、球閥、蝶閥的流量系數，從而達到測定流量的目的。其基于CAN總線的通信方式保證了測定參數的實時性和系統的高抗干擾特性。基于虛擬儀器技術的使用可以讓其更方便的以軟件的方式添加檢測系統的功能，使系統具有開放性、智能和模塊化特性，符合了當今流量檢測系統的發展趨勢，其關鍵技術可以用于大多數包括實時檢測監控測控和過程測控的工業控制系統。

創新點：

　　1、基于CAN和虛擬儀器技術的結合用于流量檢測系統

　　2、提供了一種可集成實時測控和過程測控的先進解決方案