[导读] 介绍了DSP控制实现的
明渠污水流量计，并对明渠污水流量计的数据采集结构及通信接口电路组成作了详细讨论，以及在多数据量采集及实时处理的要求下，采用数字信号处理器TMS320LF2407A实现采样运算的方案。
0 引言
由于全自动水质在线分析系统价格昂贵且检测参数有限，难以获得推广。为代替人工采样方式对水质进行监测，本研究提出了一种新型流量计的设计。该流量计采用了先进的微处理器和机电一体化技术，具有时间比例、流量比例2种采样模式，可全天候对水质进行实时采样，并对采集样品以恒定的低温存贮。整机计量准确、可靠，且操作简单、维护方便。对自然水源、工业废水、未处理污水及已处理污水均能实现水质采样与流量计量。可广泛应用于制药、冶金、电镀、造纸、化工、轻纺、食品、污水处理厂等行业和科研部。
1 明渠污水流量计简介
1.1 明渠流量计
明渠流量计是在非满管状敞开渠道测量自由表面自然流的流量仪表。非满管态流动的水路称为明渠，测量明渠中水流流量的称为明渠流量计。明渠流量计除圆形外，还有U字形、梯形、矩形等多种形状。
明渠流量计应用场所有城市供水引水渠；火电厂引水和排水渠、污水治理流入和排放渠；工矿企业水排放以及水利工程和农业灌溉用渠道。国内应用数据估计约占流量仪表整体数据的1.6%。
1.2 流量计结构类型
明渠流量计具有巴歇尔槽结构和堰式槽结构[1]2种，可以根据现场不同的情况进行选用。如果下游水量畅通，场地宽敞，可以选用巴歇尔槽结构，反之则可以选用堰式结构。另外还带有非满管测量结构，下游水位高低变化不会影响测量结果。一般的适用流量范围为0.5～20000t/h。
流量计在结构上一般由流量计传感器和流量计转换器两部分组成。通常，传感器和转换器是分体的，传感器安装在监测过程感受流量信号；转换器将传感器送来的流量信号进行放大，并转换成标准电信号，以便进行显示、记录、计算和调节控制。也有的流量计将转换器和传感器装在-起，组成-体型流量计，可就地显示和远传显示及控制。
流量计传感器主要由测量管组件、磁路系统、电极及干扰调整机构部分组成。为了使传感器稳定可靠地工作，准确地感受流量信号，传感器应满足如下要求：① 能提供一个足够大，且与流量成正比的电势信号；② 能把干扰信号抑制到最小程度，使信噪比足够大；③ 能适应恶劣环境条件，工作可靠。
2 系统控制原理
本系统由槽（堰）、超声波流量传感器和控制器3部分组成。超声波传感器与污水不接触，能保持传感器不受腐蚀，但水中的漂浮物可能影响测量真实性。控制器以DSP TMS320LF2407A为主控芯片，完成现场数据采样、数据运算处理，其串口通讯可实现远程数据传输和监控功能。系统结构框图如图1。
当水通过流量槽（Parshall-巴歇尔槽）形成自然流动时，其流量Q与流量槽上流水位H的关系为：
Q=KHn
式中：K、n为流量系数，对于不同规格的槽或堰有不同的值，是液位高度，m。
超声波液位传感器在DSP的控制下，进行超声发射和接收，由超声波的传播时间来计算传感器与液面之间的距离：
h=C•T/2
式中：C为超声波在空气介质中传播速度，m/s，若传感器至流量槽堰零液位时距离为hmax，则液位高度H=hmax- h。
3 系统控制器的单元组成
设计测量仪器，较高的采样精度、较快的采样速度、超强的数据处理能量是选择主控芯片的首要条件，由于污水流量计一般情况下都安装在户外，考虑检测及维护的需要，控制器应具有远程数据传输功能，综合各因素，选择DSP数据信号处理器作为主控芯片。
3.1 主控芯片TMS320LF2407A
在明渠污水流量计系统中，主要利用TMS320LF2407A的高速A/D接口和通讯接口等，可以简化系统的硬件设计，其运算速度和3.3V电源供电的低功耗模式均可满足测量仪器的要求。
3.2 模数转换ADC及数字滤波
A/D模块带内置采样/保持（S/H），包含2个独立的最多可选择8个模拟转换通道的排序器（SEQ1和SEQ2），这两个排序器可被级连成-个最多可选择16个转换通道的排序器（SEQ），如图2。
在给定的排序方式下，4个排序控制器决定了模拟通道转换的顺序，多个触发源可以启动A/D转换，本系统A/D采样由定时器1（EVA）来软件触发，定时器周期设为0.125ms，故每0.125ms采样一次，在A/D中断服务程序中，把存储在16个结果寄存器（RESULT0-RESULT15）的采样结果保存到内存中去。
若第1路信号的值ADC0_result为“0x0322”，因为LF2407A的A/D是10位精度的，最高输入电压为3.3V，则A/D通道0采集到的电压值x可按下式计算：x/0x0322=3.3/0x3FF，得到采样x值为：2.587V。
本系统选用耐酸耐碱型的UTG21-DP型超声波明渠流量计，该流量计可以用来连续监测明渠中污水的流量并累计流量，也可以作为非接触式液位计使用，适用于水利、水电、环保以及其它工农业明渠条件下的流量测量。它输出4~20mA信号连接到DSP中，图3为把4~20mA电流信号转化成0~3.3V电压信号提供给DSP采样的转化电路。
在定点DSP芯片中，采用定点数进行数值运算，其操作数一般采用整型数来表示。水位的采样频率为8kHz，每个水位样值按16位整型数存放在一个文件中，低通滤波的截止频率为800Hz，滤波器采用19点的有限冲击响应FIR滤波。
FIR滤波公式为：
设
且x（n）是模拟信号12位量化值，即有|x(n)|≤211，则|y(n)|≤211；
根据采样频率和截至频率以及滤波器的阶数确定滤波器系数如下：
static int h[19]={399，-296，-945，-1555，-1503，-285，2112，5061，7503，8450，7503，5061，2112，-285，-1503，-1555，-945，-296，399}；
结合DSP的数据处理特点，采用数字低通滤波对采样信号进行处理，滤除被检测信号的高频采样干扰，对系统的检测和计量有良好的效果。
DSP的指令周期为25ns，使得流量的快速计算成为可能。程序每秒钟控制超声波传感器检测1次水位，计算出1s的流量，并进一步累积为时流量、日流量、月流量、流量和总累积流量，由串口传给上位机。
3.3 串行通信设计
为了实现对污水流量计系统的实时监控，将运行参数实时地传输到液晶屏上进行显示，同时也可以方便地通过键盘对逆变系统的参数进行在线修改。为了使系统更加智能化，发挥计算机的控制优势，采用RS-485总线将多个子系统与上位机之间进行串行通信，TMS320LF2407A串口SCI模块接收器和发送器是双缓冲的，每个都有自己单独的使能和中断标志位，串口经过一片MAX3082[2]和一个RS-485。485与RS-232的电平转换器与上位机进行通信。
RS-485接口芯片适用于半双工通信方式。它采用平衡驱动[3]和差分接收[4]，具有抑制共模干扰[5]的能力，可用于恶劣环境中，最长通信距离可达1200m。它具有发送使能和接收使能控制，当使能无效时，发送和接收的输出端呈高阻状态。使用MAX3082构成通信系统时，最大通信速率为0.125Mb/s，传输线上最多可挂128个收发器。
在上位机的通讯接口中，本系统使用牛顿-7520作为RS-485与RS-232的电平转换器，其接口为标准的RS-485和RS-232总线接口。它具有300~115200b/s的自适应波特率，同时内部在RS-232侧加有3000V的直流隔离。
4 结束语
由于采用非接触测量方式，避免被测介质对传感器的腐蚀，特别适合污水流量的测量。控制器采用DSP数字信息处理技术，集信号检测、信号转换、显示输出、数据传输、远程监测等功能于一体，适用于不同槽（堰）和传感器，具有通用性。
由于DSP的工作频率较高，如TMS320LF2407A时钟频率为40MHz，而普通单片机的时钟频率仅为11.2MHz，故其数据读写周期相对单片机而言很短，然而PC机串口读写速度较低，最大数据吞吐量约为115kb/s，尽管DSP在与这些慢速外设进行数据交换时可以加入额外的等待周期，但是在实时性要求苛刻、算法复杂的场合，将DSP从这些冗长的等待周期中解放出来，将其时间重点放在处理关键的实时任务中去，具有重要的实际意义。
参考文献
[1] 刘和平，等．TMS320LF240xDSP 结构、原理及应用[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2002
[2] MAXIM．Fail-Safe，High-Speed，Slew-Rate-Limited RS-485 Transceivers[DK]
[3] 何为民．低功耗单片微机系统设计[M]．北京：北京航天航空大学出版社，1994
[4] 周航慈．单片机应用程序设计技术[M]．北京：北京航天航空大学出版社，1991
[5] 赵纯．便携式多功能测温仪的设计[M]．电子与仪表，1997，5