電磁流量計軟件設計
電磁流量計軟件系統設計
3．2軟件系統設計圖3．1系統流程圖Fig．3．1 system now chan
3．2．1軟件系統的功能
本軟件系統主要包含如下模塊：采集信號模塊、系統監控模塊、系統算法實現模塊、用戶交互模塊、數據模塊，各模塊完成的功能如卜所述。
1．采集信號模塊
采集信號模塊完成對電極電壓信號、參考信號的采集功能；
2．系統監控模塊
系統監控模塊包含系統自診斷模塊、系統保護模塊、系統檢測模塊、系統R 志模塊。
系統自診斷完成對系統工作狀態的診斷，判斷系統工作是否正常，系統是否處于異常狀態。圍繞系統工作的目標，對于本系統，將下面所列出的事件視為異常：
1)流過管道內液體的流景大于用戶設定的流量上限值或者下限值；
2)系統的參考電壓信號過小或者過大；
3)系統的電極電壓信號過小或者過大，電極電壓信號分P極、N極電壓；
4)待測量管道內液體截流；
5)A／D轉換器過飽和；
6)由于計數器的局限性，系統可累計的流量有一個上限，當累計流量達到這個上*，就會發生計數器溢出的情況。本系統將此視為累計流量的溢出； 累計流量的溢出分正反方向；
7)系統設簧參數超出參數定義范圍；
系統保護模塊用于提高系統的安全等級，保護信號轉換器安全、*工作， 保護程序的正常運行，保證程序不進入死循環或者不會亂飛，萬一發生這種狀況， 給出報警信號。
系統檢測模塊完成系統可實現功能的檢測，檢測的功能包括系統的屁示、系統瞬時流量的電流輸出、系統瞬時流量的脈沖輸出、被測液體的流向、數據存儲器件(包括EEPROM和NVRAM)、程序存儲器件(EPROM)、系統報警、累計流量復位。系統}=；；i志模塊完成系統工作情況的記錄，如系統掉電多少次、系統的工作條件、系統工作的上限、系統工作情況記錄，系統的工作條件為系統的勵磁頻率， 系統的工作上限為系統可測量的液體流速，系統工作情況記錄包括本系統出錯歷史記錄、系統已完成了的累計流量歷史記錄。這是增加系統與用戶友好交互的一個功能。
3．系統算法實現模塊
系統算法實現模塊要完成系統要進行的一切算法，包括瞬時流量的計算、采集信號可調增益的調艇、系統外部調零(電極電壓調零)算法、系統調零算法、系統滿量程凋節算法、瞬時流量濾波算法、累計流量的計算、量綱的轉化算法、脈沖流量算法、電流輸出算法、量綱的轉換算法。
4．用戶交互模塊
用戶交互模塊包括顯示模塊、用戶操作處理模塊、外部觸發處理模塊： 顯示模塊完成被測液體流向的顯示、瞬時流量多種表達方式的顯示、累計流量多種表達方式的顯示、系統菜單的顯示、系統報警顯示； 用戶操作處理模塊完成用戶對鍵盤操作的處理任務，用戶對鍵盤的操作目的主要是進行菜單的瀏覽、菜單參數的設置。外部觸發處理模塊完成對外部觸發按鈕的響應任務，本系統設計的外部觸發按鈕主要是外部累計流量復位、外部調零。
5．數據模塊
系統的數據在模塊問運轉的數據，本系統的數據由顯示菜單的數據、用于運算的數據以及向用戶顯示的關于系統信息的菜單數據組成，從系統工作情況分析， 各功能模塊之間的數據流程如圖3．2所示： 幽3．2各模塊間數據流程圖Fig．3．2 Data flow among every block 本軟件系統功能樹如圖3．3所示： 瞬時流鼉計算數據模塊系統滿量程調節圖3．3軟件系統功能樹Fjg．3f3 Sonwaresystem functi徹for EMF sjgnaI cOnVener
3．2．2系統實現的算法
電磁流量計的核心算法來自的法拉第電磁感應定律，單片機程序中的一系列公式也都是圍繞這～定律展開的。首先需要將法拉第電磁感應定律工程化， 即加入一些必要的系數，有些系數有些是與傳感器相關的，有些是用于消除系統誤差的。產品出廠前，這樣系數需要標定，為了提高生產效率和便于用戶現場校正儀表，需要設計一些系數(如零點)的自動調整算法。根據檢測信號計算得出的瞬時流量，還要通過一個濾波器，以適應某些工業現場的流體狀態。瞬時流量顯示單位有很多，所以還要有單位換算公式：電流輸出和脈沖輸出也需要一些公在流體瞬時流量的計算公式中，k是與傳感器相關的一個系數。在實際電磁流量計信號轉換器的生產中，對應于一臺信號轉換器有一臺相配套使用的傳感器， 而傳感器的管徑的大小決定了管道內可流過的流量，管徑相對大的傳感器內通過的液體流速范圍就寬，可通過液體的流速比管徑相對小的傳感器內通過的液體流速要大，那么在傳感器勵磁線圈匝數已經確定，要使信號轉換器具有比較寬的使用范圍，就需要一個調整系數，彌補傳感器的不足。通過上式分析得知， 通過調整k值就可達到這一目的，使信號轉換器適用于不同繞線線圈的傳感器。本系統將k定義為儀表標定因子，表示系統可測量的流速。
考慮到習慣使用百分數來表示瞬時流量，而且外部因素決定了系統可測量的流速，為了提高系統的使用范圍，使系統具有比較寬的工作量程，同時使系統在工作量程內滿量程工作，定義用戶可設流量測量范圍，以r表示，流量測量范圍數值在系統可測流速(v。，)的10％一100％之間，但系統默認的流量測量范圍數值為系統可測量流速，那么將瞬時流量計算修改為，：
為了實現在軟件中辨別出管道內液體的流向，從A／D采樣數值的角度考慮， 輸入系統的正反向流量的電極電壓信號在一定范圍內變化，而管道內液體流速為Om／s時對應的數值是正反向的分界點，因此引進了電極電壓零點，以e，U分別表示電極信號、參考信號，ze表示電極電壓信號零點，管道內瞬時流速計算公式如下式所示：
為了使系統更準確地表示流量信號，減小系統在模擬電路上對于正反向流量放大匹配不一致的問題，提高數字、模擬測量的混合高精度，采用如下數字補償方法：設置系統滿量程工作參數，即管道內液體瞬時流量時系統測量的流速， 以s，來表示，由于管道內液體流向有正反向之分，s。分為正向滿量程參數和反向滿量程參數，由此修訂流量計算公式為：
3．系統電極電壓零點調節
據上匝的章節所提，系統電極電壓信號零點用于判斷管道內液體的流向，同時電極電壓與液體的流速成正比，它對于瞬時流量的計算有著重要的意義，而且電極電壓在現場所受的干擾也比較大，那么進行電極電壓的調零就顯得比較重要。本系統采用多次對電極電壓工作零點采樣求平均的方法來獲得系統的零點。乙(H)2 e+Ze(¨) (3 10) 互：血n (3．t1) 對電極電壓調零時的一個必要條件是，必須保證電極電壓工作在零點狀態， 也就是使系統工作在零點狀態，管道內液體流速為Om／s。
4．系統滿量程調節算法
為保證系統輸出的可信度，進行滿量程的調節也是十分必要的。系統滿量程調節算法和系統調零算法原理一樣，也是在系統滿量程工作點上進行n次采樣， 將采樣運算結果依次累加，取采樣平均值結果。進行系統滿量程調節的前提條件是系統必須工作在滿量程狀態，考慮到系統工作在值可能會對系統有沖擊作用，因此選擇滿量程工作點為系統滿量程的99．9％，系統滿量程調節算法為：
5．系統調零算法
系統零點不穩定是電磁流量計中一個較為突出的問題，系統零點不正常的結果是系統不能正常工作，也就是系統給出的瞬時流量、累積流量很可能是不正確的，那么在這種情況下就有必要對系統進行重新調零。這里對系統調零采用對系統工作零點多次采樣取平均的算法。比較以上兩圖，分析方針結果得知，增大b可加快系統響應速度，但b越大靜態誤差越大；a越小系統響應速度就越慢。
根據上面仿真結果以及a、b兩個參數在系統中所起的作用，那么要對實現瞬時流量的濾波就要求系統提供兩個可調參數，世a為系統的放大系數，在本系統中將該放大系數命名標定系數，以l／a·為系統阻尼系數。系統標定系數對于系統的超調所起的作用比較明顯，它的數值一般都比較小，在對信號轉換器進行標定時。調整系統的標定系數、系統零點兩個參數，通過不斷的調整這兩個參數的數值， 使系統穩態誤差越來越小，系統精度越來越高。因此，這兩個參數就具有比較高的權限，在系統的設計中應將其歸類為設置權限較高的參數，并根據信號轉換器標定結果預先設計一個系統的默認值。
7．累計流量算法
通過管道的累計流量數據是進行生產控制的一個重要數據，它也是電磁流量計信號轉換器具備的一個功能。要計算出流過管道的累計流量，就需要系統提供兩個參數；流過管道的瞬時流量、管道的內徑。以d表示傳感器內徑，．q表示通過管道的累計流量，累計流量的計算公式如下：
據都是有其特定的物理意義的，因此就要求對采集的數據進行從無量綱到有量綱的轉化。以D表示無量綱數值與有量綱數值的轉換系數，以u、u 7分別表示無量綱和有量綱的數，那么轉換的公式如下所示： “’=口×甜(3．21) 除了無量綱與有量綱數值之間的轉化外，根據市場的要求，為了實現系統的易用性，需要用不同的單位表示瞬時流量和累計流量，因此，當選用不同的單位表示同一個物理量時，就需要進行量綱的轉換。
3．2．3系統詳細設計
1．系統工作參數定義
要使用戶對于系統有一個充分的了解，盡可能詳細地給用戶提供系統的工作的各方面情況是很有必要的。根據上一個章節，系統算法的研究所提到的參數、智能電磁流量計信號轉換器的需求以及用戶需求定義與系統工作條件相關的參數：
1．勵磁頻率即系統工作的勵磁頻率。
2．標定因子
標定因子是為了使系統適用于多種不同型號的傳感器而設定的參數，通過對標定因子的調節，可以實現系統在不同傳感器上的測量。
3．系統瞬時流速
對于不同型號的傳感器系統可測的流速有微小的差別，因此向用戶提供系統可測的瞬時流速適合有必要的。
4．傳感器
本信號轉換器刁i是僅僅與一類固定內徑的傳感器配套使用，它可以與幾類不同內徑的傳感器結合使用，那么當要計算流過管道的累計流量，知道傳感器管道的內徑是十分必要的。因此{殳計傳感器菜單，用于設置當前與信號轉換器相接的傳感器的管道內徑，以保證系統算出正確的累計流量數值。
5．測量流速范圍
轉換器可測量的流量取決于系統的性能。為了讓信號變送器可以滿量程工作，將系統可測的流速范圍設置為可設參數，使用戶可以根據自身的需求設定實際測量流速范圍。由于本系統由可測流速的局限，因此也限制了流速范圍3R的設置，本系統將該參數數值的設置范圍設定為可測量的流量的5％一100％。
6．脈沖系數要實現將瞬時流量的數值轉換成脈沖對外輸出，需要定義每對應多大的瞬時流量對外要輸出多少個脈沖。將該參數命名為脈沖系數，它的含義是每單位的流量對應的脈沖數。將該參數定義為可設置參數，參數的設置范圍為O．00卜1000， 單位是每升多少個脈沖。
7．脈沖寬度系統要求瞬時流量的脈沖輸出中的脈沖寬度是可調整的，因此定義脈沖寬度稀疏，將脈沖寬度參數設計成用戶可設置。本系統將該參數的設置范圍定義為O．0032ms一2000ms。
8．電流輸出
根據系統的需求分析，要實現系統電流輸出的功能，但不同的用戶對于輸出電流的大小要求是不相同的，因此定義不同的電流輸出范圍如下4—20mA、O一20mA、0一lOmA、2一lOmA、O一5lIIA、O一10—20mA、4一12—20mA，滿足不同用戶對電流輸出的要求。
6．阻尼系數對于不同的工作場合，對于檢測儀表的響應速度有不同的要求。設計阻尼系數用于方便用戶根據自身的需要設定儀表響應速度。木系統將阻尼系數的設煢范圍設置在0．1s到99．9s之間。
7．標定系數為了便于系統進行實流標定，定義標定系數。通過調整系統的標定系數可調節系統穩態誤差。
8．系統工作零點系統工作零點也就是傳感器內液體流速為Om／s時系統的輸入。
9．系統電極電壓零點系統電極電壓零點定義為傳感器內液體流速為Om／s時系統電極電壓的輸入。
10．系統正反向滿量程工作點系統滿量程工作點定義為傳感器內液體流速為系統可測流速時系統的輸入。由于管道內流速有正反向之分，因此滿量程工作點也分為正反向滿量程工作點。
根據以上設計，設計軟件系統用戶可設置菜單如圖3．8所示圖3．8系統可設置菜單F唔3．8 system con矗guration menu 報警子菜單下層菜單如下所示： 圖3．9報警子菜單F嘻3．9 submenu Alarm 功能檢測子菜單下層如F所示， 圖3．11累計流量子菜單Fig．3．1 1 submenuTotalizer 顯示模式子菜單及其子菜單如下圖所示： 圖3．12顯示子菜單Fig．3．12 submenu display 儀表調節子菜單以及下層菜單如下所示：擴展閱讀：開封中儀流量儀表有限公司專業生產電磁流量計、孔板流量計、渦街流量計、文丘里流量計、V錐流量計、V型錐流量計、噴嘴流量計、插入式電磁流量計、智能電磁流量計、分體式電磁流量計、一體式電磁流量計、標準孔板流量計、標準孔板、一體化孔板流量計、標準噴嘴流量計、長徑噴嘴流量計、標準噴嘴、長徑噴嘴、插入渦街流量計、智能渦街流量計，更多信息請訪問開封中儀網站：
