周家领

(眉山职业技术学院，四川眉山232001)

基于IEEE754标准的流量计表头设计*

周家领*

(眉山职业技术学院，四川眉山232001)

针对目前国内大多数流量变送器仅输出频率信号和模拟电压信号的现状，研制了一种基于Modbus协议支持远程实时监控的标准化表头。按照IEEE754单精度浮点数标准由RS485负逻辑电平差分信号组成全双工通信网络，数据链路层基于Modbus议将流量计表头所测数据传输至上位机。上位机监控系统采用亚控组态王软件编写，支持远程访问、数据超限报警、参数设定等功能。实验结果证明:此标准化流量计表头切实可行，调试结果满足精度要求，且输入电压范围宽、抗干扰能力强、通讯稳定可靠。

IEEE754;流量计;12C5A60S2;Modbus

1 国内外标准化流量表头现状与发展

目前国内市场上的流量计多数只具备有4 mA～20mA电流与脉冲输出功能，而没有通信接口。如果流量计要与上位机通信构成监控系统，还需要变送器再外接RS-232、RS-485、USB等标准通信接口把现场测量仪表和上位机连接起来［1］。

当前国外约89%的流量计采用mAHART通信协议，因为采用mAHART通信协议的流量计在安装难度和操作要求上都低于采用modbus RTU协议的流量计，但是，随着自动化水平不断提高，用户希望从流量测量中获取更多的信息，比如，状态检测和诊断信息等，这些数据传送都需要依赖通讯接口支持。西门子等行业巨头正在着力推行现场总线协议的流量测量技术，这必将不断推动现场总线协议流量计在各个行业的发展［2-3］。

2 系统整体方案概述

本标准化流量计表头设计主要分成两个部分即:整体硬件设计与软件设计。其中硬件设计包含电源模块，单片机系统，接口电路处理RS-485通信部分，RS-232通信部分，显示模块，PCB板制作。软件设计主要包括Modbus标准协议在控制芯片中的实现，上位机监控软件组态王编程。图1为系统硬件结构图。

图1 系统硬件结构图

本标准化流量计表头支持宽电压输入，允许的最高输入电压为DC50V，RS-485通信电源与控制系统电源隔离，有助于提高系统稳定性抗干扰性，频率测量与电压测量功能可由功能按键或者上位机发送功能码设定，输入信号通过接口电路被单片机12C5A60S2采集与处理，之后单片机将需要现场显示的数据送给1.8寸TFT显示屏显示，同时将相应数据按照Modbus标准帧格式打包通过RS-485发往远程监控上位机。

3 硬件整体设计

3.1 电源模块

任何系统电源都是设计首要考虑的问题，电源不稳定系统其他部分再好整体性能也达不到很好的效果，对此本设计就电源设计部分进行详细描述，本次设计为提高电源工作效率降低发热量缩小电路空间提高系统稳定性抗干扰性使用了开关电源芯片与电源隔离芯片。

图2 电源模块LM 2576T

本原理图J1为外部电压输入端，支持7.0 V～50 V输入通过调节可变电阻R6可有1.2 V～-50 V电压输出最大输出电流3 A输出电压供下一级元器件使用。具体输出电压VOUT=VREF(1+R2/R1)。

为做到真正的电气隔离，控制信号与收发信号独立供电，采用了5 V输入5 V隔离输出的DC-DC模块B0505s-1w。此级的输入电压来源于线性稳压7805T的输出。为了扩展本标准化表头的通用性适应性增设电源输出接口供其他器件使用，分别为第1级1.2 V～50 V可调输出，在使用时不超过7805的最大耐压值，第2级5 V线性电压;第3级5 V隔离电压输出。

3.2 单片机模块

本次设计中使用的控制芯片采用的是宏晶公司STC12C5A60S2系列单片机。

单片机最小系统由震荡电路，复位电路，单片机和电源组成，单片机的P0口加了上拉电阻。根据官方技术文档当时钟频率高于时钟频率高于12 MHz时，建议使用第二复位功能脚，可以不用C1，R1接1 kΩ电阻到地，此时的最小应用系统如图3所示。

由7805T输出5 V电压供电，外接24 MHz晶振，P0口外接1 kΩ上拉电阻，P4.6为第二复位引脚按照官方技术文档外接晶振超过12 MHz是推荐使用，本标准化流量计表头外接24MHz晶振使用第二复位引脚。第一复位引脚P4.7外接一个1 kΩ电阻到地。

频率测量功能实现:在测量外部脉冲信号频率时本设计使用STC12C5A60S2单片机自带的可编程计数器阵列(PCA)模块。STC12C5A60S2集成了两路PCA模块，使用此模块可实现软件定时器、外部脉冲捕捉、高速脉冲输出以及脉宽调制(PWM)输出功能［4］。DA功能实现电路原理图如图4所示。

本设计输出模拟信号运用于一般的场合无需很高的精度，12 bit的PWM可以完成设计要求。

STC12C5A60S2系列单片机的PCA模块可以通过程序设定，使其工作于两路12 bit PWM模式，即模块CCAPMn寄存器的PWMn和ECOMn位置位。

由于两路PWM的实现是基于同一个PCA定时器的，所以它们的输出频率相同。但各个模块的输出占空比可以独立变化，具体占空比的值与所使用的捕获寄存器［EPCnL，CCAPnL］有关。当寄存器CL的值小于［EPCnL，CCAPnL］时，PWM输出波形为低电平;当寄存器CL的值等于或大于［EPCnL，CCAPnL］时，PWM输出波形为高电平。当CL的值由FF累加溢出变为00时，单片机自动将［EPCnH，CCAPnH］的内容装载到［EPCnL，CCAPnL］中。这样就可轻松实现更新PWM占空比。输出的PWM波通过低通滤波器即可输出0～5 V的电压。

图3 STC12C5A60S2 LQFP44最小系统原理图

图4 STC12C5A60S2 PWM模拟DAC原理图

3.3 通信接口电路的硬件设计

本标准化流量计表头为实现基于Modbus协议的远程监控，超限报警［5］。考虑到基于差分信号传输的RS-485总线本身具有抗干扰能力强等特点，在通信接口电路上选择时下工业应用较多技术完善的RS-485接口标准，同时为了方便程序的下载调试扩展本流量计表头的功能，增强其适应性又增加一RS-232接口。

STC12C5A60S2串口TTL电平到RS-485接口电平的转换采用的是芯片MAX485。RS-485输出电路设计关键是抑制线路上的各种干扰，输出电路与传输线路特性阻抗的匹配。由于工程环境复杂干扰源不确定，485总线接口传输端一定要加有保护措施。在本次电路设计中采用能够抗浪涌的TVS瞬态杂波抑制器件。在实际运用中，由于通信载体一般是双绞线，它的特性阻抗为120Ω左右，所以为减少线路上传输信号的反射，在线路设计时，通常在RS-485网络传输线总线的始末端各接1只120Ω的匹配电阻。

3.4 单片机程序设计

本标准化流量计表头下位机编程设计的主要分成以下几个部分:Modbus协议在单片机上的实现;电压、频率的高精度测量。PWM模拟DAC的实现。单片机编程流程图如图6所示。

4 上位机监控界面组态王

为了使单片机与组态王之间按照Modbus协议进行通信，本设计中使用组态王设备列表中的“莫迪康”。下位机调试阶段定义的地址为1，所以此处地址选择“1”。组态王中不同类型的寄存器格式对应于不同的变量类型，要使组态王能与下位机正常通信，必须保证上下位机数据的类型相对应。在Modbus规约驱动中，SwapF寄存器用于改变FLOAT型数据的字节顺序，SwapL寄存器用于改变LONG型数据的字节顺序，只有0，1，2，3 4种取值。在通讯时从0001地址读取的4个十六进制值为HV1，HV2，HV3，HV4，则按iEEE754标准浮点数的格式。本文设定SwapF=0，转换后浮点数对应的内存值为:HV4 HV3 HV2 HV1;单片机在相关数据输出时也按照这种标准格式［6］。

图5 RS－485光耦隔离电路原理图

图6 单片机程序流程图

用户可根据自己的具体要求，修改不同寄存器的内容。下位机具有AD采集、频率测量、瞬时、累计流量显示、功能设定等功能，下位机的地址可由用户在上、下位机设定。如果在通讯过程中有设备断线，组态王经过两次查询未果，将送出问号，并继续与其他设备通讯。通过设定可定时查询故障设备是否恢复通讯。具体寄存器配置如表1所示。

表1中所有的浮点数符合IEEE754标准;从站初始地址为十六进制的00～FF。

配置信息:波特率:4 800 bit/s。循环冗余校验(CRC)，对全部报文内容执行校验。除CRC校验外，所发送字时均是先高位字节后低位字节。

组态王用于显示的监控界面如上所示，累计流量定义到寄存器40001;流量系数可由后台设定到寄存器4003，工况流速定义到寄存器4005;测得数据可以使电压或频率在寄存器4007显示。组态王在显示前可根据外界不同电压范围与测量的频率范围设定相应数值。设定界面如上所示，流量系数设定到寄存器4003，输入的频率最值与电压最值直接决定输出电压的大小所以要在此设定。

表1 寄存器地址及定义

5 表头精度实验

为了验证所设计表头的精度，采用标准函数信号发生器输出标准频率信号、高精度稳压电源输出标准电压信号供表头采集。

表头所需三级电源分别由插针引出，6路PCB接线端子分别对应于输入电源，输入频率，输入电压，输出电压，按键，RS-232与RS-485通信，RS-232与RS-485有P6通过跳线帽按实际使用时需要短接。

调试测量数据误差分析如表2所示。

通过以上数据分析可以看出，通过PCA捕捉测频在50 Hz到500 000 Hz范围内精度满足设计要求;电压测量在0～5 V范围内精度满足设计要求;通过PWM模拟DAC实现设计要求，总体调试结果满意，系统稳定性高［7-8］。

图7 精度测试实验

表2 误差分析数据表

6 结束语

本标准化流量计表头可以实现0～60 kHz内(不用分频器)的高精度测量通过对实测数据的误差计算结果证明能够满足设定要求，在电压测量与PWM模拟DAC实现上误差也控制在本项目要求的范围以内。总体来说本智能型标准化表头紧跟物联网发展的步伐同时具有现场显示与远程监控功能。与市场现有的单一显示功能的产品相比更先进，更具市场占有率。调试结果与预期一致，具有测量精度高、输入电压范围宽、抗干扰能力强、通讯稳定可靠等特点。符合智能仪表发展方向，可以逐步在市场上应用。

［1］林伟，徐林.智能V锥流量计的研究［J］.电子器件，2014，37 (1):17-21.

［2］ProfW K.IEEE Standard 754 for Binary Floating-Point Arithmetic［D］.University of California:Berkeley，October 1，1997.

［3］Kang Ding.Frequency Estimation Accuracy Analysis and Improvement of Energy Barycenter Correction Method for Discrete Spectrum［J］.Journal of Mechanical Engineering，2010，46(5):43-46.

［4］Fu Cong，Song Zhitang，Chen Houpeng，et al.A Novel Low Ripple Charge Pump With a 2X/1.5X Booster for PCM［J］.半导体学报(英文版)，2012，33(9):1-6.

［5］佟为明，胡素君，刘勇，等.一种体现Modbus主要技术的实验系统［J］.电子器件，2009，32(4):834-839.

［6］卢文俊，冷杉，杨建军.基于Modbus协议的控制器远程监控系统［J］.电力自动化设备，2003，23(6):54-56.

［7］蒙建波，朱林章.自适应频率测量方法(AMF)在涡街流量计中的应用［J］.自动化学报，1992，18(3):362-366.

［8］王保强，窦文，白红.高精度测频方案设计［J］.成都信息工程学院学报，2002(2):77-81.

周家领(1976-)，男，汉族，安徽毫州人，眉山职业技术学院教师，本科，讲师;主要从事机械制造及其自动化方面的教学与科研工作，主持省级教科研项目1项，主持省级教科研项目1项，院级科研课题3项，主编出版教材3本，921183389@QQ.com。

Design of Flow M eter Based on IEEE754 Standard*

ZHOU Jialing*

(Mechanical Vocational and Technical College，Meishan Sichuan 232001，China)

In view of existing situation that frequency signal and analog voltage signal aremeasured bymany flowmeters，a standard gauge supported for remote real-timemonitoringwas developed based on the Modbus protocol.Half duplex communication network is composed of RS-485 with the feature of differential signal negative logic.Flow meter data in the form of IEEE754 single precision floating-point standard will be transmitted to the host computer in the datalink layer of the OSImodel based on Modbus protocol.PC monitoring system is programmed by the Kingview，supporting remote access，data overrun alarm，parameter setting and other functions.The experimental results show that:the standard flowmeter design is feasible，the debugging result is consistentwith the expected，has thewide input voltage range，strong anti-interference ability，stable and reliable communication etc.

IEEE754;volumetric flowmeter;12C5A60S2;Modbus

C:7320W;7250

10.3969/j.issn.1005－9490.2017.01.024

TH 85

:A

:1005－9490(2017)01－0125－05

项目来源:四川省教育厅一般项目(16SB0373)

2015-09-08修改日期:2015-10-18