1 引 言
随着大中型储油罐对液位的测量提出精度更高、量程更大、参数更多的要求,大多数油罐采用各种自动化测量仪表进行液位测量,如压力式、电容式、电导式、超声波式、浮子式和雷达式等液位测量仪表[1],其测量水平虽已达到较高的自动化程度和测量精度,但上述方法大都采用电激励和电信号传输,极易因火花放电而引起火灾,成为油罐液位测量的潜在危险因素。近年来,光纤传感器已成为现代传感器技术发展方向之一[2]。基于光纤法布里2珀罗(Fabry2Perot,F2P)干涉仪原理的连续型光纤液位传感器[3]仅使用一根光纤就可实现全光传感和信号的远距离传输,具有测量精度高、无电源、防爆和抗干扰能力强等特点[4],可广泛应用于石化行业组成本质安全的分布式高精度光纤液位测量系统。而光纤液位监测仪是分布式高精度光纤液位测量系统中最核心的部分,它利用光电探测器将光纤传来的微弱光信号转换成电信号,通过数据采集电路及各种复杂算法实现高精度数据处理。这就要求光纤液位监测仪的中央处理器具有很强的数值计算与处理功能,此外液位测量系统的数字化和分布式控制的发展趋势,要求光纤液位监测仪具有多节点、高速率、可靠的实时数据通信能力,所以对数据通信总线也提出了较高的要求。本文提出了基于DSP和CAN总线的光纤液位监测仪,并从A/D数据采集电路、数字信号处理模块及CAN总线通信三个方面阐述了光纤液位监测仪的核心电路模块,最后通过实验验证了该监测仪的可行性。
2 光纤液位测量原理
光纤液位传感器利用测量液体压强的原理实现液位高度的检测,实质上是一个精密的光纤压力传感器,它使压强的变化转换为光纤F2P腔腔长的变化,然后通过测量反射回的信号光光强的变化进而测出压强的变化。光纤液位传感器的传感头设计上采用一圆形恒弹性薄片(实际传感头制作中,弹性薄片材料可选用圆形薄硅片)作为F2P腔的一个端面,并将其抛光的一面作为反射面,光纤对准中心,经过光学处理的光纤端面直接作为另一个反射面,这样,在恒弹性薄片与光纤端面之间就形成一个F2P腔。当压强作用于光纤液位传感器传感头上的恒弹性薄片,该弹性片会产生弹性形变,弹性形变的大小不仅与所受的液体压强有关,还与弹性片尺寸有关。根据弹性力学原理,圆形恒弹性薄片在均匀载荷情况下,压强p与形变量的关系[5]:
液位高度不同,圆形薄片承受的压强p不同,从而产生的形变量h不同,即F2P腔腔长发生改变。来自光源的光在两个端面反射,两束反射光由于相位不同而发生干涉,反射回的信号光输出由于腔长的改变使干涉输出的信号光强发生相应变化。测量输出信号光能量可得到液位相应压强的大小,再由液体内部压强和深度的关系可得出当前液位高度:
3 光纤液位监测仪核心电路模块
3.1 总体设计
光纤液位监测仪硬件核心实现主要包括:A/D数据采集电路、数字信号处理模块及CAN总线通信。DSP芯片通过数据总线和地址总线与FLASH及CAN控制器连接,采用复杂可编程逻辑器件CPLD实现各芯片间逻辑连接,同时采用SJA1000和82C250等构成CAN总线接口。整个监测仪核心电路模块的硬件框架如图1所示。
3.2 数字信号处理模块
通用的DSP芯片已较易获得[7],DSP是一种具有特殊结构的微处理器,其丰富的软硬件资源使其比单片机更适用于较复杂的高速精度数据处理系统,专用硬件乘法器和特殊DSP指令及浮点数据处理能力大大减少了CPU的软件开销。选用32位具有浮点运算和数字信号处理能力TMS320VC332120(VC33)芯片为核心组成光纤液位监测仪的数字信号处理单元,以实现光纤液位测量数据的采集及CAN总线通信等功能。电源管理模块采用TI公司推荐的具有电源监视功能的TPS767D318,它将+5V电源电压转换成3.3V和1. 8V,同时具有电压波动和掉电检测能力。为了增强监测仪的灵活性,提高电路的集成度,采用CPLD来组成外围逻辑电路实现DSP应用系统中的各个电路间的逻辑粘接,完成地址译码、读写控制、时序控制等功能。在光纤液 位监测仪电路中,DSP是在CPLD的控制下完成各种数据处理以及CAN总线通信。
3.3 A /D数据采集电路
由于从光电探测器出来的液位光信号极其微弱,又含有大量的噪声,同时AD芯片的有效数据位和内部噪声等对数据采集的精度都有直接的影响[8],所以为了获得高精度的数据采集性能,选用低噪声、高增益的前置放大器AD620,以获得较高的信噪比,光电探测器输出的微小电流可以直接与芯片输入端相连。同时采用AD公司的16位高精度模数转换芯片AD976。实际应用中,采取循环采样,每个通道在20ms内采样64点,以旧覆新的方法保存数据,同时通过数据融合等软件处理方法抑制电路噪声,降低系统的动态噪声,从而实现高精度测量。
3.4 CAN总线通信
CAN总线通信主要由三部分构成:CAN总线控制器SJA1000、CAN总线收发器82C250和高速光耦器件6N137。VC33负责对控制器SJA1000初始化,并控制其实现数据发送和接收等通信任务。SJA1000的INT引脚与VC33的INT2相连,实现中断方式的CAN通信。利用CPLD译码逻辑产生SJA1000的地址锁存信号ALE、片选信号CS及硬件复位信号RST,即将ALE、CS及RST分别虚拟为存储器地址,由CPLD根据VC33在读写控制时的访问地址产生相应的控制信号。CAN总线收发器选用PHILIPS公司生产的具有多种保护和抗干扰能力的PCA82C250驱动器作为总线接口,并将其8脚接地选择高速工作方式,最高通信速率可以达到1Mbps。在CAN总线控制器和CAN总线收发器之间加上高速光耦器件6N137实现总线上各节点之间的电气隔 离功能,提高通信的抗干扰能力。
4 实时数据处理软件设计
光纤液位监测仪的实时数据处理应用软件主要由主程序、数据采集处理、CAN总线通信等功能模块组成。在实时处理软件的开发过程,采用C语言和汇编语言混合编程,使用TI公司的TMS320C3X仿真器和软件设计平台CODe Composer编译器,把汇编语言或C语言编写的实时数据应用软件经编译链接转变为DSP能接受的公共目标文件格式,最后将软件加载到目标板[9],软件实现流程如图2所示。
软件主要包括一个主程序main(),两个中断服务程序:定时器中断Tmi eInt()和AD转换结束中断ADInt()。主程序main()主要进行系统的初始化工作并等待中断的产生,系统的初始化主要任务包括设置总线控制寄存器、中断使能、DSP的缓存Cache以及SJA1000的初始化等,为读取输入数据后的处理做准备。定时器中断Tmi eInt()用来定时启动AD转换器,完成光纤液位测量数据的转换;主要的数据处理部分在AD转换结束中断ADInt()中,执行疏失误差的剔除、算术平均和递推估计相结合的数据融合方法及误差补偿等功能,提高测量数据的准确性和实时性,然后通过CAN总线接口输出经过软件处理后高精度光纤液位测量数据。
5 实 验
5.1 实验系统
上位机(PC)运行光纤传感器测试系统,利用智能CAN接口卡与光纤液位监测仪CAN总线收发器之间的高速双向数据通信,通信速率为500Kbit/s,通信协议采用问答式,是完全透明的,用户可以根据自己的需要进行相应的改动。
试验用高压气体(氮气)作为压力源,再将气体压力换算为液位高度,试验结构如图3所示。
气源中的高压气体通过数字微控制器控制的精密压力调节器,可以得到输出气体压力为0~0.4MPa的连续变化。气体经可实时监测气体压强的压力标定仪后送给光纤传感器,作为光纤传感器的压力输入,同时将它的压力模拟输出信号接入上位机光纤传感器测试系统。光源采用半导体激光器LD,产生的光通过隔离器进入3db2×2的光纤耦合器分成两路,一路为光纤传感器光源输入传感器,另外一路作为参考光。光纤液位监测仪将两路光信号进行高精度A/D转换,通过DSP芯片,利用其实时处理算法,进行高速实时数据处理运算,同时通过CAN总线输出高精度的液位数据到上位机光纤传感器测试系统。
5.2 实验结果
图4为2004208221 12∶00~2004208223 8∶00光纤液位传感器在恒定压力的作用下,光纤液位监测仪输出的传感器静态信号。
通过静态信号采集曲线图4可以看出:监测仪电路利用数字信号处理器DSP高速数据运算处理功能,能够实现实时采集、分析和处理,测量精度非常高,具有良好的长时间稳定性。同时CAN总线数据通信可靠,可满足分布式高精度光纤液位测量系统的实时性及分布式控制的要求。在实际硬件设计中可以采取抗干扰措施,以提高光纤液位监测仪的稳定性及测量精度,如可以在监测仪的电源、地线之间合理布置大量的去耦电容,并尽量增加电源、地线的宽度,同时考虑核心电路模块中DSP的运行速度非常高,且信号线密集,因此对高频数字信号可尽量采取走短线、少穿孔等合理布线以避免彼此之间的干扰和噪声的耦合。
6 结束语
本文将DSP芯片TMS320VC33应用于光纤液位监测仪,充分利用其强大的运算能力和丰富的外围接口电路,采用软件方法实现了实时高精度数据处理,同时将CAN总线引入到监测仪的数据传输,提高了光纤液位监测仪的可靠性、容错能力及可扩展性。在实际的分布式高精度光纤液位测量系统应用中,光纤液位传感器防爆标志为Ex,安装在油罐现场底部,而光纤液位监测仪和上位机系统安装在监控室,两者之间通过光纤连接,从而做到油罐液位被测现场无电压电流等电信号,完全实现了油罐现场无电安全实时监测,达到本质安全防爆。实验表明:该监测仪集多种功能于一体,具有本质安全、测量精度高、实时性好等特点,对进一步推动分布式高精度光纤液位测量系统的应用具有重要的意义,会有良好的市场应用前景。
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