基于磁致伸缩液位计的油罐液位网络节点设计

基于磁致伸缩液位计的油罐液位网络节点设计
作者：杨勇；姚永乐





       油罐液位测量是油田集输过程和油库等部门的一项重要工作。油罐液位测量的准确性、便捷性反映了油田集输和油库运营及管理水平。随着计算机、微电子、传感器等高新技术的发展，各种新型的液位测量仪，如电容式、超声波式和光导式等仪表已经广泛应用到油罐测量领域。但这些液位仪绝大多数不具有总线接口功能，并且测量精度受环境等多方面因素影响，很难满足油料储存对日益提高的精度和自动化水平的要求。国外的一些先进液位仪虽然具有总线接口功能，测量精度能达到要求，但十几万乃至几十万的价格另绝大多数用户望而兴叹。磁致伸缩液位计是近几年发展起来的一种新型高精度液位计，将该液位计与CAN总线技术两者优势相结合，设计了基于磁致伸缩液位计测量油罐液位的网络节点。该网络节点适应能力强、稳定性好、结构简单、联网方便，在测量精度上达到了高级仪表的准确度，在使用上安全可靠，在成本上能为大多数用户所接受。使用该网络节点和CAN总线可以实现油罐液位网络测量系统，进一步提高油罐液位测量系统的自动化管理水平。

2、CAN总线与液位测量原理

2.1CAN总线简介

       CAN 即控制器局域网络。是应用于生产现场，在网络化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，又被称为开放式、数字化、多点通信的低层控制网络。它具有实时性好、可靠性高、系统构成容易以及系统开发价格低等特点，非常适合用于系统分布比较分散、环境比价恶劣的工业现场。CAN总线用于油管液位网络测量，为液位测量系统提供了强大的通信功能，如：实现了网络节点不分主从可以发送信息、多个网络节点同时发送信息按优先权高低排队发送、最远通信距离为10KM（速率5Kbps以下）、单节点对多节点及全局广播等几种方式传送接收数据、网络节点可达110个等功能。

2.2液位测量原理

       磁致伸缩液位计由测量头、波导管、磁致伸缩波导丝，以及内含磁铁的浮子组成。测量头中包含了脉冲发射、回波接收以及计数等电路。传感头安装在灌顶，波导管连同波导丝从灌顶插图罐内液体中，浮子沿不锈钢保护管随液面上生活下降。测量时，传感头中的脉冲发射电路定时在磁致伸缩波导丝上施加一个低电流的询问脉冲信号，即起始脉冲T1，该询问脉冲伴随自身所产生的一个环形磁场，以光速沿着磁致伸缩波导丝向下传递。当环形磁场遇到磁铁中产生的轴向磁场时，便会进行矢量叠加而形成一个螺旋形磁场，从而使波导丝发生扭曲并产生一个应变机械波脉冲信号。应变脉冲沿波导丝以固定的声音速度很快返回到传感头中的回波接收电路，并被转换为技术终止脉冲T2，询问脉冲和返回脉冲之间的时间间隔为：T=T1-T2

       由于电流的速度接近光速，所以询问脉冲的发出到返回脉冲发生的时间很短，在测量中忽略不计，对测量精度几乎没有影响，因此，T可作为返回脉冲从磁性浮子位置传播到传感头中的回波接收电路所需时间。如果返回脉冲传播速度（固定声速）为V，则磁性浮子到传感头的距离为S=T*V，因此，只要测量出询问脉冲和返回脉冲时间差T，就能测量出油罐液位高度。由于检测过程连续不断且响应时间极短，每当浮子随液位移动时，浮子新位置随之被检测出来，从而可获得高精度、高重复性的液位值。

3、网络节点硬件设计

       网络节点硬件以AT87C52单片机作为控制核心，设置了数据采集模块、CAN总线通信接口以及键盘和显示模块。各模块之间通过握手信号协调时序关系，液位采集模块将采集到的油罐液位信号转换为数字信号，送入单片机中存储，然后根据现场情况的需要，对液位数字信号进行处理和CAN协议信号帧打包，并经过CAN总线通信接口发送到CAN总线上，同时CAN总线通信接口也可以从外部总线接收数据包并根据协议要求进行相应处理。键盘用于对液位仪测量参数的设置、测量方式的控制以及显示内容的切换控制等。显示单元显示液位仪的实时测量结果以及与上位机或其他节点的通信情况。

3.1液位采集模块

       针对某油库共有12个油罐，高度均为9m~15m等情况，同时考虑到信号传输的可靠性、系统电源的容量以及节点的兼容性和可扩展性，一个节点设置了3路也为模拟信号输入，即使用个磁致伸缩液位计份别对各油罐的液位进行测量，节点通过寻址可对单罐或多罐液位巡回检测。

       为了提高液位信号的抗噪声、抗衰减能力以及不受线电阻的影响，应选择具有电流传输方式的液位计。我们选择了拿度公司的TH型磁致伸缩液位计。该液位计采用符合工业标准的4-20mA电流环信号传输方式，三线制，24V工作电压，绝对位置输出，测量范围0-15m，非线性误差为±0.05%FS分辨率优于0.01%FS，工作温度为-25℃~+85℃，具有分辨率高、重复性好、稳定可靠、非接触式测量、寿命长、安装方便、环境适应性强等特点，非常适合用于大型油罐液位的测量。

       CC4051为八路模拟开关，可通过单片机的地址信息选择液位信号输入。RCV420为I/U转换器，可以将4-20mA电流信号转换为0-10V的电压信号，与A/D转换器件的电压输入范围达到一致。AD1674为12位A/D转换器，采用单极性电压（0-10V）输入，其功能与常用的AD574A兼容，但它的转换速度更快，一个转换周期只需10μs，而且自带有采样保持电路及三态输出缓冲器，可直接与单片机PI口相连，转换数据可分两次读入单片机。用该A/D转换器来采集变化速度较快的液位计输出信号是非常合适的。

3.2CAN总线接口模块

       CAN总线接口器件可以分为独立的CAN控制器和带有CAN功能的微控制器。考虑芯片的市场普及程度、开发工具及成本等因素，在保证CAN总线接口功能的前提下，选用功能相对独立、应用技术比较成熟以及价格低廉的芯片构成节点的CAN总线接口。单片机AT89C52既对液位采集模块进行管理、控制又兼作CAN总线接口的核心.SJA1000为一个独立的CAN总线控制器，他是早起的PCA82C200替代产品，它不仅与PCA82C200在管脚、电气特性上完全兼容，而且还增加了一种新的操作模式，这种模式支持具有很多新特性的CAN2.0B协议。经过简单连接和正确设置的SJA1000，能完成CAN总线物理层和数据链路层的所有功能，对于单片机来说，只要把它看成一个基本的I/O设备，就可以很方便的使用它。PCA82C250为CAN收发器，其主要功能是实现CAN控制器与通信线路的物理连接，提高CAN总线的驱动能力和抗干扰能力。由于系统传输距离较远，油库环境干扰大，选择光电耦合芯片6N137，对SJA1000和PCA82C250进行了电流隔离连接，以防止线路间的串扰。在具体连接电路时要特别注意：在CAN总线两端要接终端匹配电阻（R9），实现总线阻抗匹配，以消除线路的反射信号，保护PCA82C250免受过流冲击；当SJA1000的TX1引脚悬空时，要保持RXI引脚的电位在1/2Vcc左右，以保证形成CAN协议所要去的逻辑电平；系统的工作方式（即：高速方式，斜率控制，待机方式）取决于PCA82C250第8引脚的电阻R10.该电阻称为斜率电阻，为了降低射频干扰，一般采用斜率控制放回寺，其上升或下降的斜率取决于R10的取值；用单片机的I/O线P2.7控制SJA1000的RST引脚，可通过软件方便的对SJA1000进行复位控制。由于SJA1000内含数据锁存器，其地址/数据端可以直接与单片机的PO口相连，不需再增加锁存器。

4、软件设计

       节点软件设计主要包括液位采集模块和CAN总线接口两部分。考虑到软件升级换代和功能扩展，软件采用结构化的程序设计方案，使其具有较好的模块性和可移植性。编程语言采用C51，该语言十分类似于C语言，具有书写方便、编程效率高、可读性好等优点，是51系列单片机开发的常用语言。

4.1液位采集程序

       液位采集程序比较简单，主要就是单片机从P1口读取采集的液位信号，并存放到片内数据缓冲器，供单片机进行帧打包处理，以便发送到CAN总线上。其中的关键是规定好多路转换开关、I/U、A/D三个芯片的地址信号以及与单片机的握手信号，以便确定每一路液位信号采样的开始或停止。程序流程为：①初始化相关计数器；②选择一路信号A/D转换；③从P1口读取转换数据；④判断采样次数到否，不到则跳转到③步循环；⑤判断路数采样完否，未完则跳转到②步循环；⑥程序结束。

4.2CAN总线接口程序

       总线接口程序的设计相对硬件比较复杂，是节点设计的重要内容。该程序主要包括CAN控制器初始化、报文接收、报文发送、CAN总线错误处理、报文过载处理、总线脱离处理、接收滤波处理等子程序。考虑到本系统通信任务相对简单，并且控制系统不同，功能要求不同，CAN总线通信软件也不尽相同，在此仅对具有一定通用性的CAN控制器SJA1000的初始化子程序进行介绍。该控制器的初始化，只能在复位模式下进行。其初始化工作主要包括设置工作方式和接收率波方式以及对接受代码寄存器（ACR）、中断允许寄存器（IER）、接收屏蔽寄存器（AMR）、波特率参数等进行设置。初始化后，SJA1000就可由复位模式退出而进入工作模式，完成正常的同心工作。初始化子程序的流程为：①关中断，进入复位模式；②初始化时钟分频寄存器，设置CAN模式，旁路输入寄存器，时钟信号输出控制；③设置总线定时器（BTR），定义总线位速率及位周期上的采样点等；④设置输出控制寄存器（OCR），确定TXO、TX1管脚的输出模式及配置；⑤设置寄存器ACR、AWR，过虑信息帧；⑥退出复位模式，开中断，进入工作模式。

5、结束语

       针对我国目前油罐液位测量的现状，将CAN总线技术和磁致伸缩液位计两者优势相结合，设计了基于磁致伸缩液位计测量油罐原味的网络节点。该节点具有测量精度高、适应能力强、稳定性后、结构简单、成本低廉、联网方便等特点。同时也使得磁致伸缩液位计有了CAN总线接口能力，为构建油罐液位高精度CAN网络测量系统个，进一步以提高油罐液位测量系统的自动化管理水平奠定了基础。





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