【正文】 在測(cè)量?jī)x器中。因此用絕對(duì)誤差不便于比較不同量 值、不同單位、不同物理量等的準(zhǔn)確度。單位給出了被測(cè)量的量綱，其單位與測(cè)得值相同。絕對(duì)誤差的定義為 式中：D x ——絕對(duì)誤差； x ——測(cè)得值； x0——被測(cè)值的真值，常用約定真值代替。在測(cè)量中，由誤差表示測(cè)得值與真值之差。誤差是評(píng)定精度的尺度。因此，超聲波流量計(jì)的實(shí)際測(cè)量誤差，既包括超聲波流量計(jì)本身的誤差，也包括被測(cè)流體、被測(cè)管道，以及其它現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量條件在內(nèi)的整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的誤差。為防止上述情況的發(fā)生，在軟件設(shè)計(jì)時(shí)，可以用在程序存儲(chǔ)器中未使用的內(nèi)存區(qū)，反復(fù)用 NOP、NOP、NOP、NOP、LJMP MAIN 的語(yǔ)句填滿，當(dāng)程序失控時(shí)，只要單片機(jī)進(jìn)入這眾多陷阱中的任一個(gè)，都會(huì)被捕獲，然后連續(xù)進(jìn)行一個(gè)或幾個(gè)空操作（NOP），程序就會(huì)自動(dòng)跳轉(zhuǎn)至主程序（LJMP MAIN）重新運(yùn)行，這樣程序就恢復(fù)正常了。 程序運(yùn)行失常的軟件對(duì)策微機(jī)的程序是一步一步執(zhí)行的，由于外部的干擾或儀器內(nèi)的硬件瞬時(shí)故障， 會(huì)使程序計(jì)數(shù)器 PC 偏離原定的值跳到非程序區(qū)，導(dǎo)致程序失控，從而無(wú)法完成原設(shè)計(jì)任務(wù)。 ⑵回波信號(hào)有時(shí)會(huì)因?yàn)橐恍┰虬l(fā)生計(jì)數(shù)脈沖丟失現(xiàn)象，這樣就會(huì)給計(jì)數(shù)帶 來(lái)誤差，需要一個(gè)出錯(cuò)處理。如果程序跳到某一條單字節(jié)指令上時(shí)，就不會(huì)發(fā)生把操作數(shù)當(dāng)作指令碼的錯(cuò)誤，程序就自動(dòng)納入正軌；當(dāng)程序跳到雙字節(jié)或三字節(jié)指令上時(shí)，程序就將繼續(xù)跑飛。在上一節(jié)中我 們已經(jīng)做了介紹，所以這里不再重復(fù)。 在系統(tǒng)輸入信號(hào)中含有種種噪音和干擾，它們主要來(lái)自被測(cè)信號(hào)本身、換能 器或者外界的干擾。 單片機(jī)軟件抗干擾措施超聲波流量計(jì)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)，有時(shí)大量存在的各種干擾源雖不會(huì)造成硬件系統(tǒng)的損壞，但常常使單片機(jī)控制系統(tǒng)不能正常運(yùn)行，使數(shù)據(jù)采集誤差加大甚 至程序運(yùn)行失常。 發(fā)射接收子程序發(fā)射接收部分主要完成的是超聲波的發(fā)射接收，通過(guò)計(jì)算從超聲波發(fā)射到接收到這段時(shí)間，并且對(duì)高頻方波進(jìn)行計(jì)數(shù)，再通過(guò)調(diào)用計(jì)算子程序，就可以算出此時(shí)的流量。 顯示部分流程圖 實(shí)時(shí)時(shí)鐘子程序 進(jìn)入主程序后，DS12C887首先進(jìn)行初始化設(shè)置，若串行口有數(shù)據(jù)，最后則調(diào)用函數(shù)從日歷時(shí)鐘芯片獲取日歷時(shí)鐘信息，調(diào)用顯示函數(shù)顯示日歷時(shí)鐘信息顯示出來(lái)，重復(fù)進(jìn)行。另一方面接收到的高頻方波經(jīng)過(guò)非門電路輸入到單片機(jī)的接口，產(chǎn)生中斷，此時(shí)單片機(jī)通過(guò)P0口讀取所存到74LS245單元中的計(jì)數(shù)值，并且讀取實(shí)時(shí)時(shí)鐘單元中的時(shí)間值，再通過(guò)單片機(jī)的計(jì)算處理，最后送到按鍵顯示電路，顯示出實(shí)時(shí)的流量。主程序結(jié)束 主程序 開始并行口初始化實(shí)時(shí)時(shí)鐘初始化計(jì)數(shù)器初始化中斷系統(tǒng)初始化調(diào)用發(fā)射接收子程序調(diào)用實(shí)時(shí)時(shí)鐘子程序調(diào)用計(jì)算子程序調(diào)用中斷服務(wù)子程序 結(jié)束 系統(tǒng)主流程圖首先對(duì)整個(gè)裝置進(jìn)行初始化，然后開始啟動(dòng)實(shí)時(shí)時(shí)鐘單元，即DS12887芯片，開始工作，對(duì)計(jì)數(shù)單元進(jìn)行清零初始化；第二步，通過(guò)觸發(fā)繼電器觸發(fā)超聲波發(fā)射電路發(fā)射超聲波，同時(shí)觸發(fā)觸發(fā)器開始工作，使計(jì)數(shù)器對(duì)高頻方波開始計(jì)數(shù)。為了便于軟件的調(diào)試及今后的功能擴(kuò)展，我們采取模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 圖32 看門狗電路 第五章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時(shí)差法超聲波流量計(jì)是軟件和硬件共同組成的，硬件是功能得以實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，而軟件則是通過(guò)硬件最終實(shí)現(xiàn)全部功能的橋梁。數(shù)字地和模擬地分開，它們?cè)谝稽c(diǎn)相連；兩個(gè)探頭各自使用相 互獨(dú)立的地線，減小地線干擾耦合；儀表及探頭外殼接地； ⑦屏蔽技術(shù)。其與單片機(jī)的連接如圖32所示：⑤合理的布線技術(shù)。RESET引腳立即自動(dòng)產(chǎn)生高電平復(fù)位信號(hào)，并一直保持到電源電壓恢復(fù)正常；當(dāng)系統(tǒng)上電或掉電時(shí)，RESET 引腳也自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)高電平復(fù)位信號(hào)；當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，只要把關(guān)定時(shí)器達(dá)到其可編程的超時(shí)極限，RESET引腳立即自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)持續(xù)200ms的高電平復(fù)位信號(hào)。 圖31 X5045引腳排列 X5045 使用三線總線串行(SPI)外設(shè)接口,對(duì)芯片進(jìn)行操作的所有操作碼、字節(jié)地址及寫入的數(shù)據(jù)都從SI引腳輸入，寫入數(shù)據(jù)在串行時(shí)鐘SCK的上升沿被鎖存；從芯片讀取的數(shù)據(jù)從SO引腳串行移出，并在SCK的下降沿讀出數(shù)據(jù)。X5045是美國(guó)Xicor公司生產(chǎn)的集電壓監(jiān)控、把關(guān)定時(shí)器和串行 EEPROM 三項(xiàng)功能于一體的專用集成芯片。通過(guò) 給出復(fù)位脈沖可使系統(tǒng)復(fù)位，程序重新啟動(dòng)運(yùn)行。自動(dòng)增益技術(shù)除了使信號(hào)便于測(cè)量外，還可以有效地抑制 噪聲干擾； ④看門狗電路。在系統(tǒng)使用的各種直流電源（如+5V）的輸入端均跨接一個(gè)10～100μF ～ 陶瓷濾波電容，以抑制電源尖峰干擾；收發(fā)電路用兩套相互隔離的電源供電，這樣從地線耦合的發(fā)波干擾就會(huì)大大減小； ②接收范圍門。系統(tǒng)中我們使用的超聲波頻率為 1MHz，電源在這個(gè)頻率上對(duì)系統(tǒng)的影響不大，采用通常的電源濾波技術(shù)就可以消除其影響； ④發(fā)射信號(hào)對(duì)接收信號(hào)的干擾。對(duì)于 測(cè)量系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這些干擾不僅可能影響到數(shù)據(jù)的采集、各種控制信號(hào)的狀態(tài)以及 RAM 的讀寫，還會(huì)影響程序計(jì)數(shù)器的正常工作，使程序失靈，因此，必須采取有效措施來(lái)降低干擾。 由于單片機(jī)提供的電平是 TTL 的，而計(jì)算機(jī)提供的是RS232電平，要實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與計(jì)算機(jī)的通信，必須對(duì)它們進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，可用MAX232芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。 與PC機(jī)通訊接口考慮到大部分計(jì)算機(jī)只有RS－232接口，所以我們專門設(shè)計(jì)了一個(gè)RS－232 接口實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通訊。 在實(shí)際使用中，為了和89C52單片機(jī)統(tǒng)一，我們將MOT管腳接地用于選擇 INTE時(shí)序。(7)可編程方波信號(hào)輸出。其主要功能如下：連接原理圖如下圖27所示： 圖27按鍵顯示電路 時(shí)鐘電路 DS12887是美國(guó)達(dá)拉斯半導(dǎo)體公司最新推出的時(shí)鐘芯片，采用CMOS技術(shù)制成，把時(shí)鐘芯片所需的晶振和外部鋰電池相關(guān)電路集于芯片內(nèi)部，同時(shí)它與目前 IBM AT計(jì)算機(jī)常用的時(shí)鐘芯片MC146818B和DS1287管腳兼容，可直接替換。設(shè)定扇區(qū)地址為00000H～007FH 和00080H～000FFH。 AT29C010A存儲(chǔ)器與單片機(jī)的硬件接口電路圖如圖26所示，用 AT89C52 的P0 口作為存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)輸入/輸出端，通過(guò)P0口經(jīng)74HC373輸出低8位地址，P2 口和8155的PB6輸出端作為存儲(chǔ)器A8～A16地址，CE接ALE，OE接 。 圖25 控制計(jì)數(shù)部分示意圖 AT29C010A的特點(diǎn)：AT29C010A是在線快速編程和可擦除的只讀存儲(chǔ)器，具有大容量、小扇區(qū)，操作速度快，電路設(shè)計(jì)靈活，無(wú)需在數(shù)據(jù)寫入前進(jìn)行預(yù)擦除等優(yōu)點(diǎn)。 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路 超聲波流量計(jì)作為儀表，必須需要及時(shí)的對(duì)測(cè)量結(jié)果流量或者流速的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，還要存儲(chǔ)流量計(jì)的各種參數(shù)，包括換能器的頻率、管徑、聲路角、修正系數(shù)、計(jì)算公式等。通過(guò)門電路去觸發(fā)超聲波的第一次發(fā)射，同時(shí)觸發(fā)觸發(fā)電路，于是計(jì)數(shù)電路開始對(duì)晶振電路輸出的高頻方波計(jì)數(shù)，當(dāng)脈沖個(gè)數(shù)達(dá)到預(yù)定值時(shí)，關(guān)閉觸發(fā)器，計(jì)數(shù)電路停止計(jì)數(shù)并將計(jì)數(shù)值所存到74ls245中，然后單片機(jī)通過(guò)P0口將所存值讀入，就可根據(jù)上位機(jī)的操作做相應(yīng)處理。 電路設(shè)計(jì) 控制技術(shù)部分電路主要完成以下控制功能： ⑴控制超聲波換能器的切換并觸發(fā)換能器的第一次超聲波發(fā)射； ⑵接收電路范圍門的控制； ⑶控制計(jì)數(shù)電路的工作時(shí)序并從鎖存單元讀取計(jì)數(shù)值?？删幊檀型ǖ溃? 2 個(gè)16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器； 1288 字節(jié)內(nèi)部RAM ； 全靜態(tài)工作：0Hz～24MHz ； 主要有以下顯著特點(diǎn) ： 由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中ATMEL的89C51是一種高效微控制器，89C2051是它的一種精簡(jiǎn)版本。本設(shè)計(jì)采用的是89C51。一般的數(shù)字電路的輸出是不足以驅(qū)動(dòng)固態(tài)繼電器的，為此，我們還選用了74LS06通過(guò)上拉電阻來(lái)為繼電器提供足夠的電流來(lái)對(duì)其進(jìn)行操作。在實(shí)際電路中，我們采用了74LS138來(lái)對(duì)從單片機(jī)送達(dá)的控制信號(hào)進(jìn)行譯碼，決定該接通哪一個(gè)繼電器。當(dāng)信號(hào)接通后，由于繼電器實(shí)際上就是導(dǎo)線，所以不存在信號(hào)失真的現(xiàn)象，并且還能完成信號(hào)的隔離。作為對(duì)模擬信號(hào)的切換，可以有以下兩個(gè)方案：1　 采用模擬開關(guān)。由過(guò)零比較器可得到過(guò)零點(diǎn)信號(hào)；由雙路電壓比較器可得到過(guò)+ 信號(hào)，這三個(gè)輸出信號(hào)最后都送到單片機(jī)進(jìn)行邏輯控制。在這里，我們采用了電壓比較電路對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行有效性檢驗(yàn)，利用設(shè)置一個(gè)有效信號(hào)檢測(cè)門檻對(duì)信號(hào)的過(guò)零點(diǎn)、處進(jìn)行檢測(cè)。這個(gè)電壓經(jīng)過(guò)電阻分壓后在運(yùn)算放大器的同相端產(chǎn)生一個(gè)電壓，再經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器放大輸出，這樣就得到了 AD603增益控制端的電壓，從而起到調(diào)節(jié)放大電路增益的目的，實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大的自動(dòng)增益控制。并且在溫度范圍內(nèi)保持單調(diào)性。 D/A轉(zhuǎn)換器選用帶有緩沖基準(zhǔn)輸入(高阻抗)的10位電壓輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器( DAC) TLC5615，DAC具有基準(zhǔn)電壓兩倍的輸出電壓范圍，且DAC是電調(diào)變化的。 在每次進(jìn)行測(cè)量之前，應(yīng)該先根據(jù)上一次A/D轉(zhuǎn)換器測(cè)得的電壓值(第一次可以給出一個(gè)初始值)來(lái)調(diào)節(jié)第二級(jí)放大器增益控制端的電壓。TLC1543有三個(gè)輸入端和一個(gè)三態(tài)輸出端，即片選(CS)、輸入/輸出時(shí)鐘(I/O CLOCK)、地址輸入(ADDRESS)和數(shù)據(jù)輸出(DATA OUT)，這樣就和微處理器的串口有一個(gè)直接的4 線接口，從而可以實(shí)現(xiàn)與微處理器之間進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸。這樣，就可以利用 A/D 轉(zhuǎn)換器將采樣到的信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，供控制單元進(jìn)行增益控制，保證測(cè)量的準(zhǔn)確性。4) 采樣保持電路 超聲波接收信號(hào)經(jīng)過(guò)放大和濾波后，進(jìn)入采樣保持電路。首先，根據(jù)聲路長(zhǎng)度來(lái)估計(jì)一個(gè)脈沖最早和最晚可能到達(dá)的時(shí)刻，這樣，一方面可以防止發(fā)射超聲波直接耦合到接收換能器中，另一方面可以排除開關(guān)動(dòng)作帶來(lái)的干擾；然后，通過(guò)設(shè)置軟件延時(shí)。所以可以采用范圍門防止發(fā)射脈沖對(duì)接收信號(hào)的干擾。 圖21 第三級(jí)放大電路圖 圖22 濾波電路 如圖22所示，由 L、C 組成并聯(lián)諧振，由LC1 以及LC2組成串聯(lián)諧振，整個(gè)形成T型網(wǎng)路，實(shí)現(xiàn)了帶通濾波。但是要完全把干擾信號(hào)除掉是不可能的，我們只能將這些 干擾信號(hào)盡可能減小。我們選用具有高增益帶寬的放大器NE5532N，其增益帶寬積可達(dá)20MHZ，采用同相比例放大電路，其電路圖見圖21，選取為1K，為20K，為50K，電路的閉環(huán)電壓增益。當(dāng)VG的取值為V時(shí)，就可以實(shí)現(xiàn)0dB范圍的變換，達(dá)到自動(dòng)增益調(diào)節(jié)的目的。如果在5腳和7腳接上電阻，其增益范圍將處于上述兩者之間，增益的變化范圍為 40V G 。當(dāng)VOUT和FDBK兩管腳的連接不同時(shí)，其放大器的增益范圍也不一樣，其頻帶寬度可以為：9MHz、45MHz、90MHz。衰減器包括7段R2R梯形網(wǎng)絡(luò)。增益的調(diào)整與其自身電壓值無(wú)關(guān)，而僅與其差值 VG有關(guān)，增益和電壓的換算系數(shù) 25Mv/dB，即若VG的變化范圍為1V，增益的變化范圍為40dB，由于控制電壓 GPOS/GNEG 端的輸入電阻高達(dá) 50MΩ，因而輸入電流很小，致使片內(nèi)控制電路對(duì)提供增益控制電壓的外電路影響減小。AD603 的外部結(jié)構(gòu)圖如圖19所示： 圖19 AD603引腳圖管腳 1：GPOS 增益控制電壓正相輸入端（加正電壓增大增益）； 管腳 2：GNEG 增益控制電壓反相輸入端（加負(fù)電壓增大增益）； 管腳 3：VINP 運(yùn)放輸入端； 管腳 4：COMM 運(yùn)放接地端管腳 5：FSBK 反饋網(wǎng)絡(luò)連接端； 管腳 6：VENG 負(fù)供電電源端； 管腳 7：VOUT 運(yùn)放輸出端； 管腳 8：VPOS 正供電電源端 圖20 AD603結(jié)構(gòu)框圖 AD603 的簡(jiǎn)化原理框圖如圖20所示，它由無(wú)源輸入衰減器、增益控制界面和固定增益放大器三部分組成。管腳間的連接方式?jīng)Q定了可編程的增益范圍，增益在11～+30dB 時(shí)的帶寬為90Mhz，增益在+9～+41dB 時(shí)具有 9MHz 帶寬，改變管腳間的連接電阻，可使增益處在上述范圍內(nèi)。 本文采用美國(guó)ADI公司的AD603壓控VGA芯片作為自動(dòng)增益放大器。通常采用程控增益放大器來(lái)完成這一功能，其工作原理是將放大后接收信號(hào)的峰值采樣保持下去，經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換后去控制程控增益放大器的放大倍數(shù)，使輸出保持穩(wěn)定。其電路如圖18所示： 圖18 前置放大電路2　 自動(dòng)增益放大電路 由于超聲波流量計(jì)測(cè)量管徑的范圍很大（幾厘米～幾米），而且管壁情況和流體介質(zhì)也有很大差異，因此接收信號(hào)的幅值會(huì)有很大的不同（幾毫伏～幾百毫伏）如果僅采用普通的集成運(yùn)算放大器，對(duì)超聲波接收信號(hào)采用幅度鑒別的方式則可能出現(xiàn)誤判的現(xiàn)象。所以，我們選擇高輸入阻抗運(yùn)算放大器LF357，它采用 JFET組成差分輸入級(jí)，其輸入阻抗高達(dá) 10 12Ω。1　 高輸入阻抗的前置放大電路 該電路的主要作用是對(duì)超聲波換能器的接收信號(hào)進(jìn)行阻抗匹配放大。1) 放大電路 通常超聲波換能器接收到的超聲波信號(hào)是非常小的，只有幾毫伏，而一般 ADC需要采樣的信號(hào)的幅值為5V，所以必須對(duì)它