关键词：CAN总线 数据传输 汽车仪表 应用
中图分类号：TH702 文献标识码：A 文章编号：1007-3973(2011)004-038-02
现代汽车是一种复杂的机电一体化设备，随着计算机技术和集成电路技术的迅速发展，汽车中各种自动控制的子系统应用日益增多。为了使各个子系统能协调一致的工作，并且要求其容错性和可靠性更强，在数据交换的信息量增加的情况下却不增加线束的数量，需要将各分布的子系统用网络连接起来以达到降低成本、提高整车可靠性的目的，控制器局域网CAN(ControllerAreaNetwork)――一种串行数据通讯协议在国际上应运而生。目前许多轿车中的电子电路系统就采用了集中控制CAN数据通讯技术。
1 CAN总线简介
CAN总线是由德国Bosch公司为汽车的检测和控制系统设计的一种总线式串行通讯网络，也可用于工业过程控制设备和监控设备之间的互联。
在CAN总线以前，为了达到汽车仪表指示器和传感器之间的信息交换和汽车各控制器和各模拟信号或开关型传感器的互联，必须用点到点的连接方式把它们相互连接在一起，电路十分繁杂。CAN总线的引入解决了这些问题，因为它利用一条串行总线将所有控制系统连接起来，通讯介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。通讯速率可达1Mbps，传输距离最大可以到40mm。
CAN总线通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能。可完成对通讯数据的成帧处理。CAN可以多主方式工作，网络上任意节点均可主动向其他节点发送信息，网络节点可按系统实时性要求分成不同的优先级，一旦发生总线冲突，会减少总线仲裁时间。CAN总线数据段最多为8个字节，可满足汽车控制命令、工作状态及测试数据的一般要求：同时8个字节不会占有总线时间过长，保证了汽车控制及仪表显示的实时性。正因为CAN总线卓越的特性，极高的可靠性和独特的设计，90年代中期开始就在汽车上得到越来越广泛的应用。
2 CAN总线在汽车仪表中的应用
一种数据传输式仪表，它包含车速里程、发动机转速、油箱存油量和发动机冷却液温度四个指针式仪表机芯，以及28个报警指示灯、两组LCD数显窗口。仪表时刻收集CAN总线上的各种数据(多数由车身电脑发送)并进行处理、解码，输送到相应的指示机构中。
2.1汽车仪表与整车集成控制电子电器系统的联系
如图l所示，汽车仪表作为CAN总线的一个节点，参与车身电脑(NPL)和其他节点系统的数据交换。根据CAN通讯协议，仪表可被动接受，也可主动请求其他节点发送报文(即通讯数据)，这是新型数据通讯仪表的最大特点，即智能化进程。
2.2汽车仪表的工作原理
由于汽车仪表功能较多，仅介绍最典型的车速里程指示系统的工作原理(如图2)，其他仪表的工作原理与此类同。
安装在发动机变速箱中里程表专用齿轮边上的非接触车速传感器，利用感应线圈
’或霍尔元件产生代表一定车速的脉冲信号，车速与输出的脉冲频率成正比，脉冲信号进入车身电脑控制器中进行A／D转换；转换后的数字信号经处理后进入CAN收发器打包成一定格式的数据帧，并附加标识码发送到总线上。汽车仪表中的CAN接收器受到车速标识码的数据帧后，译码取得转速数据帧，经CPU运算(里程表转速比已经由软件预先写入)后一路发出8位电机驱动信号；步进电机直接带动仪表指针偏转到相应的车速刻度处，指示车速，另一路进入8段LCD显示驱动电路，显示出相应的里程书(当然轮胎的参数与车速的关系也预先由软件写入仪表寄存器中)。
2.3各功能模块的作用
采用CAN总线的仪表内部电路原理图如图3所示。TJAl054(IC2)
CAN总线收发器从CAN总线上将与本仪表有关系的报文(标识符相同)采集下来并激活本节点，完成网络目标层的工作。
D78F0828(IC1)――集CAN通讯控制器、仪表CPU中央处理器、液晶显示步进电机控制驱动电路为一体的大规模集成电路，它具有10个YO通讯端口。CAN控制器完成网络传输层的所有工作，中央处理器将数据包解码，并转换成步进电机的转角；或将数据包转换成报警灯逻辑代码输入到指示灯译码器中。
D6345(IC1)――报警指示灯译码器汽车仪表设计人员预先将各个报警器进行二进制编码。当CPU报警灯数据线输入IC1后进行译码，在端出口产生低电平，相应的报警发光二极管点亮，仪表盘上的指示符显示。
WHS――指示灯闪烁器为了降低整套仪表的功耗，仪表中众多的指示灯点亮时是在高频间断通电状态，在人眼不察觉的情况下，平均通电时间降低，减小了电能的消耗。若在需要灯光闪烁提醒驾驶员的情况下，闪烁器会降低频率达到每秒1～2次的视觉效果。
仪表的整机电路由于采用了最新型的支持CAN总线2，0B版协议的超大规模集成电路D78F0828，和其他专用集成电路，使元器件极少，电路简洁明了，调试十分容易。
仪表电路还余留了较多的扩展功能，例如车外温度显示、无级变速档位显示及其它报警指示功能，仪表在不需要做大的改动的情况下，可以方便的升级扩充。
3 结束语
CAN总线实质上是一种针对汽车和某些工业控制中信息量相对较少的优化设计的串行通信网络，它具有高效、实用和可靠的优良特性，现正在汽车上得到越来越多的应用。同时CAN总线具有一定的保密性，使已设计好的CAN相关汽车零部件极难伪造和仿制，但若重新设计CAN应用工程系统并不困难。因此，开发研制具有我国独立知识产权的汽车产品是我们汽车行业的目标和任务。
参考文献：
[1]钱云涛，邹继军，王进宏，郑勇芸.现场总线CAN原理及应用技术(第二版)[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.
关键词：车用仪表系统；CAN总线；设计
中图分类号：U463 文献标识码：A
作为车辆驾驶人员直观了解车辆运行状态的“平台”――车用仪表装置的重要意义是不言而喻的。传统机械模拟式车用仪表已经难以满足驾驶人员对车辆运行状态参数的多样化需求。新型车用仪表系统正基于对CAN总线技术的应用，逐步向着网络化以及数字化方向发展。本文即构建一种基于CAN总线的车用仪表系统设计方法，将具体设计要点与方案总结如下：
一、CAN总线性能特点
与常规意义上的串口通信方式相比，在CAN总线的实际应用中，其主要体现出了以下几个方面的性能优势：第一，基于CAN总线技术的传输速率最高可达到1.0Mbps左右，低速钐下的传输距离最远可达到10.0km左右；第二，基于CAN总线技术采用双线差分信号模式，可根据不同环境选择双绞线、光纤以及统筹电缆等通信介质；第三，基于CAN总线的通信协议自身对总线挂接节点数量无明显限制，仅受发送节点驱动能力影响，单个网段节点数量应控制在32个以内；第四，基于CAN总线技术的通信协议采用短帧结构，受外部因素的干扰小且传输时间短；第五，基于CAN总线技术的通信协议以多主站结构模式，搭载于总线上的各个节点平等，任意节点均可在CAN总线空闲状态下实现对数据的主动发送与传输。
二、系统硬件电路设计
1.系统整体方案分析
基于CAN总线的车用仪表系统应当通过搭载CAN总线技术的方式对车用仪表系统所产生各种模拟信号、数字脉冲信号、数字开关信号进行实时采集，获取发动机电控单元以及车身模块电控单元所对应信号数据，及时显示车辆里程、行驶速度等参数。整套车用仪表系统应当具有结构直观、数据精度高、线性度好、响应速度快、抗干扰能力强、重复性好以及性能稳定等诸多优势。
2.系统关键器件选择分析
在基于CAN总线的车用仪表装置硬件系统中，所涉及到的关键器件包括微控制器以及步进电机这两个方面。在器件的选择上应当关注如下问题：（1）微控制器的选择。本文所选择为控制为u PD78F0822B单片机，该装置与MCS-51有良好的兼容性，内部集成有步进电机控制驱动器、CAN控制器以及液晶驱动控制器等。应用该微控制器能够使外部电路设计更为简化，对提高系统整体抗干扰能力以及稳定性有重要意义与价值。（2）步进电机的选择。本文选用基于VID29-05型步进电机作为车用仪表系统步进电机装置。该装置属于精密性维特电机，内置180/1减速比的齿轮系，可用于车辆仪表指示盘中，实现数字信号与模拟信号的可靠转换。该步进电机需要依托于两路逻辑脉冲信号驱动，驱动方式包括微步式、分布式以及整步式这3种类型，所对应驱动频率最大值在600Hz左右。在本文研究中，为确保车用仪表系统运转更为稳定，减少硬件系统运转状态下的噪音干扰，对步进电机驱动方式选择为微步驱动模式，通过对细分驱动技术的应用，以与正弦更为接近的脉冲序列驱动电机，从而使步进电机能够获得更小的微步步进。
3.系统电路的设计
首先，在系统电源电路设计中，电源转换芯片选型为L7805型，该芯片为三端集成稳压芯片，内部含有过载、过热以及过流保护电路，系统内部电容可有效预防电源浪涌问题，对电压纹波脉动有良好的抑制效果。
其次，在信号数据采集电路设计中，以车辆运行速度周期信号为例，输入仪表盘的周期或脉冲信号，经过信号处理电路滤波一调整后，送入单片机定时/计数模块进行测量。由于LM393工作时噪声干扰的存在，会在输出端产生尖峰、阶跃等干扰存在，因此我们在信号处理电路与单片机端口之间增加了光电隔离器。光电隔离器TLP521是能量型元件，它的导通需要5.0mA左右的电流，由于尖峰噪声的电流不能使其导通，所以可以进一步过滤掉前端的干扰，保护单片机引脚的安全。
最后，在CAN总线通信接口电路设计中，PCA82C25O是CAN控制器和物理总线的接口，该器件可以提供对总线的差动发送和接收功能。PCA82C250主要特性有：与15011898标准完全兼容，高速率，具有抗汽车环境下的瞬间干扰，保护总线能力；具有斜率控制，降低射频干扰，过热保护，总线与电源及地之间的短路保护，低电流保护模式等模式。
三、系统软件模块设计
1.软件设计思路分析
整套基于CAN总线技术的车用仪表系统软件模块包括主程序模块、数据采集与处理模块、CAN总线通信模块、液晶显示器模块、步进电机驱动模块、数据储存模块这几个方面。模块开发语言环境为C语言，软件设计采用模块化设计方法。
2.仪表系统的子模块程序设计
首先，在基于CAN总线的通信模块程序设计中，初始化设计是最为重要的一个环节。CAN控制器在上电、硬件复位、节点错误终端等情况下必须进行初始化设定，涉及到包括中断配置、输出管脚配置、滤波器验收、滤波器模式、数据缓冲器以及总线位定时等功能。而在基于CAN总线的接收程序设计中，节点报文接收采用的是中断控制方法。由于本方案中所选型微处理器中报文信息会自动储存于内部扩展的RAM存储区中，因此可在中断程序中对数据进行直接读取与处理，对提高数据实时性有重要意义。
其次，在数据采集处理模块程序设计中，该模块的主要功能是对车辆运行速度以及燃油液位高度等关键信号进行实时性采集与处理。根据传感器输出频率以及调试结构，将脉冲信号采样周期控制为100.0ms，以6次采样结果平均值作为参考依据，故信号更新周期在600.0ms左右。程序实现中首先定时中断，然后采集车速信号并处理，燃油液位信号经A/D转换采样后设置采样次数为6次，对模拟量数据进行滤波处理，最终中断完成。
最后，在步进电机控制模块程序设计中，本模块的主要目标是确保仪表指针能够信号变化做出及时响应，同时避免步进电机指针出现过冲或失步等问题。因此，步进电机控制模块程序设计中采用基于24细分的驱动模式，运转精度为1/12°，用过引入加减速控制策略的方式以确保步进电机中指针运动轨迹的平顺性。
结语
对于我国而言，汽车工业的发展时间相对较短，所积累的经验也不够丰富，在汽车电子产品的研究开发以及生产能力上还比较薄弱。目前，汽车电子化开发与应用已成为评估汽车工业发展水平的重要标志之一。在这一背景下，展开对汽车电子产品的研究与开发工作已成为汽车工艺的迫切需求。当前车辆仪表所需显示的信息类型更多，内容更为多样，且精度要求更加严格，以往的电子式仪表难以满意上述要求。故本文提出一种基于CAN总线技术的车用仪表系统设计方案，望能够通过对系统的应用，以促进车辆仪表系统功能的进一步发展与完善。
关键词:测量;微处理器;智能监控
1、概述
自从1971年世界上第一种微处理器(美国Intel公司4004型4位微处理芯片)问世以来,微计算机技术得到了迅猛的发展.测量仪器在它的影响下有了新的活力,取得了新的进步.电子计算机从过去的庞然大物已缩小到可以置于测量仪器之中,作为仪器的控制器、存储器及运算器,并使其具有了智能的作用.概括起来说,智能仪表在测量过程自动化、测量结果的数据处理及一机多用(多功能化)等方面取得了巨大的进展.到了20世纪90年代,在高正确度、高性能度、多功能的测量仪器中已经很少有不采用微处理器的了。
2、测量系统现状
随着仪表功能的越来越强以及科学技术的进步,人们的生产行为、生活方式都发生了重大的变化,作为生活生产中非常重要的一项技术即监控技术的重要性正在逐渐被人们所认识和重视。监控系统的演变,是一个从集中监控向网络监控的发展历史。
3、设计目的
该项设计的目的是设计一种集多种测量功能为一身的并具有远程数据采集与控制功能的智能化监控仪表,力在消除多种仪表混用不兼容的现象。又由于引入了微处理器与总线技术,使得本次设计不仅可以测量多个量,而且具有联网实施远程控制方便检测的特点。本设计仪表具有以下特点:
①常规仪表与微处理器的结合组成智能化的监控检测仪表;
②可以测量交流电压、交流电压有效值、直流电压、直流电流;
③采用485总线芯片实现仪表远程操作;
④具有自动开关量输出与手动开关量输出;
⑤采用PC对各个仪表进行监控并对仪表测量数据进行采集。
4、系统总体设计思路
微处理器的发展使仪表具有智能化,智能化仪表有很多功能与特点。但是在现实生活中,常规仪表依然大量存在,比如,现在日常生活中大量存在的分立的电压表、电流表,这就使得同一采集点同时使用两个测量仪表甚至更多,在远程数据采集时,一个仪表就需要一个数据采集通道,使线路变的极其复杂,如果仪表的类型不一样则采集到的数据也各不相同,严重影响上位机的处理工作,更别说实现远程控制了。因此,一种可以将常规仪表融合到一起的仪表,并且具有总线功能与远程检测控制的仪表成为生活生产中迫切需要的一种设备。本文介绍的是为满足用户的这种需求而设计出来的一种智能化仪表―智能数字万用表的硬件设计过程。
智能数字万用表是将几种常规的仪表融合到一起的仪表。由于加入了微处理器使仪表具有了一定智能化功能,又由于加入485总线芯片便使得仪表具有了远程数据采集与控制的功能。
4.1智能数字万用表的系统框图
数字万用表是测量交流电压、直流电压、电流和电阻等参数的数字测量仪器。智能数字万用表是在数字万用表的基础上嵌入微处理器,且具有测量软件的多功能数字测量仪器,其结构为:
4.2系统结构分析与硬件框图
4.2.1系统结构分析
4.2.1.1测量电路:测量分4部分――直流电压、直流电流、交流电压、交流电压有效值,
①交流电压测量部分。
测量交流电压必须将其转化为直流,所以交流电压经过分压后需要整流电路将其转化为直流,这里整流电路使用由运放组成的有源滤波整流电路。这部分测量的是交流电压的平均值即我们所说的交流电压值。
②交流电压有效值测量。
在实际应用中,交流电压的有效值比电压平均值更为常用,而对于理想的正弦波的有效值等于平均值乘以波形因数1.11,然而有时测量的不是正弦波而是方波、三角波或者是不规则波形,它们的有效就不能用平均值乘以波形因数的方法求得,就必须用真有效值转换电路才能测量。本设计使用真有效值转换芯片AD637。
③直流电压的测量。
直流电压比较容易测量,分压后直接测量即可。
④直流电流的测量。
测量直流电流必须将其转化为直流电压,通常的方法是在电路中加入采样电阻,将电流转化为电压再运用测直流电压的方法直接测量。
4.2.1.2控制电路分为3部分――A/D转换部分、主控制部分、超量程保护部分。
①A/D转换部分。
A/D转换器选择ICL7135,ICL7135具有数码管动态显示输出,不用单片机就能显示测量结果,而且用串行数据采集的方法与单片机连接相当简单,这就有利于减轻单片机的负担。
②主控制部分。
微处理器是智能仪表的核心部分,它对仪表的性能影响很大。现在常用的有8位和16位单片机,这里我们使用ATMEL的AT89C51。
③超量程保护部分。
好的仪表都有一整套的保护体系,本设计有输入钳位保护与超量程保护。输入钳位保护使用二极管实现,超量程保护使用运放组成窗口比较器,对A/D转换前的电压信号进行监控保护。
4.2.1.3通信电路:
通信功能是智能仪表的基本功能,为了简单起见使用RS485通信,485总线通信是一种比较简单的通信总线技术,RS485采用差分信号负逻辑,+2V～+6V表示“0”,- 6V～- 2V表示“1”。RS485有两线制和四线制两种接线,四线制只能实现点对点的通信方式,现很少采用,现在多采用的是两线制接线方式,这种接线方式为总线式拓朴结构在同一总线上最多可以挂接32个结点。485通信芯片使用MAX485。智能仪表还要能够与PC通信,由于PC使用RS232通信,要想与485总线上的仪表通信就必须加232/485转换电路。
4.2.2 系统硬件框图
图2-1为系统的硬件结构框图,交流电压、交流电压有效、直流电压三部分共用一个分压电路,分压电路靠单片机控制继电器实现自动换档。直流电流的测量使用单独的电流采样电路将电流信号变为电压信号再进行测量,四个量的测量靠继电器进行切换,继电器由单片机控制。前级输出的电压信号经过具有自动稳零的斩波稳零第四代运放ICL7650放大后送入A/D转换器ICL7135进行AD变换再送LED显示与送单片机进行数据处理。仪表具有通信功能,7135处理后的测量数据由单片机发送出去,经过485通信芯片传送到远端的监控PC上,PC经过处理将这些数据显示到显示器上,实现数据监控。
苹果公司称，三轴陀螺仪操控技术的引入可使手机游戏方面的重力感应特性更加突出和直观，游戏效果大大提升，其与iPhone原有的感应器结合可让iPhone 4的人机交互功能达到一个新高度。甚至有专家预言，三轴陀螺仪将成为未来游戏设备，便携设备，手持智能设备的标配，引领技术潮流。什么是陀螺仪呢?三轴陀螺仪又有何奇妙之处，其真能改变游戏世界吗?
游戏设备进入操控体验时代
“手是最好用的工具!”Wii的标准控制器Wiimote具备指向定位及动作感应功能，可临空控制萤幕上的光标、侦测三维空间当中的移动及旋转，从而实现“体感操作”。此后，多点触控(Multi-Touch)技术在苹果公司的推动下，渐成主流。各种多点触控技术、体感技术除了在触摸液晶屏中广泛应用，为人们带来新奇的操控体验、游戏体验外，在鼠标等设备中也开始兴起。如苹果的Magic Mouse、雷柏的T senes是这样的代表产品，这类设备表面上看不到任何按钮，却具备强劲的操控功能，可充分发挥世界上最灵巧的人手的作用，这不得不让人感叹，游戏设备、便携设备正进人体感操控体验时代。
陀螺仪正是符合这种趋势的新的操控体验技术，什么是陀螺仪技术呢?这还得从陀螺谈起。陀螺(top)很多人都玩过，玩时用绳子缠绕陀螺后一抛，待陀螺旋转后，用绳抽，便可让其一直维持直立旋转状态。而陀螺仪(gyroscope)正是依据陀螺的角动量守恒的力学原理研究而成的一种仪器。陀螺仪做为一种用来传感与维持方向的装置，位于轴心可以旋转的轮子是其核心架构，其一旦开始旋转，由于轮子的角动量，陀螺仪便具备了定轴性和逆动性两种特性，陀螺转子以极高速度旋转时产生的惯性(定轴性)，具备反抗任何改变转子轴向的力量，有抗拒方向改变的趋向；并且，陀螺仪天生具备一种反作用力(逆动性)，当外力施加在旋转轴上时，旋转轴不会沿施力方向运动，而会顺着转子旋转向前90°垂直施力方向运动。
陀螺仪能提供准确的惯性、反作用力、方位、速度和加速度等信号，利用陀螺仪的这些特性，用户可在游戏中体验到更真实的感觉。例如，利用陀螺仪的定轴性可在飞行游戏中在控制姿态的同时还能获得真实的滑行或飞行体验，利用陀螺仪的逆动性可在冲浪、滑板、球类等游戏中让你更有浪奔浪涌的操控体验。总之，陀螺仪技术正在成为万众瞩目的新的体感操控技术，可让你的“手感”更好。
MEMS陀螺仪基本技术原理
要想将陀螺仪技术应用于手机、MID、手柄、鼠标、数码相机这样的小型设备中，将传统陀螺仪小型化是必然，为此，MEMS陀螺仪正全面走进数码设备、游戏设备。MEMS是什么呢?MEMS(Micro Electro Mechanical systems，微电子机械系统)是建立在微米／纳米技术基础上的前沿技术，其是一种可对微米／纳米材料进行设计，加工、制造、测量和控制的技术。它可将机械构件、光学系统、驱动部件、电控系统集成为一整体单元的微型系统。MEMS产品已被广泛地应用于喷墨打印头、微型投影仪(如DMD微镜阵列)、数码相机(防抖防震器件，使用MEMS陀螺仪产品即便在持续震动的环境中，也能准确地进行归零的动作)、笔记本电脑或MID、手机(如加速度计)、MP3／MP4、游戏机等消费电子产品中。陀螺仪利用这种技术，可在硅片上形成微米尺度的精密谐振结构，用来感应角速度的大小和方向。
与传统的利用角动量守恒原理的陀螺仪相比，MEMS陀螺仪使用了不同的工作原理。传统的陀螺仪是一个不停转动的物体，其转轴的指向不随承载它的支架旋转而变化。要把这样一个不停转动的没有支撑的能旋转的物体用微机械技术在硅片衬底上加工出来，显然难上加难。为此，MEMS陀螺仪在基于传统陀螺仪特性的基础上利用科里奥利力来实现了设备的小型化。什么是科里奥利力呢?科里奥利力(Coriolis force)也就时常说的哥里奥利力、科氏力，它是对旋转体系中进行直线运动的质点由于惯性相对于旋转体系产生的直线运动的偏移的一种描述，其来自于物体运动所具有的惯性，由于地球自转运动而作用于地球上运动质点的偏向力就是这样的代表，地转偏向力有助于解释一些地理现象，如河道的一边往往比另一边冲刷得更厉害。
MEMS陀螺仪是科里奥利力的最常见应用，MEMS陀螺仪利用科里奥利力(旋转物体在径向运动时所受到的切向力)，旋转中的陀螺仪可对各种形式的直线运动产生反映，通过记录陀螺仪部件受到的科里奥利力可以进行运动的测量与控制。为了产生这种力，MEMS陀螺仪通常安装有两个方向的可移动电容板，“径向的电容板加震荡电压迫使物体作径向运动，横向的电容板测量由于横向科里奥利运动带来的电容变化。”这样，MEMS陀螺仪内的“陀螺物体”在驱动下就会不停地来回做径向运动或震荡，从而模拟出科里奥利力不停地在横向来回变化的运动，并可在横向作与驱动力差90°的微小震荡。这种科里奥利力好比角速度，所以由电容的变化便可以计算出MEMS陀螺仪的角速度。
以意法半导体的MEMS陀螺仪为例，其核心元件是一个微加工机械单元，在设计上按照一个音叉机制运转(音叉机制的工作原理是通过安装在音叉基座上的―对压电晶体使音叉在一定共振频率下振动，当音叉开关的音叉与被测介质相接触时，音叉的频率和振幅将改变，音叉开关的这些变化由智能电路来进行检测，处理并将之转换为一个开关信号)。电机驱动部分通过静电驱动方法，使机械元件前后振荡，产生谐振，利用科里奥利力把角速率转换成一个特定感应结构的位移，两个正在运动的质点向相反方向做连续运动。只要从外部施加一个角速率，就会出现一个力，力的方向垂直于质点的运动方向。产生的力使感应质点发生位移，位移大小与所施加的加速度速率大小成正比，位于旁边的传感器就能感应出在定子和转子之间引起的电容变化，从而实现操控功能。并且，由于在控制电路内部嵌入了先进的电源关断功能，可以在不需要传感器功能的时候关闭整个传感器，或让其进入深度睡眠模式，便可大幅降低陀螺仪的总功耗。从而像手机等便携式设备就会由此获得更长的续航时间。
MEMS陀螺仪技术发展方向
在苹果公司的iPhone和任天 堂公司的wii游戏机的推动下，“运动传感”概念深入人心，具备微型化智能化特征的MEMS陀螺仪正成为用户关注的焦点，正成为消费类电子设备运动传感的关键器件。著名市场研究顾问机构Yole Development最新预测，MEMS陀螺仪、加速度计和磁感应器的销售额在2013年将达到45亿美元的规模。
先进工艺是保障MEMS陀螺仪技术得以走向现实的基础。MEMS加工除了使用大量传统的IC工艺外，还需要一些特殊工艺，如双面刻蚀、双面光刻等。通过在晶圆阶段整合MEMS晶圆与相对应的CMOS电子电路，目前产品已能将MEMS陀螺仪产品的封装缩小到mm级，最大厚度也仅为1mm左右，同时还能提供更高的效能、更低的噪声，与更低的半导体封装成本。新一代MEMs陀螺仪已普遍具备体积小、功耗低、精度高、成本低等诸多优点。
目前的MEMS陀螺仪产品包含单轴(如Z轴产品，可以由3个Z轴陀螺仪实现三轴功能)、双轴(如XY双轴、XZ双轴，可由1个XY双轴和1个z轴陀螺仪实现三轴功能)、三轴(XYZ三轴)，以及三轴MEMS陀螺仪结合三轴MEMs加速度计实现的所谓六轴产品。三轴陀螺仪可以同时测定6个方向的位置、移动轨迹和加速度，单轴陀螺仪要实现同样的功能需要三个单轴陀螺仪组合。相比单轴或双轴产品，合三为一或合二为一的三轴陀螺仪具有体积小、重量轻、结构简单、可靠性好的优点，是MEMS陀螺仪的发展趋势。单一的三轴产品比组合的三轴产品在集成度和体积上也更适合于消费类电子设备。
从MEMS陀螺仪的应用方向来看，陀螺仪能够测量沿一个轴或几个轴运动的角速度，可与MEMS加速度计(加速计)形成优势互补，如果组合使用加速度计和陀螺仪这两种传感器，设计者就能更好地跟踪并捕捉三维空间的完整运动，为最终用户提供现场感更强的用户使用体验、精确的导航系统以及其它功能。
为此，应用这方面技术的前沿厂商InvenSense(应美盛)公司的专家认为：“要准确地描述线性和旋转运动，需要设计者同时用到陀螺仪和加速度计。单纯使用陀螺仪的方案可用于需要高分辨率和快速反应的旋转检测；单纯使用加速度计的方案可用于有固定的重力参考坐标系、存在线性或倾斜运动但旋转运动被限制在一定范围内的应用。但同时处理直线运动和旋转运动时，就需要使用陀螺仪和加速度计的方案。”此外，为让设计和制作的陀螺仪具有较高的加速度和较低的机械噪声，或为校正加速度计的旋转误差，一些厂商会使用磁力计来完成传统上用陀螺仪实现的传感功能，以完成相应定位，让陀螺仪术业有专攻。这表明，混合的陀螺仪、加速度计或磁感应计结合的方案正成为MEMS陀螺仪技术应用的趋势。InvenSense的营销总监Doug Vargha亦为此表示：“若只使用传统的加速度计，用户得到的要么是反应敏捷的但噪声较大的输出，要么是反应慢但较纯净的输出，而如将加速度计与陀螺仪相结合，就能得到既纯净又反应敏捷的输出。”
MEMS陀螺仪当前市场状况
目前市场上，单轴、双轴、三轴的陀螺仪产品都有，其被应用于不同的需求场合。以InvenSense的IXZ-500及IXZ-650双轴MEMS陀螺仪为例，其是一款整合倾斜x轴及偏移z轴的两轴运动处理单芯片，能满足传统及超薄的新世代遥控器所有零件在线路板同一平面上的需求。其主要输出端具高精度的全格感测范围，亦可满足高需求数字电视及网络电视遥控器的需求，并具内建放大器的第二个输出端来侦测慢速动作的精确指针功能，可良好地满足家庭影院、机顶盒、个人计算机用3D遥控器与计算机空中鼠标对陀螺仪的需求。而其基于IXZ技术的运动处理方案可实现具计算机鼠标浏览能力等级的3D遥控器，将传统遥控器所需六到十个按钮的步骤在一个动作以内完成，单手动作即可快速翻阅节日单或可倾斜遥控器来调整适当的音量；当有游戏内容时，具有宽广的感测范围的3D遥控器还可配合快速手势动作来与电视机实现多媒体娱乐互动。
ST(意法半导体)是公认的消费电子和手机市场MEMS传感器主要供应商，已推出数十款以低功耗和小封装为特色的高性能陀螺仪。意法半导体可为客户提供1轴至3轴、30dps至6000dps灵敏度的各种陀螺仪传感器，让系统设计工程师能够解决不同的应用需求：从图像稳定器到游戏，从指向装置到机器人控制。特别值得一提的是，将陀螺仪、加速度计和磁感应计结台，并均衡利用三者各自的优点，ST也可做出解决方案更强大的手机、GPS产品。如其最新的LYPR540AH三轴陀螺仪可进行360°角速度检测，每个轴都能同时提供两个输出信号：用于检测高精度慢动作的400dps全量程数值，和用于检测速度非常快的手势和动作的1600dps全量程数值，使手机、游戏机、个人导航系统等便携设备具有高精度三维手势和动作识别功能。与一个3轴加速计配合使用，设计人员能够研制一种惯性测量单元，追踪并提供人、车辆以及其他物体的运动类型、速度和方向的全部信息。
在了解MEMS陀螺仪基本特点的同时，广大读者更关心的是该产品的市场具体应用状况。在具体产品应用方面，MEMS陀螺仪最早的成功应用是在DC／DV领域，目前在中高端的数码相机及主流数码摄像机产品中，几乎都内置有陀螺仪用于防抖等。而在游戏方面，任天堂的Wii MotionPlus配件是最早将该技术实用化的例子。Wii MotionPlus是一个三轴(单轴+双轴)定位加速度陀螺仪，在主芯片和运算放大器的帮助下可提供三个方向的体感定位能力。而Wii Remote手柄使用的是单个三轴加速计，两者连接起来后便可形成一个更高档次的六轴操控体系。
而iPhone 4则是全球首支内置MEMS陀螺仪的智能型手机，其采用了来自意法半导体的三轴MEMS陀螺仪，与同样来自意法半导体的三轴加速度计可以组成更高档次的六轴操控体系。与以前iPhonc中一直存在的加速度计(测定三个轴向上的线性加速度)相比，陀螺仪可更好地测定角速度，两者结合能够实现更加完善和精确的动作感应。iPhone 4现在除了可以感应手机左右的晃动以外还能感受到前后的倾斜，可为手机带来更强的在线游戏体验，并提供更强的室内导航、操控能力，通过将手机倒放就能调静音、摇摇手机就能拨出电话，甚至可用手机直接在半空中“签名”作为交易凭证。总之，只要手机制造商或程序设计者能想到的功能，其都能实现。正如乔布斯在会上的演示那样，当手持iPhone 4身体旋转一周时，屏幕上的对象也将随之转动，这在仅有加速度计动作感应功能的产品上是不可能实现的。
后记，MEMS陀螺仪大有可为
体积小、性能强、成本低的MEMS陀螺仪及其配套的MEMS加速度计正成为便携设备、游戏设备运动处理方案的首选，其可很好地满足手机、PMP、MID、空中鼠标、游戏控制器、遥控器、电子玩具和便携导航设备对封装尺寸和旋转传感精度的要求。iPhone 4率先在手机中应用三轴陀螺仪，为该器件在手机等设备中的普及化应用吹响了号角，将为用户手机游戏以及定位服务等功能带来新花样。将加速计、陀螺仪和磁感应计结合，并均衡利用三者各自的优点，则可能彻底改变未来便携设备用户的操控体验，可使多种消费电子设备实现更强的运动跟踪功能，为用户提供更好的如临其境的现场感。
一辆2.0L帕萨特B5手动挡轿车，发动机型号为AWL，行驶过程中突然出现了转速表归零、机油灯亮的情况，停车后无法启动。
故障诊断与排除
车主反映故障现象出现时闻到一股糊味。经仔细检查，未见有电子元件及线路烧蚀的痕迹。重新启动，一次成功，连续多次启动依然没有任何问题。因为该车是新车，仅行驶几百公里，再加上驾驶员是新手，笔者怀疑是由于驾驶员操作不当造成的行驶熄火。试车，发动机未见异常。但笔者发现仪表上黄色的安全气囊警告灯始终亮着。
第2天后，车辆又无法启动。经检修，发现发动机启动后随即熄火。检查缸压、汽油泵均无异常。连接431电眼睛检测，发现有3条故障码：发动机控制单元堵塞、CAN数据总线来自仪表的信息丢失、气囊控制单元无信号。
会不会是气囊控制单元有问题，误产生碰撞信号，造成发动机断油熄火呢?因为第1天就发现气囊报警灯一直亮，经检查未产生碰撞信号。难道是发动机控制单元有问题?换上一块新的控制单元，匹配后依然无法启动。怀疑CAN数据总线有问题，根据电路图(见图1)，笔者先将右侧A柱下的气囊连接线断开，将ABS、发动机控制单元和仪表控制单元插头全部断开，避免电子元器件内部短路造成测量误差。
先检测CAN总线高、低两端电阻。将万用表端子分别接发动机控制单元，测得121／58CAN低端与121／60CAN高端电阻为∞，证明两线之间无短路。再依次测量从发动机控制单元到仪表控制单元的CAN连线通否。将万用表端子在发动机控制单元的插头121／58CAN低端和仪表控制单元插头T32b／20之间连接，阻值为0.6Ω，小于1Ω，在正常范围内。再测插头121／60与T32b门9之间的阻值，也为0.6Ω，小于1Ω。由此看来这两根CAN线束没有问题，问题只能是仪表控制单元了。更换仪表控制单元并进行匹配后，故障排除。原来是因为仪表控制单元中的防盗控制单元损坏而引起的车辆不能着车。
维修小结
防盗控制单元损坏是该车故障的主要原因。帕萨特B5采用第3代电子防盗系统。它将防盗控制单元与仪表控制单元集成为防盗仪表控制单元。当打开点火开关后，防盗单元通过识读线圈把能量用感应的方式，传送给脉冲转发器。脉冲转发器发射出程控代码，通过识读线圈把程控代码送给防盗控制单元，在防盗控制单元中，输入的程控代码与先前存储在防盗器控制单元中的代码进行比较。然后，防盗控制单元再核对由发动机控制单元随机代码发生器产生的可变代码是否与存储的代码抑制。如果不一致，发动机在2s内熄火。
根据防盗器工作原理，再解释该车的故障现象就能理解了。该车由于防盗仪表控制单元中的某元件虚接放电，造成局部过热，防盗仪表控制单元将发动机熄火，同时由于元器件过热产生糊味。当车辆停放一段时间，热量散去后，仪表控制单元中的防盗功能正常，发动机又能着车。此时仪表控制单元中的气囊控制部分已经损坏，所以气囊报警灯亮。由于运转时间较长，元器件最终因过热烧毁，造成防盗仪表控制单元烧坏而无法工作，发动机因防盗锁死而出现不着车故障。所以431电眼睛会显示发动机控制单元堵塞。因为CAN数据总线是连接发动机控制单元与防盗仪表电路，且CAN数据总线本身是1条诊断通路，所以431电眼睛也可对其诊断，并显示：“CAN数据总线来自仪表的信息丢失”。因防盗仪表是集成电路元件构成，以现有的设备无法检测，所以在维修中只好先检测CAN导线是否完好，再检查防盗仪表。
其实，在最初的诊断中，“发动机能启动但随即熄火”这一现象非常像防盗系统问题，但是因为碰见以往的防盗系统故障，在这一熄火故障症状的同时，还伴有防盗指示灯闪亮的故障现象，所以维修中并没有直接从防盗系统入手，因此走了弯路。需要说明的是：防盗器指示灯在防盗控制单元完好的情况下，防盗控制单元会进行自检，如果发现其他防盗系统构成部件的故障(如钥匙脉冲转发器、识读线圈)会闪烁报警。所以笔者将这类故障维修经验与广大维修人员共享。
关键词：技术及管理；总线技术；对比；实施准则解析；过程管理
中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：
1、前言
根据海外工程仪表调试施工的特点及本人在海外施工的经验,通过在海外对仪表工程施工过程中遇到的问题, 探讨其关键点以及项目执行过程中采取的必要方法。分析了仪表施工技术管理的中失误，也对海外仪表调试施工及管理工作进行了理论总结。对海外的管理有了新的认识，对比了国内外仪表调试施工技术及管理的不同。以下是施工中自己承担的岗位工作进行的一些经验总结，为今后类似或相同项目施工提供借鉴。
2、海外工程仪表调试施工技术及管理
2.1海外装置基金会现场总线技术
基金会现场总线（FF）的定义是全数字、串行、双向通讯协议，用于现场智能仪表和控制设备等的互联 ，是一种将取代4-20mA标准的连接智能现场设备和控制系统设备的数字化、双向、多站通信系统。 基金会现场总线支持在各种现场设备中实现PID和HART协议相同的设备描述技术。它利用数字通信代替4-20mA信号，一条总线上可挂接多台现场设备，在现场设备上实现基本的过程控制功能，实现真正的可互操作。 即：
2.1.1任何制造商的设备，只要其遵循基金会总线标准，即可进行互操作。
2.1.2最基本功能的意义：设备通讯时数据取决于设备的类型。如温度变送器将产生所测量的温度总线信号。现场基金会认证标准不限制其他设备的向导，例如，自动标定或组态设置向导，也可以作为互操作的一种表现。
总线仪表需要转换模块（Transducer Block）用于变送器和传感器的接口，包括标定和其他数据。
转换模块的模式可以组态，在对设备进行标定时，模快必须设置为OOS状态。
2.2总线仪表与模拟仪表的对比
2.2.1模拟仪表的缺点：
单向
每个设备需2线到I/O子系统
一对一结构：一台仪表，一对传输线，单向传输一个信号。接线复杂，工程周期长，安装费用高，维护困难。
可靠性差：传输精度低，易受干扰。采取措施的结果是提高了成本。
互换性差：大部分技术参数由制造厂家决定，不同厂家仪表不能互换。用户依赖厂家。
2.2.2总线仪表的优点：
设备或控制器之间的直接多变量通讯
现场设备到H1接口（控制系统）需1对双绞线
一对N结构：一对传输线，N台仪表，双向传输多个信号。接线简单，安装费用低，工期短，维护容易。当需要增加新设备时，只需并行挂接到电缆上。
可靠性高：数字信号传输抗干扰强，精度高，成本降低。
可控状态：在控制室即可对现场设备进行监测和参数调节，并可预测和查寻故障，现场设备始终处于远程监视和可控状态，提高了可维护性，可靠性。
互换性：用户可选择性能价格比最优的现场设备，并将不同品牌的仪表互连，实现“即接即用”。
互操作性：模块化设计，可以对不同品牌仪表进行统一组态，节省投资。
统一组态：现场仪表引入功能块的概念，所有制造商使用相同的功能块，并统一组态方法，对不同的仪表，用户不需进行再培训学习状态方法和编程语言。
2.3施工过程中，对现场总线实施准则解析。
当有多个FF设备存在时，（例如质量流量的测量可以利用质量流量计和密度计）。设备应该尽可能联合使用以节约成本。
对于段的电力调节器的供电应该为28V直流电，并且通过一个经认证的电源转换器使其p-p波动小于0.1V。电源应该对地隔离。
总线仪表信号的电缆应该在所有的位置对地隔离。如果某个仪表需要安全接地，则必须通过另外一根独立的导线接地，并且需要与支电缆分开。
所有现场电缆应该是钢丝铠装型电缆，并且使用电缆桥架。仪表和接线箱的接入口应该使用认证的电缆密封接头。每一根导线芯都应使用弯边的环进行端接。
现场应采用“鸡爪形”的拓扑结构，每个段仅有一个“鸡爪”。该接线拓扑结构要求在接线箱中安装有一个现场端接器。该端接器需贴有醒目的标签，防止它因疏忽而被移走。另一个端接器要作为电源控制器的一部分安装在主机上。
所有的电缆屏蔽应该现场绕包并且在现场总线仪表处隔离，仅仅在端子转接柜处接地。
现场的支线应该有独立的短路保护器以保证在支线的短路仅仅影响在该处的仪表。这个保护器限制支线的电流不超过30mA。短路保护器应该安装在接线箱中。短路保护器的连接应该是端接式的，这样就不需要预制电缆和连接器。
如果主电缆是多芯电缆，则各个支线的屏蔽不能在接线箱中被连接在一起。
对于是否需要过电保护器应该进行评估，安装在必需的地方。过电保护器应该进行选择，使得在段的位置没有测量信号的衰减。
标准的控制回路中的阀门和变送器应该位于同一个段中，例如在一个压力控制回路中，压力变送器和阀门应该位于同一个段中。
对于标准的控制回路，控制（PID块）设置在阀门定位器中。在串级控制中，主控制回路在DCS中，副回路控制则由阀门定位器器来实现。
每个段负载不能超过12个仪表。一般情况下每个段设计负载9个仪表（允许将来在每个段可以增加3个仪表）。每个段的负载中的阀门不能超过2个。
一个段中功能块处理时间为0.25秒的仪表最大负载量为三个。
H1中继器的使用需要通过业主技术部门的批准。
在选择现场仪表和接线箱的安装位置时，应尽可能保证支线的长度最短。一个段的分支电缆的总长度不能超过120米。每个分支电缆的长度差应该尽可能得被设计在10米之内。如果各个分支电缆的长度明显不同，端接器要安装在最长的分支电缆的末端靠近仪表的位置，而不是安装在接线箱中。在这种情况下，应该把端接器安装在靠近仪表的附加接线箱或端子盒中（使得对仪表的维护中不会影响到段）。
主电缆和分支电缆的使用应该通过现场总线基金会的认可。它们应该是A型（单对）和XI型（多对），每一对双绞线要有单独的屏蔽，符合IEC/ISA的物理层标准。
所有的控制仪表（控制阀和开关阀）应该被配置成主机通讯故障时的阀位和失气时安全状态的阀位相同。
标准模式的故障点（例如在电源分配系统中，冗余的供电回路被连接在一起）应该尽可能在设计中考虑到。
控制功能应该围绕标准文件的建立。这就避免了指定采购特殊仪表和文件，并且允许离线配置。
制造商提供的所有仪表的驱动程序(DD)都应该可以从现场总线基金会网站上获得。
2.4海外仪表专业施工过程管理
在总线仪表专业施工过程中，业主采用的是回路包（INSTRUMENT PRE-LOOP PACKAGE）的形式把整个仪表专业工程贯穿起来，按仪表类别分电动回路包（ELECTRICAL LOOP）、机械回路包（MECHANICAL LOOP）、MCC回路包（MCC LOOP）。电动与MCC回路包号按回路图标题（ILD）定义，机械回路包号按仪表索引表（INSTRUMENT INDEX）定义。下面主要介绍一下电回路与机械回路。
电回路包内容见如下表格：
此表格很明显，融会了电动仪表的整个施工过程。仪表的每项工作细节伴随着包中每项资料、报告、记录的完成。回路包的不断完善，意味着仪表工作的即将结束即回路测试（LOOP TEST）签字验收的结束。
机械回路包内容见如下表格：
机械包很明显比电动回路包简单多了，由于以防施工过程中仪表的损坏，此LOOP CHECK一般在电回路之后完成。
海外INSTRUMENT专业的这种工作方式、管理流程值得国内借鉴，不过由于国内外国情不同，对于进度、质量、投资的控制方式以及对安全、合同、现场的管理理念都有所区别。要与国际化仪表施工技术管理接轨，还需要一段时间。
关键词：总磷 在线分析仪 循环水中的应用
在工业循环冷却水系统中，经常会采用阻垢剂和缓腐剂来防止管路的结垢和被腐蚀。在循环水的管道表面即便只附着很薄的一层水垢，这些水垢都会极大地影响热量的传递和降低涡轮产生真空的效率。聚磷酸盐和磷酸是通用的、效果较好的阻垢剂和缓腐剂，它们的稳定效果取决于聚磷酸盐和磷酸与水中的钙、镁、铁和锰离子的综合反应情况，所以，控制循环水中阻垢剂的浓度是非常重要的。
对测量技术的需求
通过在冷却循环水中加入适量的缓蚀剂能防止金属表面被腐蚀。那些能防止活性氢氧化层转变为腐蚀性阴离子的物质叫阳极性型缓蚀剂。典型的缓蚀剂有磷酸盐、聚亚硝酸盐、有机亚硝酸盐和铬酸盐等。
为了迅速、恰好在金属表面形成一层保护膜，加入缓蚀剂的浓度是非常重要的，否则将有可能产生蚀损斑的危险。在循环冷却水中，总磷的正磷酸盐的浓度要随循环系统中某些化学物质浓度的改变而发生变化，并且不同物质对总磷和正磷酸盐的影响程度是各不相同的。图1所示曲线表示的是在炼油厂中，冷却水中总磷和正磷酸盐的含量随某些化学物质浓度的改变而变化的情况。由于循环水水质的变化和蒸发作用，导致水中物质的浓度发生巨大的波动。这样的波动有时高达20%。
在循环冷却系统中，以前通常由人工分析来测量系统中物质的含量。由人工测得的参数来决定需向系统加入制造水的量。冷却循环系统中总磷含量的最佳值是2.2mg/L，但系统中磷的浓度由于蒸发等原因在不断地波动，经常总磷值将超过或低于此标准值，如图2。
为了实现总磷的实时监测，进而实现自动加药控制，要求总磷浓度可以自动地被仪器监测，仪器监测到的值通过仪器的模拟量输出口传送给控制中心、PLC或计量泵等，再由它们去控制加药量，以达到期望的处理效果。见图3控制流程图。
相应的测量技术
HACH公司专门针对工业循环冷却水中监测总磷而研发了型号为PHOSPHAX ∑ Sigma的总磷分析仪。当冷却循环水中total-P(总磷)和PO4-P(正磷酸)的含量在0.01~5.0mg/L时，总磷和正磷酸盐能被交替测量。所有的磷（包括聚磷酸盐和有机磷酸盐）都能被测出来。
所有的测量都在仪器内部的反应器中按预定的程序执行。反应器是执行分解反应的场所，它位于比色反应池和光度计之间。
仪器的自清洗和自校正功能使得仪器的测量数据更加准确，同时也减少了用户对引起的检查和维护工作。
测量原理
在含有钼酸盐离子和锑离子的酸性溶液中，由于钼酸盐离子和锑离子的共同作用，正磷酸盐离子将被抗坏血酸（维生素C）还原成磷钼酸盐，并呈现出蓝色。在规定的测量范围内，溶液中蓝颜色的强度与样品中正磷酸言的浓度成比例。在沸腾的强酸性溶液中，聚磷酸盐和有机磷酸盐将被水解成正磷酸盐。惰性的磷化合物将被过硫酸钠氧化，把其转化为可测量的正磷酸盐。
PHOSPHAX ∑ Sigma总磷分析仪在高温高压下能够正常工作。在如此苛刻的条件下，整个分析测试可以在10分钟内完成。
磷缓蚀剂含量的显示
仪器可以显示总磷及邻酸根含量，在输入相应的因子后，还可以直接显示对应的含磷缓蚀剂的浓度值，如图4。
应用实例
华东地区某国有大型钢铁公司于2003年10月购买了一台美国Hach公司提供的PHOSPHAX ∑sigma总磷在线分析仪，用于监测103#高炉循环水系统中总磷的含量，并由此参数来控制投加阻垢剂的量。该仪器还可以同时测量循环水中磷酸盐的浓度，分析人员可以方便的通过总磷和磷酸盐的含量来计算出循环水中有机磷的含量；如果输入特定含磷阻垢剂的换算因子，仪器还可以直接显示该含磷阻垢剂的浓度。仪器的分析周期为10分钟，能够及时、准确地反应水中总磷的变化；同时，由于仪器带有数据输出端口，可以实现加药的自动控制。103#循环水系统中总磷的控制值是：1.2mg/L-2.0mg/L。在未使用PHOSPHAX ∑sigma在线总磷分析仪之前，此钢铁公司因中心实验室距现场有5公里，距离较远，不便于人工取样监测，监测频率仅为每周四次，每次由工作人员手工取样后，将水样送到实验室进行人工分析，由分析结果来控制阻垢剂的投加量。由于总磷的人工分析方法比较繁琐，分析时间长，客观上造成监测频率低、分析结果滞后，非常不利于投加控制。自从购买了美国HACH公司的PHOSPHAX ∑sigma总磷分析仪之后，该钢铁公司的用户对循环水中的总磷完全实行了自动监测，根据分析仪监测到的浓度结果来控制阻垢剂的投加量。因PHOSPHAX ∑sigma总磷分析仪的测量周期仅需10分钟，大大增加了监测频率，从而可以根据总磷浓度的变化及时调整药品的投加量。这样使得投加阻垢剂的量更加准确，从而减少了阻垢剂的浪费，几个月运行的结果表明，通过PHOSPHAX ∑sigma在线总磷分析仪及时准确的监测循环水中总磷含量，在减轻分析人员的劳动强度的同时，大大降低了药品的消耗及运行成本。由于PHOSPHAX ∑sigma在线总磷分析仪带有自动清洗和自动校正功能，在保证仪器的测量数据准确性的同时，还减轻了操作人员的工作量。以下是使用PHOSPHAX ∑sigma在线总磷分析仪前后的效果及运行费用比较：
①节水：以前人工测量时，由于监测频率低，现场操作人员无法及时得到总磷数据，为了保证循环水水质及阻垢效果，在循环水操作规程中有一条“日置换水1000吨”的规定；在用户采用连续自动在线监测以后，这条规定已经被废止。按照现在的水价1.2元/吨计，即每天就可以节约用水资金1，200元，每年可以节约43.80万元，这当中还不包括因为置换水所消耗的电力、水资源和人力等。考虑到工业用水的价格远高于生活用水、今后的水价上涨趋势，使用总磷在线分析仪可以更大地降低生产成本。
关键词 电压测量；W78E516单片机；显示报警
中图分类号 TP3 文献标识码 A 文章编号 2095-6363（2017）06-0078-03
电压这个词与我们的日常生活息息相关，然而，人们在测量电压时往往会遇到一些比较特殊的应用场合，比如某些设备的专用电缆上曾出现过感应电压及漏电电压，操作人员在连接这些电缆时可能会意外引爆火工品，直接影响到设备及人员安全。目前并没有专用的测量设备可以直接测量感应电压及漏电电压，基本使用万用表测量，而使用万用表又存在诸多不便之处。根据以上背景，本文设计一款以W78E516单片机为控制核心，通过专用线缆直接测量电缆中的感应电压及漏电电压的专用测量仪器，以解决长期测量不便的问题。
1 硬件系统设计
电压测量仪按照设计要求，包含以下硬件模块单元：控制器部分、按键信号输入部分、液晶输出显示部分、报警输出部分、测量信号变换部分、模数转换部分等。核心控制器采用W78E516单片微型计算机，它是自带64KFlash EPROM、512字节片内RAM、4组8位双向输入输出口、3个16位定时器、6个中断源、1个双向串行口的8位CMOS单片机，主要用于监控程序的执行、数据采集、数据计算处理、显示控制、报警输出等。系统结构图如图1所示。
1.1 信号变换处理
原始测量信号经分压电路（分压电阻为R13A和R6A）分压后进入转换电路第一级运放U5A的输入端3引脚，2个稳压管作用为过压保护。运放U5A构成电压跟随器电路，它的输出值与输入值相同，在电路中作用是增加输入阻抗。信号从U5A的6引脚输出后进入全波精密检波电路（U3A和U6A构成的电路）后，经过全波精密检波电路变换后得到脉动直流信号，再经过滤波电路滤波后得到直流信号，进入运放PGA103U（U2A）放大K倍，其中增益K值是由单片机的P26、P27引脚输出TTL电平控制得到，输出信号再经过滤波进入模数转换部分电路。信号变换处理部分电路如图2所示。
1.2 模数转换
为保证系统的数据计算精度、数据精度，本系统采用了串行12位AD转换芯片TCL2543IDW，其转换精度可在0.025%，具有12位精度、8路模拟输入接口、电容开关转换、逐次逼近、内部带有采样保持和系统转换时钟、SPI串行接口的CMOS技术。测量信号经信号变换处理电路后得到的处理信号直接与TCL2543的输入引脚1、2进行相连，通过软件完成SPI数据接口，即完成数据的模数转换，从而将该信号提供给单片机。模数转换部分电路如图3所示。
1.3 点阵式液晶显示
测量仪的显示采用YXD-19264C1型液晶控制器，其@示点阵数为192×64，既能显示汉字，又能显示数据，一屏显示12字×4行的16×16的汉字。点阵式液晶显示部分和单片机连接时主要有3部分，液晶控制器接口要求的数据总线和控制总线直接和单片机的8位数据总线P0口及P1口中相应引脚直接相连，而地址总线的低8位由单片机的多路复用数据地址总线D0口通过74HC373进行地址锁存后提供，高位地址总线由单片机的P2口直接提供。点阵式液晶显示部分电路如图4所示。
2 软件设计
软件的设计中采用了模块化的设计，使程序的结构更加的清晰，方便今后对程序的修改和功能的扩展。仪表的主要工作是测量相关电缆的漏电电压、感应电压和测量电压，这些测量量均为模拟量，显然仪表需要先将这些模拟量转换为数字量，再送入单片机进行处理，然后再将单片机处理的数据送到液晶单元进行显示。根据仪表的功能，软件程序设计方面包括主程序和各模块功能程序。其中主程序流程图如图5所示。
3 测试结果
测量仪主要测试的专用设备相关电缆上的感应电压和漏电电压以及正常工作时电压，这些电压的测量范围为直流0～40V，交流0～40V。测量时，采用标准信号源输出标准信号进行测量，测量数据如表1所示。从表1可以看出，显示的电压值和信号源输出的电压值很接近，基本满足设计的要求，如果想把误差进一步减小，可以通过软件方面的处理来达到目的。试验说明，本文所设计的电压测量仪可以用于相关电路电压的测量。
4 结论
本设计以W78E516单片机为控制芯片完成了专用设备相关电路电压测量仪的设计，并且通过软件校正了硬件所造成的部分误差，使得测量的精度更高。同时，还采用模块化的处理方式，对以后开发研制更加完善的系统打下了良好的基础。
参考文献
[1]张毅刚，彭喜元.单片机原理与应用设计[M].北京：电子工业出版社，2010.
