采用振弦式传感器的液压测量仪.pdf

8 0 煤 矿 机 械 2 0 0 5年第 1 期 文章 编号 1 0 0 3 ． 0 7 9 4 2 0 0 5 0 1 ． 0 0 8 0 ． 0 3 采用振弦 式传感器昀液压测 量仪 孙西 瑞 。于 晓春 。李 英健 1 ． 山东科 技 大学 泰安 校 区 ，山 东 泰安 2 7 1 0 1 9 ；2 ． 山东科 技大 学 青 岛校 区 ，山东 青 岛 2 6 6 5 1 0 摘 要 针 对液压测量仪 的便 携性 能和与微机 的通信性能 ， 提 出了一种基 于 U S B接 口的测量 方案 。 提 高 了与微机 的通信速度 。该仪 器采 用了表 面贴装工 艺， 体积 小、 重量 轻 、 携带方便 ， 并且设 置 了联机工作和脱机工作 2种 工作 方式， 使 用灵活。该仪 器可 用于油 田勘探和煤矿 的水位监 测 ， 具 有 一定的应 用前景。 关键词 振 弦式传感器 ；U S B ；设备驱动程序 中图号 T H 8 1 2 文献标识码 A 1 引言 最初 。 用 于测量振 弦式传感 器输 出频率的测量 仪器 简称测 频仪 多是 只能 测量频率 的简单 仪器 。 测量人 员必须带笔带 纸 ， 随 时记录每 一个传 感器 的 测量值 ， 手工计算 出所对应 的物理量 ， 工作量大。随 f A 3 X 一1 ／ { 1 e x p [ 一w g I W C 1 ] } 1 1 e x p 一 w g 一 X WC ㈤ I 一 ， { [ 一 一 ] } 、 【 A I X 1 ／ { 1 e x p [ 一w g I Xl ∞2 ] } ‘ f B3 AX 一1 ／ { 1 e x p [ 一w g 2 AXl ∞3 ] } 1 I B 2 A X 1 ／ { 1 e x p [ 一w g 2 A X l‘ Ic 3 ] } I 一1 ／ { 1 e x p [ 一w g A X一 。 ] } 【 BI A X 1 ／ { 1e x p [ 一w g 2 AXt ‘ Ic 。 ] } 7 其 中 ， w e是 函数的 中心 ， w g决定 s函数的斜度。 这个模糊 系统 中理论推理规则 的一般形式 “ R i f X i s A i a n d AX i s ，t h e n有 火情 的概率 为 o ％ ” 。系统 中的每一次输人都 可看成模 糊单点 ， 其 模糊推理方法 如下 ．U ．口 A 。 。 为隶属 函数 I 1 a m i n { X ， Ⅸ △ } c 口 ％ 通过 上 面的实验 分析 ， 尽管采用 上述方法 已经 着计算 机 的普 及 ， 出现 了和 P C计算 机 联机 进行 测 量和数据处理的测频系统 ， 大多通过 串 口进行 通信。 随着计 算机 外设 的性 能改 进 ， 出现 了 U S B接 口 ， 其 速度和操作的性能都优 于串 口， 使用 U S B接 口的设 备也在迅速发展 ，U S B将成为设计外设时 的首选总 可 以有效地 区别 各种 不 同火 型 ， 特别 是 明火 和阴燃 火 ； 然而 ， 如果非火灾信号突然产生一个近似火灾 的 信号时 ， 探测 器仍然会产 生大量 的误 报警 。因此 ， 为 了解决这个问题 ， 增 加 阴燃火 和非火 灾 源之 间 的识 别能力 ， 可以使用 瞬时数 据 ， 即利用 C O ，和 C O的上 升率 ， 由于使用 c o ， 上 升率进 行识 别存 在大 量 的误 报警 ， 而 C O上升率被认 为是更加 有效 的方法 ， 非 火 灾源 的 C O上升率 都小 于 0 ． 0 31 0 ～／ s ， 而且人 的呼 吸不会 对 C O的体 积分 数产 生影 响 ， 因此 ， 使用 C O 上升率 可以大 大减少误报警 。 参考 文献 [ 1 ] 赵振宇， 徐用懋． 模糊理论和神经 网络的基础和应用[ M] ． 北京 清 华大学 出版社 ， 1 9 9 6． [ 2 ] 谌红． 模糊数学在国民经济中的应用[ M] ． 武汉 华中理工大学 出 版 社 ， 1 9 9 6 ． [ 3 ] 李世勇． 模糊控制 神经控 制和智 能控制论 [ M ] ． 哈尔滨 哈尔滨 工业大学 出版社 ． 1 9 9 8 ． 作者 简介 郑 艳玲 1 9 7 5一 ， 女 ， 河 南 焦作 人 ， 现 就 读 于河 南 理 工大学 电气系 ， 控 制理论 与控 制工程专 业研 究生 ， 研 究方 向为数 字信 号处理 与过程控 制 ． Em a i l z h e n g y a n l i n g 0 0 0 s i n a ． t o m． 收稿 日期 2 I B - 1 0 - 2 7 M u l t i c r i t e r i a Fi r e De t e c t i o n ZHENG Ya hLi n g，DONG Ai h u a ，LI U S h a n gz h e n g H e n a n P o l y t e c h n i c U n i v e r s i t y 。J i a o z u o 4 5 4 0 0 0。 C h i n a Abs t r a c tA n e u ro f u z z y ne t wo r k a n d t he mu l t i s e n s o r ／ mu l t i e r i t e r i a d e t ec t o r a p p l i e d i n fi r e d e t e c t i o n s y s t e m a r e p r o p o s e d i n t h i s p a p e r 。a n d i n p u t s i g n a l s d e t e c t e d b y mu l t i s e n s o r a r e fi r s t f u z z i fie d and t h e n p r o c e s s e d i n a n e u r a l n e t w o r k。w h i c h i s a f o r wa r d B P n e t w o r k w i f h t h r e e l a y e r s．B P alg o r i t h i S u s ed t o t r a i n n e t wo r k p a r a me t e m．Af t e r t h a t 。fi r e i s d e t e c t ed b y me an s o f f u z z y l o g i c． Ke y w o r d s m u l t i s e n s o d m u l t i e r i t e r i a ； fi re d e t e c t i o n f u z z y l o gic n e u r a l n e t w o r k ；s i gnal p r o c e s s i n g 维普资讯 2 0 0 5年第 1 期 采用振弦式传感器的液压测量仪孙西瑞 ， 等 8 1 线 。因此 ， 最近有关 公 司联合研 制 了一 种用 于煤矿 水位监测 和石油 勘探 中测量 压力 的 电子仪 ， 它采用 了振 弦式 传感 器 、 单 片机 和 U S B接 口技术 ， 系统 的 自动化程度、 可靠性 和测 试精 度 已达 到 当前 国内先 进 水平 。其主要特 点是 实 时处理 ， 数据 自动存 储 、 显示 ， 与 P C机 通过 U S B接 口进行 通讯 ， 操 作方 便 ， 体积小 、 重 量轻 、 便于携带。 2系统 的硬件设计 整个系统 的硬 件结 构如 图 1所示 ， 其 功能 简述 如 下 图 1 液 压 测 量 仪 总体 框 图 Fi g． 1 Sc he me o f hy dr a ul i c pr e s s u r e ga ug e 整个系统 由单片机 A T 8 9 C 5 1控制 ， 也可 以从 P C 机控制 。控制继 电器 由单 片机控制 ， 实 现激振 信号 和传感 器振荡 信号的切换 ， 激振信号 由单片机产生 ， 由激振电路产 生稳定 的驱 动信号去激励振 弦式传感 器 ， 传感器 的 自由振 荡信 号通过 检测 电路放 大整形 后送 人单片机 ， 由单 片机完 成测 频。在键盘 的控制 下来控制 测量过 程 和液 晶显 示器 的显示 内容 ， 测量 结果可 以存储在数据存 储器 中， 也可 以通过 U S B接 口传到 P c机 中， 在微机 中进行处理 。U S B接 口完成 测量仪 和微 机之间 的通信 ， 由协议也 可以完 成微机 对测 量 仪 的控 制。本 实 例 中 U S B接 口芯 片 采 用 P HI L I P S公司的 P D I U S B D1 2芯 片H “ 。 3测量 系统的软件设计 3． 1 U S B设备 的固件 开发 整个 U S B设备 的程序包 括测量 、 处理 以及和 P C 机的通信 ， 这里 仅介绍一 下 和通信有 关 的固件 的开 发 。 U S B接 口通信 的过 程 比串 口要 复杂得 多 ， 在 开 发 的过程 中要 了解 许 多相关 的概念 ， 较详 细 的情况 请 参考 文献 [ 6 ] ， 在 此仅 简述一 下飞 利浦 的 P D I U S ． B D 1 2芯片基 本 特性 和 控制 方 式 ， 并 给 出一个 D MA 功能设 置实例 。 飞利浦 的 P D I U S B D1 2芯片 以下简称 D 1 2 符合 U S B 1 ． 1版 规 范 ， 内 部 集 成 S I E、 3 2 0 b y t e的 F I F O缓 存 、 收发器 以及 电压调 整 电路 和终 结 电阻器 ， 提 供 2 Mb y t e ／ s 速率 的并行接 口， 具 有全 自治本 地 D MA功 能 ， 芯片提供 的多重 中断模 式有 利于批 量和等 时数 据传输 模式 。P D I U S B D 1 2和其他 常见 的接 口芯 片一 样 ， 也是通过 向芯片写入控制字来操作 的。P D I U S B ． D I 2的控制字 分 为初 始化命 令 、 数据 流命 令 和 通 用 命令 3种基 本类 型。在 U S B网络枚 举过 程 中使 用 初始化命 令 ， 这些命 令用 来启 动设备 、 设 置地 址 、 端 点 和工 作模 式 。数据 流命 令 用于 管理 U S B和微 控 制器之间的数据流。很多数据 流是通过一个发给微 控制器的 中断请求 开始的。控制器 使用数据流命 令 来存取数据 ， 确认 在 F I F O中的数据是 否有效 。通 用 命令执行在数据传输过程 中使 用的一些命令 。主要 包括恢复和读取当前 帧号。 本 系统在需要将测量仪器的数据存储器 中的数 据调 入微 机 内时 ， 使用 了 D 1 2芯 片 的 D MA工 作 方 式 ， D MA操 作 是 P D I U S B D1 2的重要 功 能。D MA方 式 可以在 主 机 和 本地 内存 之 间有 效 地 传 输 数据 ， D 1 2的主端点 端 点 2 在 D MA的工作 过程 中， 可 以 完全 自动 工作 ， 不 需 C P U干 预。在 D MA传输 开 始 前 ， 本地控制器从 主机处得 到必须 的信息 ， 然后将根 据这些数据给 D MA控制器编程 。典型情况是 D MA 控制器被设置为请求 方式 ， 字 节计数 器和 地址计 数 器被设定 为相应 的值 。 请求 方式 中 ， D 1 2发 出请求 后开始数据传输 ， 当计 数器 归零 时 ， 传 输停 止 。 当 D MA控制 器 编 程完 毕 ， 由本 地 的微 控 制 器 置 启 动 D MA， 开始数据传输 。使用双缓 冲时， 主机可以在一 个缓冲被读取 的同时填充第 2个缓 冲。这样 的并行 操作可 以有 效提高 数据吞 吐量 。在 基于 D MA操 作 的协议 中， 主机应 用程 序首先 要求 设备 固件通 过控 制端点传送请求建立 D M A传输 ， 然后 在主端 点传输 批量数据 。在 D MA控制器设置完成之后 ， 主机可 以 在没有任何 物 件参 与 的情 况下 向设 备 发送 6 4 K字 节数据 。一个完整 的 D M A传输需要 以下 2个 步骤 1 通 过控制线 发 出一个 建立 D MA的请求 ， 让 设备 对 D MA C编程 ， 包括 D MA传输 方 向、 开始 地址 和所 传输数据 的尺寸 ； 2 通过 主 端点 发 送或 接 收 数据 包 。 缺省状态 下 ， D 1 2和 D MA C都 不处 在 自动 重 载 模式 ， 也不需要 D MA 自动重 新开 始。在 协议 中 ， 所 有的操 作 都 应 由 主 机 控 制 。传 输 结 束 时 ， D1 2和 D MA控制器 的 D M A状 态都 已结 束。 只有收到 主机 建立 D MA的请求 ， 才会 由固件重新 建立 D MA传 输。 3 ． 2微 机软 件 开发 微机 的软件包括 2部分 驱动程序和应用程序 。 1 驱动程序 驱 动程序完 成智能仪 表与上位 机 的无 缝连 接 ， 向 WI N D O WS系统登记注册智 能仪表 的生命期 和一 些性能特征 ， 实现设备创建注册 、 基本 的输入输 出和 各种异 常情况处理等操 作 以便 WI N D O WS操 作系统 可以理解并支持智能仪表 的工作 。 维普资讯 ． 8 2 采用振弦式传 感器的液压测量仪 孙西瑞 ， 等 2 0 0 5年第 1期 对于 U S B设备来 说 ， 通常驱 动程序要 实现 以下 的功能 ①设 备的初始化 ； ② 即插 即用创建和删 除设 备 ； ③ 处 理 WIN3 2打 开 和关 闭文件句 柄 的请求 ； ④ 类功能定义 I O C T L ， 功能实现 ； ⑤I R P的调用处理 ； ⑥ 调用其他 的驱 动程序 ； ⑦访问硬件。 U S B驱 动程序设计 的核心是端点及数据传输 类 型的选择 ， 通过端点建立起管道通信 ， 实现定义的功 能。这样 ， 在应用层 和设备 之 间就建立起 了虚 拟的 通道 ， 所有这些通 过 多线程 的句柄 调用实现 。每个 驱动程序 都必 须有 一个 D r i v e r E n t r y入 lZ l 函数 ， 用于 系统调用 ， 驱动程 序的入 口源程序如下 d e fi n e D R I V E R ／ ／ 从 w i n d o w s D D K中包含 WD M 驱动程序的头文件 i n c l u de “wd m ． h” i n c l u d e “ s t d i o ． h ” ／ ／ 从 win d o w s D D K中包 含 U S B类驱 动程序的头文件 i n c l ud e “ u s d l i b． h ” ／ ／ N T S T A T U S ／ ／ 本 实 例 是基 于 WI N D O WS N T 4 ． 0 的设备驱动程 序 D ri v e r E n t r y I N P D R I V E R O B J E C T D ri v e r O b j e c t ， I N P U N I C O D E ． S T R I N G R e s t ry P a t h ／ ／ 这是驱动程序 的入 口， 从这里开始 ， 驱动程序将被 I ／ O系统 调用 ／ ／ 返 回值 成功 时 为 S T A T U S S U C C E S S 不 成 功时为 S T A I 1 J S U N S U C C E S S ／ ／ I I 代表 I n t e l l e g e n t I n s t r u m e n t { N T S T A T U S n t S t a t u s S T A T U S S U C C E S S ； P DEVI CE O B J E C T d e v i c e O b j e c t N U L L； D r i v e r O b j e c t - Ma j o r F u n c t i o n 【 I R P MJ C R E A T E J II Cr e a t e； D r i v e r O b j e c t - “ Ma j o r F u n c t i o n 【 I R P MJ C L O S E J II C l o s e ； D r i v e r O b j e c t - “ D r i v e r U N l o a dI I Ul o a d； D r i v e r O b j e c t - *Ma j o r F u n c t i o n 【 I R P M J D E V I C E C O N T R O L ] II Pr o c e s s I OC TL； D r i v e r O b j e c r - Ma j o r F u n c t i o n 【 I R P MJ WR I T E J I I W r it e； D r i v e r O b j e c t - - Ma j o r F u n c t i o n 【 I R P MJ R E A D J II Re a d； D r i v e r O j b e c t - - “Ma j o r F u n c t i o n【 I R P MJ ． PNP P O WE R J I I Di s pa t c h； D r i v e r O b j e c t - “ D r i v e r E x t e n s i o n - - A d d D e v i c eII Pn P Ad d De v i c e； re t urn nt s t a t us； } 2 应用程序 包括数字滤波模块、 线性化处理模块 、 物理量计 算、 与下位机的通 讯模块 、 对 测量 仪表 的控制 、 数 据 库的管理模块等几个 部分 。本 应用程 序采 用 了 V i ． s u al B a s i c 6 ． 0作 为软件开发工具 ， 基 于 Wi n d o w s N T 4． 0对仪表进行上位机 的程序设计 。现场应 用表 明运 行稳定 、 可靠。 4结 语 采用振弦式传 感器 和表 面贴装 工艺 、 U S B接 口 的高速通信特性 ， 该液 压测量 仪有 以下特 点 1 系 统工作稳定 ， 抗干扰能 力强 ， 可 靠性 高 ； 2 用途 广 ， 除能 满足油 田勘探 和煤矿 的水 位监 测测量 外 ， 还能 满足岩土工 程 的需 要 ； 3 结 构 紧凑 ， 体 积 小 ， 重量 轻 ， 携带方便 ； 4 具有脱机工作方式 ， 适于野外应用 的场合 ， 保存的数据也可再输入微机 内处理 ， 使用灵 活 。 参考文献 [ 1 ] 于晓春 ． 于涛 ， 张柏 林 ． 谐振 弦 型压 力 检测 仪 的研 究 [ J ] ． 煤 矿 机 械 ， 2 O O 2 ， 2 1 6一l 8 ． [ 2 ] C h r i s C a n t ． WD M设备 驱动程序 开发指 南 [ M] ． 北京 机 械工 业 出版 社 ． 2 O O O ． [ 3 ] 刘保 有 ． 钢 弦 式 传 感 器 及其 应 用 [ M] ． 北 京 中 国 铁 道 出版 社 ， 1 986 作者 简介 孙 西瑞 1 9 7 0一 ， 山东巨野 县人 ， 硕士 ， 讲 师 ， 毕 业 于 山东科技 大学测试 计量技术 及仪 器专 业 ， 主要 从 事音 视 频处 理 和通 信方 面的工作 ． 发表 论 文 2篇 ． T e l 0 5 3 86 2 2 1 2 4 8 ． Em a i l s d s p 1 6 3． c o rn ． 收稿 日期 2 0 0 4 0 8 1 2 Hy d r a u l i c Pr e s s ur e Ga u g e Us i n g Vi b r a t i ng W i r e S e n s o r S U N X i r u i ‘ 。 Y U X i a o c h u n I 。 L I r i n g j i t m2 1 ． T a i ’ a l l C a m p u s 。 S h a n d o n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y 。 T a i ’ a r I 2 7 1 0 0 0 。 C h i n a ； 2 ． C o l l e g e o f M e c h a n i c a l a n d E l e c tr o n i c E l1 g i I 峨。 n g h o C a m p u s ． S h a n d o n g U n i v e r s i t y o f Sci e n c e a n d T e c h n o l o g y n g d 舯 2 6 6 5 1 0 , C h i n a J Abs t r a c t Th i s p a pe r d e s c ri be s a sc h e me o f h y dr a u l i c p ressu re g a u g e b a s e d o n US B i n t e rfa c e， a i mi ng a t b e i n g c a r r y h o me a nd t h e pe rfo r ma nc e of c o mmu ni c a t i n g wi th a pe r s o n a l c o mp u t e r， me e t i n g wi th g o o d res u l t s o f t h e h i g h e r c o mmu n i c a t i o n s p e e d． 1 1 1 e i n s t r u me n t i S a s s e mb l e d wi t h s u rfa c e mo un t t e c h n o l o g y whi c h ma k e t I l e res u l t s of t I l e s ma l l e r v o l u me， be i n g of re l a t i v e l y l i t t l e w e i g h t and g o o d p o r t a b i l i t y ， and h as t h e w o r k i n g s of o n l i n e and o ff l i n e o p e r a t i o n w h i c h ma k e i t u s e d fle x i b l y． Th e g a u g e c a n be us e d i n e x p l o r a t i n g a o i l fie l d an d mo n i t o rin g the wa t e r of a c o a l mi n e， h a v i n g g o o d a p p l i c a t i o n p r o s p e c t s． Ke y wo r d s v i br a t i n g wi r e s e n s o r ； US B； d e v i c e driv e r 维普资讯