1 引言
流量計廣泛用于現代工業測控對流體計量，流量計的遠程監測和數據集中管理是現代流量計遠程網絡化、測量自動化的發展趨勢[1]。MODEM(調制解調器)是遠程通信方式之一，利用工廠、企業內部或者公用電話交換機網絡(Public Switched Telephone Network, PSTN)實現計算機之間或中央控制室計算機與工業現場嵌入式系統之間進行遠距離數據傳輸。這種通信方式不受地點和時間的限制，而且傳輸數據完全、經濟、方便，不用另外布線。因此，現代工業遠距離測控傳輸中使用較多。
遠程流量計量系統一般由流量計、下位機數據傳輸系統、通信介質和PC機構成，現有流量計的數據輸出一般有串口和4～20mA模擬信號兩種形式。由于輸出的信號前者為數字量，后者為模擬量，因此，其數據傳輸系統的設計原理不同，分別針對這兩種數據輸出形式，結合MODEM遠程通信的優點和單片機現場采集數據的方便性、實用性設計性價比較高的遠程流量計量系統，尤其是合理設計下位機硬件系統、軟件系統和有效采取抗干擾的硬件和軟件措施是實現整個系統功能的關鍵與核心技術。
單片機現場采集和發送各流量測量節點的實時數據。流量測量節點分布管網圖設計成用戶界面，通過上位機可以很方便地撥通分配給各個測量節點流量計的電話號碼，即可實現數據的適時顯示和集中管理，實際應用表明系統性價比高，下位機工作穩定可靠，上位機能實時、準確顯示流量計數據。因此，系統的設計具有一定的技術創新意義和較大的實用價值
2 系統總體設計
遠程流量計量系統實現遠程流量計的實時監測控制和數據傳輸，對系統運行的重要參數和各節點實時數據進行直觀地顯示。為了提高系統數據傳輸速度和增大傳輸距離，提高系統的抗干擾能力和測控精度，本設計通過公用電話網，由中心計算機(上位機，PC)、調制解調器(MODEM)、單片機(下位機)以及各流量測量點的流量計組建成遠程流量計量系統。圖1系統總體設計原理框圖，系統采用兩級控制結構：第一級為直接控制級，即單片機對遠程流量計的數據(如：壓力、溫度、瞬時流量和累積流量等)進行實時采集;第二級為過程管理級，即用一臺普通PC機來實現，主要實現對各流量計參數和測量數據的管理和實時顯示，并且可以根據實際需要進行系統的調整和擴展，所以上位機的監測軟件包括通信模塊、數據庫模塊和用戶界面三部分。
圖1 系統原理框圖
遠程流量計測量位置較分散，可以將各流量計的分布情況顯示在上位機上，每個流量計用Command控件表示，并且代表一個電話號碼，構成所有流量計的分布示意圖。通過上位機多點撥號的方式，對應的流量計數據經過對應的下位機電平轉換，傳入對應的MODEM，再經過公用電話網從PC/MODEM適配卡傳入上位機。
3 下位機硬件、軟件設計
根據現有流量計的使用狀況和數據輸出模式，一般數據輸入/輸出方式主要由：并行、串行和4～20mA電流模擬信號。本系統針對后兩種數據輸入/輸出方式分別對下位機的軟、硬件進行設計。下位機的數據收發與控制器選用PIC16F877單片機。
3.1 下位機與流量計的串行通信
圖2為下位機與流量計之間采用串行通信方式時的電路原理圖。上位機撥通測量節點流量計的電話號碼，相應節點的MODEM相應，數據傳送至下位機的MODEM(提供標準的RS-232接口)，經RS-232/485電平轉換器進行電平轉換，PIC16F877控制MAX485進行數據收發。PIC的同步/異步收發模塊USART(25腳RC6/TX/CK和26腳RC7/RX/DT)接收來自流量計經電平轉換的數據反向傳輸給上位機。圖3是PIC與流量計之間采用串行通信方式時的流程圖。
圖2單片機與流量計之間采用串行通信方式的原理圖
3.2 流量計采用4～20mA模擬信號輸出
當流量計的輸出為4～20mA模擬信號時，采用如圖4所示的電路結構，流量計數據以4～20mA電流信號輸出經過一個250Ω的標準電阻R1轉換為電壓信號，電壓量經A/D轉換器ADS1202進行A/D轉換成數字量進入PIC16F877，由單片機的USART模塊發送給MAX232傳輸到電話線。
4 系統抗干擾措施
根據實際經驗和現場使用情況，提高下位機系統的抗干擾能力是整個系統穩定、可靠工作的主要保證，所以，以下重點從下位機硬件系統的干擾源和軟件系統兩方面介紹保證系統可靠工作的有效措施。
4.1 硬件系統抗干擾措施
解決好電路板本身的問題是提高系統抗干擾能力的基本措施，如元器件的選擇，線路布線以減少分布電阻和壓降、降低耦合噪聲、減少高頻噪聲發射、降低感應噪聲，減少IC插座數量。除此之外，還應采取如下抗干擾措施：
(1)系統接地的抗干擾設計
圖3 PIC16F877與流量計之間串行通信的流程圖
圖4 流量計采用4～20mA模擬輸出時的通信電路
制作PCB板時可以采用增加一層地線層的三層板，地線層覆蓋的面積應盡可能大，使高頻器件的地直接通過過孔與地線層連接，使地線與信號線不并行排列，從而可以減少感應和輻射，數字地與系統安全地只在一點相連，以免在地線之間形成回路。(2)消除電源的尖峰干擾
尖峰干擾是從交流電網串入電源系統的干擾信號。消除尖峰干擾的基本方法是為單片機系統的電源加上濾波電容。即在電源的輸入端并聯兩個電容進行濾波和去耦，其中大容量的電容負責過濾除低頻干擾，而小容量的電容負責過濾高頻干擾。
(3)濾除晶振振蕩信號中的高頻噪聲
為了保證系統能夠得到理想的時鐘脈沖，應采取如下措施：選取性能穩定、溫漂較小的晶振片;晶振片的安裝位置應盡量靠近單片機芯片，以減少振蕩脈沖信號傳輸的距離;在晶振片的兩端連接高頻濾波電容;必要時在振蕩器上加一個屏蔽罩，并將屏蔽體與安全地在一點上連接。
另外，將強信號和弱信號分開走線;芯片未使用的輸入端接地或接高電平，而不懸空;在信號上接上上拉電阻(如圖4中的R2和R3)。
4.2 軟件抗干擾措施
完善的軟件設計對硬件系統的抗干擾措施起補充作用，如設置自檢程序、設置軟件陷阱、采用軟件冗余技術等。
(1)設置自檢程序
在程序的特定部位或某些內存單元設置標志，在運行中不斷進行循環測試，以保證系統中信息存儲、傳輸、運算的高可靠性。在上位機的軟件系統中，每次從遠程節點讀取信息時，都要測試通信線路的連通性。如果線路是維持連通的，則直接讀取數據;如果線路已斷開連接，則需要重新撥號建立連接后再讀取數據。
(2)設置軟件陷阱
為避免程序運行中跑飛，使用PIC單片機的GOTO指令強行使程序跳轉到系統復位后的主程序入口處，可以在系統的程序存儲器的空閑區或未使用的中斷區域設置陷阱。但是方法對于程序指針進入數據區而導致的混亂無能為力，這種情況要使用看門狗電路加以解決。
(3)軟件冗余
在影響程序流向的關鍵語句前面加上幾條空操作NOP指令，以確保程序中關鍵語句的執行時系統信號的穩定。
5 結束語
基于MODEM和PSTN設計的遠程流量計量系統，是MODEM遠程通信技術對遠程流量計量的一種創新應用，尤其是下位機的軟件設計是該系統的核心技術和知識產權。