多路水深流速自動采集系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

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(武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院，武漢 430070)

1 研究背景

在河港工模型試驗中，需要進(jìn)行斷面多點流速的同步測量。按照測量法則的規(guī)定，需要根據(jù)各測點當(dāng)前的水深，將流速儀傳感器分別定位到指定的水深處，再采集對應(yīng)的流速。所以應(yīng)先完成各點的水深測量，再進(jìn)行流速傳感器的依次定位和流速的采集。由于河工模型斷面跨度較大，少則幾米，多則幾十米，測點數(shù)量非常多，流速測量任務(wù)非常重。另外，很多情況下需要進(jìn)行斷面多點流速的同步測量，以反映斷面的瞬時流速分布情況，所以測量的時間性也很強(qiáng)。目前，模型上測量的方式主要采用人工逐點測量，或由人工逐點進(jìn)行水深測量并完成流速傳感器定位，再由儀器進(jìn)行多點流速自動采集。普遍存在測量效率低、定位精度不高、費(fèi)時費(fèi)力的問題，制約了模型試驗的發(fā)展。

本文利用自行研制的自動水深流速儀，通過RS485總線與計算機(jī)采集系統(tǒng)相連，構(gòu)成多點水深流速自動采集系統(tǒng)，在系統(tǒng)測量軟件的控制下，實現(xiàn)了斷面多點水深的自動測量、多路流速傳感器的自動定位和流速的自動同步采集功能，顯著提高了流速傳感器定位精度和測量效率。

2 系統(tǒng)組成

多路水深流速測量系統(tǒng)由水深流速儀和計算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)兩部分組成。水深流速儀主要完成對單點的水深測量，同時根據(jù)規(guī)定的測量法則對流速傳感器進(jìn)行定位，完成流速的測量。計算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)則實現(xiàn)對多臺水深流速儀的測量控制和對流速數(shù)據(jù)的采集、保存及顯示。多路水深流速自動采集系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 多路水深流速測量系統(tǒng)組成

多臺水深流速儀通過RS485總線與計算機(jī)連接，構(gòu)成多路水深流速自動測量系統(tǒng)。

系統(tǒng)連接和擴(kuò)展極為方便，允許用戶根據(jù)需要增減儀器的數(shù)量。本系統(tǒng)最多支持31臺水深流速儀同步測量控制和數(shù)據(jù)采集、顯示、保存與查詢。

3 水深流速儀工作原理與結(jié)構(gòu)

水深流速儀的功能是先完成垂線水深測量，然后根據(jù)測得的水深和規(guī)定的測量法則，對旋槳流速傳感器進(jìn)行自動定位，依次由下向上采集垂線上各點的流速。

水深測量由水深測量電極和垂直傳動機(jī)構(gòu)配合完成。水深測量電極在垂直傳動機(jī)構(gòu)的帶動下向下運(yùn)動，同時儀器根據(jù)測量電極在水面和床面輸出電壓的變化判別水面與床面的位置，進(jìn)而計算出對應(yīng)的水深。

流速測量則采用目前模型廣泛使用的旋槳流速傳感器。水深流速儀根據(jù)之前測量的水深和規(guī)定的測量法則(如1點法、3點法、5點法等)自下而上對旋槳流速傳感器進(jìn)行定位，并采集各點的流速信息。

圖2 儀器測桿的垂直驅(qū)動結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 水深流速儀實物圖

水深流速儀在同一根測桿上集成設(shè)計了水深測量電極和旋槳測量傳感器，由同一垂直行走機(jī)構(gòu)驅(qū)動，一次往復(fù)運(yùn)動便可完成水深和流速2項測量。該儀器實現(xiàn)了簡化結(jié)構(gòu)設(shè)計、提高測量效率的同時，又實現(xiàn)了水深、流速的同步采集測量，避免了2種測量過程的相互影響。

圖2是儀器測桿垂直驅(qū)動結(jié)構(gòu)示意圖。

4 上位機(jī)(測量系統(tǒng))軟件設(shè)計應(yīng)用

上位機(jī)軟件的功能是按照規(guī)定的測量方式和測量法則完成多路水深流速儀的測量控制和數(shù)據(jù)采集、顯示、保存和查詢功能。主要包括主機(jī)與水深流速儀的通信、多路同步測量控制、多種測量模式和測量功能選擇與控制、系統(tǒng)設(shè)備的注冊與命名、控制參數(shù)的下傳、數(shù)據(jù)顯示、保存、查詢、導(dǎo)出和記錄報表的自動生成等。

上位機(jī)軟件的框架利用了MFC 提供的基本框架, 根據(jù)軟件的需要, 設(shè)計成基于對話框的界面, 自建了更為豐富的菜單欄, 用來設(shè)定參數(shù)，并將主界面分成了3塊, 包括測量控制區(qū)、數(shù)據(jù)顯示區(qū)和數(shù)據(jù)查詢區(qū)。測量控制區(qū)一般用來下傳控制參數(shù)，啟動停止測量等；數(shù)據(jù)顯示區(qū)主要用來顯示測量所得的實時數(shù)據(jù)；查詢區(qū)的功能是查詢當(dāng)前各個測量點的實時數(shù)據(jù)[1]。

4.1 系統(tǒng)主機(jī)與水深流速儀的通信方式設(shè)計

4.1.1 主機(jī)與水深流速儀的通信方式的選擇

為了便于測量設(shè)備的擴(kuò)展和簡化設(shè)備的連線，主機(jī)與水深流速儀的通信采用了RS485串行通信總線。該總線具有連接簡單、擴(kuò)展方便、成本低、抗干擾能力強(qiáng)的特點。系統(tǒng)采用主從通信方式，計算機(jī)為主設(shè)備，水深流速儀為從設(shè)備，每一臺水深流速儀被賦予專有的地址。主機(jī)通過專有地址訪問各臺水深流速儀，實現(xiàn)對它們的控制[2]。

由于模型試驗現(xiàn)場不可避免存在電磁輻射的干擾，為了確保通信的可靠性，系統(tǒng)應(yīng)該具備對通信數(shù)據(jù)進(jìn)行檢錯和糾錯的能力。本系統(tǒng)軟件設(shè)計采用了Modbus通信協(xié)議和CRC校驗技術(shù)[3]。

設(shè)備在接收到一幀數(shù)據(jù)后將自動進(jìn)行CRC校驗運(yùn)算，判定接收數(shù)據(jù)的正確性[4]。若校驗傳送出錯，則要求數(shù)據(jù)重發(fā)，從而完成數(shù)據(jù)的檢錯和糾錯功能，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃訹5]。

4.1.2 多點水深流速同步采集的實現(xiàn)

在河工模型試驗測量中，往往希望能實現(xiàn)斷面多點流速的同步測量，以獲得瞬時斷面流速的分布情況。為滿足上述要求，需要多臺水深流速儀能同步工作。

本系統(tǒng)采用指令同步的方式，即由同一條指令啟動所有水深流速儀同時開始測量，從而實現(xiàn)多點流速同步測量的功能。為實現(xiàn)這一功能，系統(tǒng)軟件設(shè)計時給每臺水深流速儀都分配了2個設(shè)備名，一個是公用設(shè)備名，為所有水深流速儀所共享；另一個是私用設(shè)備名，為每個設(shè)備所專有。利用公用設(shè)備名傳送的指令，所有設(shè)備都會同時響應(yīng)，而利用私用設(shè)備名傳送的指令，只有一臺設(shè)備響應(yīng)。在進(jìn)行多點同步測量過程中，系統(tǒng)軟件使用公用設(shè)備名進(jìn)行測量指令的傳送，同步啟動所有在線儀器開始測量，測量完畢則采用私用設(shè)備名逐臺讀取設(shè)備的測量數(shù)據(jù)。

采用公用設(shè)備名方式，還可同步完成許多無需數(shù)據(jù)上傳的操作，諸如：啟動測量、停止測量、儀器復(fù)位、相同控制參數(shù)的下傳等，以提高系統(tǒng)的控制效率。

4.2 系統(tǒng)主要測量模式和測量功能設(shè)計

考慮到模型試驗的要求和測量規(guī)范的規(guī)定，本系統(tǒng)軟件支持以下測量法則和測量模式。

支持4種測量法則：① 1點法測量，采集距水面0.6倍水深處的流速；② 3點法測量，采集距水面0.2倍、0.6倍、0.8倍水深處的流速；③ 5點法測量，采集表流、距水面0.2倍、0.6倍、0.8倍、1.0倍水深處的流速；④ 任意指定水深，采集用戶任意指定水深處的流速，該功能允許用戶任意指定水深。

支持3種測量模式：①單次測量模式，只作一次水深和垂線流速測量；②重復(fù)測量模式，按設(shè)定的重復(fù)周期，自動進(jìn)行水深流速重復(fù)測量和顯示；③跟蹤測量模式，水深流速儀作定點連續(xù)跟蹤測量，測桿不提起，計算機(jī)連續(xù)跟蹤顯示測量結(jié)果。

在軟件設(shè)計中，不同的測量方式的工作流程圖如圖4所示。

圖4 不同測量方式下的測量控制流程圖

系統(tǒng)還支持以上模式的單點測量，支持旋槳計數(shù)定時長度的自動設(shè)置功能，便于用戶根據(jù)流速的大小選擇合適的計時長度，提高流速的測量精度。

測量法則和模式選擇可以在相應(yīng)界面中選擇配置。

4.3 系統(tǒng)配置與測量斷面信息的導(dǎo)入

為了便于用戶根據(jù)試驗情況選擇適當(dāng)數(shù)量的設(shè)備投入工作，本系統(tǒng)支持設(shè)備注冊功能，用戶通過設(shè)備注冊界面規(guī)定投入工作的設(shè)備，如圖5所示。

圖5 設(shè)備注冊界面

系統(tǒng)允許用戶自行設(shè)定旋槳流速傳感器的計數(shù)時間，以滿足不同流速時要求。同時，上位機(jī)可以保存和修改各個旋槳的率定系數(shù)，以保證流速測量的精度。此外，為了便于用戶使用，系統(tǒng)還配備了設(shè)備重命名功能，允許用戶重新對設(shè)備進(jìn)行編址和排序。

在測量過程中，為方便用戶錄入測量斷面的信息，系統(tǒng)提供了2種導(dǎo)入模式：讀取模式和輸入模式。在讀取模式下，系統(tǒng)自動讀取已保存在文件中的斷面信息，包括斷面號、測量起點、終點和每臺水深流速儀的斷面位置等信息，避免用戶重復(fù)輸入；在輸入模式下，用戶可以根據(jù)需要錄入測量斷面的上述信息。測量過程中將會自動顯示記錄上述信息。在輸入模式下，用戶還可以根據(jù)需要，選擇采用步距方式或斷面坐標(biāo)方式來錄入斷面信息。當(dāng)測點等距布放時，可選擇步距模式，此時只要輸入起點、步距和臺數(shù)即可，以簡化用戶的操作。選擇坐標(biāo)方式時，則需要輸入每臺儀器的斷面坐標(biāo)值，測點可以不要求等距布放。

4.4 系統(tǒng)測量控制與數(shù)據(jù)的顯示、保存

圖6給出系統(tǒng)測量主界面。左側(cè)對應(yīng)各種測量模式的選擇，包括單點測量和多點測量選擇，單次測量、自動重復(fù)測量、跟蹤測量選擇、系統(tǒng)復(fù)位等功能，用戶可以根據(jù)試驗的要求進(jìn)行選擇。

圖6 測量軟件主界面

主界面中間為顯示窗口，可以顯示斷面各垂線水深和垂線各點的流速。其中水深顯示采用了柱狀圖和數(shù)值顯示結(jié)合的方式，直觀形象；流速則在對應(yīng)垂線位置，由上至下分別顯示表流、0.2倍、0.6倍、0.8倍水深處和底流的流速。系統(tǒng)最多可同時顯示32路水深流速值。右側(cè)滾動窗口則主要用來顯示查詢結(jié)果。

系統(tǒng)測量的過程是，啟動上位機(jī)測量程序并完成規(guī)定信息導(dǎo)入后，上位機(jī)將向各臺水深流速儀傳送控制參數(shù)，如旋槳計數(shù)時間、測量法則、測量模式等控制信息。隨后，系統(tǒng)計算機(jī)利用公用設(shè)備名發(fā)出啟動測量命令，同步啟動各臺水深流速儀開始測量。經(jīng)短暫延時等待后，上位機(jī)開始逐臺查詢各儀器測量是否完成，并依次讀取各臺儀器的測量結(jié)果，在主機(jī)上顯示和保存。

為便于考察測量數(shù)據(jù)的可靠性，每臺流速儀在同一點會自動測量5次，并分別記錄每次測量值和平均值，上傳給計算機(jī)保存顯示。計算機(jī)主界面將顯示5次的平均值，5次測量值可以通過主界面右側(cè)的滾動窗口查詢顯示。

數(shù)據(jù)處理需要將讀回來的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分離及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。上位機(jī)從指定的水深流速儀中讀取出來的數(shù)據(jù),是一系列包含有水深流速的字符串?dāng)?shù)據(jù)。首先，將字符串中的水深數(shù)據(jù)和流速數(shù)據(jù)根據(jù)規(guī)定的格式分離開來，并保存到對應(yīng)的地方。其次，將要顯示的水深和流速數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。因為在顯示模塊的界面上，顯示水深是用畫刷繪制柱狀圖的方法，所以必須將水深數(shù)據(jù)對應(yīng)的字符串轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的整型或浮點型數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算之后來繪制相應(yīng)的柱狀圖進(jìn)行顯示。

在多路水深流速自動采集系統(tǒng)中，測量得到的數(shù)據(jù)非常多，多路水深流速自動采集系統(tǒng)將需要存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分類管理：

(1) 將系統(tǒng)的配置文件用ini文件的格式進(jìn)行保存。系統(tǒng)開始運(yùn)行初始化的時候從ini配置文件中讀取相應(yīng)的配置信息，系統(tǒng)運(yùn)行期間對配置信息進(jìn)行的修改都會保存到ini文件中，這樣系統(tǒng)的配置文件就不易丟失。

(2) 在實際應(yīng)用中，會根據(jù)不同河段的實際情況，選擇測量斷面數(shù)，而且每個斷面的斷面信息會不一樣，為了存儲這些斷面信息，多路水深流速自動采集系統(tǒng)的上位機(jī)軟件專門建立了一張斷面表(.xls)來存儲斷面信息。斷面表中記錄著各個測量斷面的斷面號以及該斷面上的測點信息。

(3) 建立一張測量數(shù)據(jù)表(.xls)用來保存各臺儀器的測量數(shù)據(jù)。測量數(shù)據(jù)表包含了時間、斷面號、起點距、V1，V2，V3，V4，V5，測量模式等信息。

4.5 歷史數(shù)據(jù)查詢與試驗報表的生成

系統(tǒng)支持多種數(shù)據(jù)查詢方式，主要包括：實時數(shù)據(jù)查詢、單點數(shù)據(jù)查詢和多點數(shù)據(jù)查詢。實時數(shù)據(jù)查詢是對當(dāng)前測量數(shù)據(jù)5次測量值進(jìn)行查詢，以便用戶考察測量值的可靠性。單點數(shù)據(jù)查詢是對指定點和規(guī)定時段數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢。多點數(shù)據(jù)查詢是對多個測量點在規(guī)定時段數(shù)據(jù)的查詢。

為了方便試驗成果的整理，本系統(tǒng)支持試驗記錄報表的生成，按照通用的格式自動生成測量記錄報表(見表1)。

表1測量記錄表

Table1Measurementrecord

水利部長江科學(xué)院工程質(zhì)量檢測中心河流試驗室流速測量記錄表

項目名稱: 工況:

斷面號: 水邊起點距(m)左: 右: 流量(m2/s):

流速儀型號： 流速儀編號： 測桿號：

序號起點距/m水深/cm相對水深角度流速/(m·s-1)一次兩次三次四次五次平均流速備注

5 結(jié) 語

多路水深流速自動采集系統(tǒng)已成功應(yīng)用于長江科學(xué)院防洪模型實驗，通過模型實驗測得的數(shù)據(jù)顯示，多路水深流速自動采集系統(tǒng)水深測量精度能達(dá)到0.01mm,流速測量精度能達(dá)到0.1cm/s，同時河工模型實驗也顯示，多路水深流速自動采集系統(tǒng)還不能自動識別河床邊界，不能自動行走，需要做進(jìn)一步的改進(jìn)，以便進(jìn)一步提高測量系統(tǒng)的自動化程度。

總之，多路水深流速自動采集系統(tǒng)實現(xiàn)了多點水深自動測量、流速傳感器的自動定位與流速的自動采集，對測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行實時儲存與顯示,通過專用接口與計算機(jī)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換,便于測量數(shù)據(jù)的后續(xù)處理,顯著提高了水深測量與旋槳流速儀定位的精度，顯著提高了流速測量系統(tǒng)的自動化程度和模型斷面流速測量的效率，具有較好實用意義。

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