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基于DSP的光纤液位测量系统设计
摘 要 针对传统油罐液位测量采用人工或电方式存在潜在危险的局限性，基于光纤传感器和DSP，提出光纤液位测量系统，并进行工程实现。介绍光纤液位测量原理 ，给出系统总体结构，采用DSP芯片TMS320VC33，设计了光电转换器，最后描述了监控软件的功能。系统实现了油库罐区的安全生产，具有实时性好、本质安全和易于维护等特点，会有广阔的市场应用前景。
关键词 油罐；光纤传感器；液位；光电转换器；DSP
0 引言
对油罐液位实时测量和记录是油库系统的一项经常性的工作。传统的油罐液位测量是靠人工操作的，随着大中型油罐对液位的测量提出精度更高、量程更大、参数更多的要求，大多数油库采用各种电方式，如压力式、电容式、电导式、超声波式、浮子式和雷达式等自动化测量仪表进行液位测量，其测量水平虽已达到较高的自动化程度和测量精度，但上述方法大都采用电激励和电信号传输，极易因火花放电而引起火灾，成为油罐液位测量的潜在危险因素。近年来，光纤传感器已成为现代传感器技术发展方向之一。基于光纤法布里-珀罗(Fabry-Perot，F-P)干涉仪原理的连续型光纤液位传感器仅使用一根光纤就可实现全光传感和信号的远距离传输，具有测量精度高、无电源、防爆和抗干扰能力强等特点，可广泛应用于石化行业组成本质安全的高精度光纤液位测量系统。本文基于光纤传感器，提出一个本安型的高精度光纤液位测量系统，采用TI公司32位DSP芯片TMS320VC33，设计了光电转换器，并给出了监控软件功能。该系统从本质上保证了油库罐区液位无电安全实时测量，具有性价比高、实时性好、可靠性强、精度高、本质安全和易于维护等特点，会有广阔的市场应用前景。
1 光纤传感器及液位测量原理
光纤液位传感器利用测量液体压强的原理实现液位高度的检测，实质上是一个精密的光纤压力传感器，它使压强的变化转换为光纤F-P腔腔长的变化，然后通过测量反射回的信号光光强的变化进而测出压强的变化。光纤液位传感器的传感头设计上采用一圆形恒弹性薄片(实际传感头制作中，弹性薄片材料可选用圆形薄硅片)作为F-P腔的一个端面，并将其抛光的一面作为反射面，光纤对准中心，经过光学处理的光纤端面直接作为另一个反射面，这样，在恒弹性薄片与光纤端面之间就形成一个F-P腔。当压强作用于光纤液位传感头上的恒弹性薄片，该弹性薄片会产生弹性形变，弹性形变的大小不仅与所受的液体压强有关，还与弹性薄片尺寸有关，根据弹性力学原理有
(1)式中 p为薄片承受的压强， R为圆形薄片的半径，d 为薄片的厚度， E为材料的杨氏模量， ![]() 为材料的泊松比， h为薄片中心产生的形变量。液位高度不同，圆形薄片承受的压强 p不同，从而产生的形变量 h不同，即F-P腔腔长发生改变，反射回的信号光输出由于腔长的改变使干涉输出的信号光强发生相应变化。测量输出信号光光强可得到液位相应压强的大小，再由液体内部压强和深度的关系可得出当前液位高度
(3) 式中 ![]() 为液体的密度， ![]() 为重力加速度，p 为液体高度为 H时的压强。
2 光纤液位测量系统组成
光纤液位测量系统由油库罐区现场、光纤网络和监控中心组成，监控中心内部通过以太网将数据库服务器、Web服务器及监控工作站等设备互连，如图1所示。
图1 系统结构图
安装在油库现场油罐底部的光纤液位传感器将油罐液位物理参量的变化转换为光信号，通过光纤传送至监控中心的光电转换器，光电转换器通过光电检测器将光纤传来的微弱光信号转换成电信号，利用信号调理电路及高精度A/D转换器进行实时数据采集并进行各种复杂算法的数据处理，最后将液位信息通过CAN总线上传给监控工作站。每个光电转换器最多可连接四个油罐。监控工作站是一台具有CAN智能卡和网络接口卡的PC机，在监控软件系统的控制下，实时接收来自各现场油罐液位信息并计算当前油罐的油量等各种数据，显示各油罐位置、运行状态及相关信息，同时利用网络和数据库技术通过简单SQL语句与数据库服务器交互，实现液位测量数据的归档。
3 基于DSP的光电转换器硬件结构
光电转换器是高精度光纤液位测量系统中最核心的部分，其硬件核心实现主要由A/D数据采集电路、DSP、JTAG调试接口、FLASH、CPLD及CAN总线通信等模块组成。DSP芯片通过数据总线和地址总线与FLASH及CAN控制器连接，采用CPLD逻辑控制器实现各芯片间逻辑连接，同时采用SJA1000和82C250等构成CAN总线接口，整个光电转换器核心电路模块的硬件框架如图2所示。
图2 光电转换器核心电路模块硬件框图
通用的DSP芯片已较易获得，其丰富的软硬件资源使其比单片机更适合用于比较复杂的高速精度数据处理系统，选用TI公司的32位具有浮点运算和数字信号处理能力的DSP芯片TMS320VC33-120(VC33)为核心组成光电转换器的数字信号处理单元，并在CPLD的控制下完成光纤液位测量数据的采集和处理。
光电转换器的模拟量信号输入部分选用16位高精度A/D转换器，采用定时器控制采样周期，其采样周期可调，最大采样率可达44.1 kHz。实际应用中，每个通道在20ms内采样64点，每个采样周期内同时采样四路液位信号，每路信号的存储缓冲区保存一个周期的采样值，即64个采样值，采取循环采样，以旧覆新的方法保存数据。
4 监控工作站软件设计
4.1 监控软件结构
监控中心的监控工作站监控软件通过与光电转换器实时通信，获取现场每个油罐的状态，并能在油罐液位(或温度)高、低异常情况下进行实时预报警，实现了油罐液位实时测量、油量自动计算、实时曲线图、历史趋势图等功能，其软件功能模块如图3所示。
图3 监控软件功能结构
4.2 系统开发模式及实现
监控软件系统体系结构采用C/S模式，后台数据库服务器采用Microsoft SQL Server 2000来管理数据，前端应用可视化开发软件Borland Delphi 6集成开发环境，使用第三方组件APRO实现CAN总线数据通信、工控虚拟仪器组件实现油罐相应参数的实时显示。
（1）CAN总线通信：监控软件通过CAN总线实时与光电转换器通信，分别获取油库现场油罐液位的实际值。
（2）油罐图形显示：显示油库罐区现场相应油罐的编号、油标、液位高度、温度、体积和重量等信息，还对应显示了当前油罐的图形，油罐的液位根据所储油料的不同显示不同的颜色，并随现场光纤液位传感器采集数据的变化而上下波动。
（3）实时预报警：当某油罐液位高度或油罐内部的温度超出所设定的上、下限，监控软件立即生成预报警信息，显示界面上相应的预报警灯就会闪烁，同时有蜂鸣提示，并将预报警信息发生的时间、上限值、下限值、预报警等数据写入相应的数据表中。
（4）网络探测：监控软件向数据库服务器发送数据时，会由于网络的故障而产生异常，因此在向服务器发送数据之前，均要检测网络是否连通，如果网络畅通，通过数据库访问功能实现数据的上传，否则将数据写到本地临时数据库Paradox表中。
（5）数据库访问与存取：采用ADO技术，通过标准协议TCP/IP来访问数据库服务器并对其进行各种操作，实现了油罐各种数据的自动存储。
（6）历史趋势图：对现场油罐的物理参量如液位高度、温度、体积等以曲线图形显示。每个趋势曲线显示的信息主要包括画面名称、时间、趋势及说明等。
（7）系统管理：监控软件与数据库紧密结合，系统脱离数据库无法运行。系统管理主要内容包括用户口令管理、数据库登录管理、数据库用户管理等功能。
（8）数据库维护：专门针对数据库管理设计的，主要包括编辑、增加、删除数据项和数据结构、批量数据的导入功能以及本地Paradox数据库设置等。
5 结束语
本文应用DSP芯片TMS320VC33，设计了光电转换器，采用光纤传感器测量油罐液位高度，实现了光纤液位无电实时测量系统。实际工程应用中，光纤传感器安装在油罐现场，而光电转换器和计算机系统安装在监控中心，两者之间通过光纤连接，从而做到罐区被测现场无电压、电流等电信号，完全实现了油库现场油罐液位无电安全实时测量，达到本质安全防爆，保证了油库管理的安全畅通、高效运行，会有广阔的市场应用前景。
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