数字系统实验箱

21世纪,工业技术发展迅速,但随之而来的环境污染问题也逐渐加剧,国家乃至全世界对环境保护问题都非常重视,“工业三废”之一的污水排放的规范化,科学化和定量化的管理已成为国家环境保护法规的一个重要方面,各地环保部门正在 根据国家法规的要求,加强对排污口的规范化整治。在污水流量计量领域,国内外较多采用的是电磁式流量计、超声波式流量计等技术,在一定程度上对污水流量的检测起到了一定的作用,但是由于其采集处理 系统采用模拟式的数据采集传输方式,受环境因素的影响比较大,因此,其使用范围受到了很大程度的限制。在经过大量的实地考察和资料学习后,根据各部门对污 水计量的急切要求,结合我们现有数字传感器的技术思路,开发出了一套新型智能数字式明渠污水流量计量的数据采集处理系统。1、基本原理1.1、巴歇尔槽流量计量原理的介绍巴歇尔槽是在污水计量领域应用较多的一种流量槽。其流量原理是,当标准巴歇尔槽内流过理想定常流体时,可以在实际工程中使用其经验公式(1)对槽内水体瞬时流量进行计量。http://ws.llybw.com/up_files/image/Article/2013/11/22/52287911.png (1)式中:qv为槽体内瞬时流量;b为喉道的宽度;h为相对于喉管底的上游侧的水位。由公式(1)可知,只要测出巴歇尔槽上游侧水位,即可得流体的瞬时流量qv。1.2 巴歇尔槽在设计中的应用明渠中的流体可以看作是在无压状态下流动,即理想定常流体,满足巴歇尔槽公式的应用条件,因此可以在明渠流量计量中使用 巴歇尔槽。设计中,巴歇尔槽的喉道宽度b已知,数字式明渠污水流量计的数据采集系统用于采集巴歇尔槽体内的水位值高度h,并将此水位值传入微处理器,进入 微处理器的水位数据可以根据公式(1)转化成流量值,等待进一步的综合处理。2、系统软硬件设计2.1、低功耗、数字式水位采样电路的设计随着传感技术的不断发展,在水位传感领域出现了一种新型的数字式水位传感器———检索式数字水位传感器,它是太原 理工大学测控技术研究所自主研发的一种新型水位传感器,其基本原理是利用不同位置的信号取样电路来采集水中传播的电信号,从而确定水位。本设计中应 用了检索式水位传感器的数字采样原理,采样系统的原理框图如图1所示。http://ws.llybw.com/up_files/image/Article/2013/11/22/52287912.png图1采集系统原理框图采样电路主要由信号取样电路,数字信号变送电路,微处理器电路构成。为了实现电路的微型化,低功耗,稳定性,一致性等问 题,取样电路和变送电路分别集成为数字化芯片MFC7710和MFC7720。每片MFC7710带有8个水位感应触点,在实验中我们将10片 MFC7710级连,并将感应触点的排列方式由线式变为点阵式,如图2所示,这种点阵式的触点排列方式能够消除由于水的表面张力作用而使感应触点误 动作,从而导致采集系统分辨率不高,易受水质影响等缺点。实验证明,水位采样的精度达到了2mm。采集电路的工作原理:水位信号取样电路由数片MFC7710组成,片与片之间通过时钟线、数据线级连而成。变送器 与取样电路之间也是通过时钟线,数据线进行数据的通讯。每片MFC7710受变送器时钟信号控制,通过数据线,逐级向上传递感应触点感知的包含水位信息的 一系列0,1数字信号,变送器将此数字信号转变成对应的16位的BCD码。微控制器通过控制三级管,以间歇式供电方式向MFC7720发送采集时钟(即只 在微控制器发出采集水位信号时,给MFC7720供电,利于降低系统的功耗),并在时钟的上升沿时逐位采集MFC7720发回的16位BCD码,自动识别 其中包含的水位信息,计算出水位值,再经公式(1)将水位值转化为流量值,实现流量的计量。2.2微处理器的低功耗设计污水流量计的安装地点多为野外或条件恶劣的场所,因此整个系统采用电池供电,这样可以避免长距离的铺设电缆,节省了安装 费用。在电池供电的情况下,系统的电能利用无疑是关键的因素,微处理器需要采用微功耗、微型化的控制芯片,本文采用了MSP430单片机系列中的 MSP430F149。其工作电压为3.3V,与5V电压供电的单片机相比,在同等条件下,3.3V微控制器能够节省一半以上的电能,同时设计中采用 8MHz和32768kHz双时钟系统,配合微处理器本身具有的五种工作模式,可以实现系统在工作时程序高速运行,休眠时超低功耗的特点。2.3、其他外围部件的设计在设计中,考虑到需要对系统进行实时调试,有些场合也需要有就地显示部件,所以系统电路设计时留有液晶拓展接口。液晶采 用点阵式液晶块CM12864,可显示4×8四排32个字。监控中心要对现场数据进行实时或历史数据调用,以进行定期的进行计量监测,时钟芯片 SD2200具有32k的存储空间,同时兼有实时时钟电路,且内置备用电池,满足流量计的设计需求。3、系统软件设计软、硬件设计的合理搭配,是实现系统的低功耗的一个重要因素,数字式明渠污水流量计采集处理系统的软件设计充分利用了微控制器的低功耗待机工作模 式。由C语言编写的程序分为主程序和中断程序两部分。主程序只负责对系统上电复位后的系统参数及功能部件的初始化设定,中断服务程序负责执行各种操作模块 功能。开放中断后,单片机进入低功耗休眠状态,等待中断发生,处理完中断后,微处理器继续进入低功耗休眠状态,这种工作方式大大减少了微控制器的非有效工 作时间,与查询等待方式相比,系统功耗减至非常低。主程序,中断程序流程图如图2、图3所示。http://ws.llybw.com/up_files/image/Article/2013/11/22/52287913.png图2主程序流程图http://ws.llybw.com/up_files/image/Article/2013/11/22/52287914.png图3中断处理流程图4、实验验证4.1、试验装置及试验方法实验采用比较法对实验数据进行分析,验证数据采集系统是否符合设计。为了能模拟工业现场的污水排放,实验设计了自循环明渠巴歇尔槽水流装置,同时安装有超声波明渠流量计作为实验参照对象。实验计量装置由上位水箱、流量槽、下位水箱、水泵四大部分组成。下位水箱水量作为实际总流量。实验中记录智能数字式明渠污水流量计的累计流量与瞬时 流量,超声波流量计的累积流量与瞬时流量,下位水箱实际流量等五部分实验数据。累计流量实验数据如表1,三次试验中超声波与数字流量计的误差数据如表2, 三次实验中瞬时流量比较如表3所示。http://ws.llybw.com/up_files/image/Article/2013/11/22/52287915.png4.2实验分析4.2.1实验中的问题及解决方案实验初期,采样电路与无线传输的其他处理电路一起浇注在流量计中,构成集成一体化仪器,取样采用查询方式,这样需要对采 样电路持续供电。在这种情况下,MFC7720会由于散热不充分而出现突然死机的现象,为了解决这个问题,笔者将采集方式改为中断式,对变送、取样电路的 供电方式改为由三级管控制的间歇式供电。解决了MFC7720的发热死机现象,同时,间歇式的供电方式也大大降低了系统功耗。软件设计涉及的另一个问题是采样公式的参数调整问题,初期实验数据证明流量计的计量存在一定的误差。笔者认为有三方面的

[img]http://www.instrument.com.cn/bbs/images/affix.gif[/img][url=http://www.instrument.com.cn/bbs/download.asp?ID=141567]应变式称重传感器的设计与计算[/url][img]http://www.instrument.com.cn/bbs/images/affix.gif[/img][url=http://www.instrument.com.cn/bbs/download.asp?ID=141568]再论数字称重系统)[/url]

[center]数字实验室--LIMS未来发展趋势 [/center][center]中国实验室网 [/center][center]冯金辉[/center][center]（北京中科科仪计算技术有限责任公司 北京2724信箱 邮编 100080）[/center]　　摘要 LIMS出现于八十年代，九十年代在西方迅速普及。目前国内也掀起了LIMS的热潮。LIMS从最初仅仅完成数据存储、有限的网络功能，发展到现在已经可以处理海量数据，具备完善的管理职能，并且能够运行于Internet之上，极大的提高了实验室的运行效率，大幅度节约了实验室的运营成本。今后，LIMS将朝着数据挖掘、集成最新、最先进的专用分析方法、结合GIS技术、宽带网络技术、以及电子商务技术的方向发展。成为一个功能极其完备的复杂系统。在文章最后，针对LIMS用户提出了一些有意义的建议。　　关键词 LIMS，实验室管理、Internet、Analysis Method, GIS, WEB一、 引言1 LIMS概念　　实验室信息管理系统（Laboratory Information Management System）英文缩写为 LIMS，就是利用计算机网络技术、数据存储技术、快速数据处理技术来对实验室进行全方位管理的计算机软、硬件系统。通过它，实验室可以达到自动化运行、信息化管理和无纸化办公的目的，对实验室提高工作效率、降低运行成本起到至关重要的作用。　　我们这里提到的实验室包括各种类型的检测和校准实验室，分布于社会经济活动和社会公益活动的各个方面。检测是针对原材料、半成品、成品、自然环境各要素、科学研究过程中以及涉及人身健康诸方面的测试活动；校准则是指各类计量监督、检查部门对仪器的计量进行校准的活动。2 LIMS的发展历史　　LIMS的产生是随着分析测试仪器自动化程度的提高、实验室规模与处理能力的提高而逐步出现的。二十世纪80年代初，大规模集成电路的普及使得仪器的自动化水平大大增强，进而实验室单位时间内所能完成的测试任务大大增加，这就对实验室的管理提出了新的要求。同时随着计算机数据处理能力及数据吞吐量的极大提高，采用计算机信息系统来自动管理实验室成为可能。早期的LIMS以大中型计算机（mainframe）为主，造价比较高，进入九十年代后微型计算机的迅速普及使得 LIMS的造价得到极大的下降， LIMS在西方发达国家迅速得到推广。今天，我们在总结前人经验的基础上，推出了以管理为中心、强调对实验室总体提供管理、运行支持，达到自动化、信息化、无纸化的目标。同时采用最新软件工程方法以及最新技术，迅速向市场推出最新、最好、最实用的 LIMS产品，先期占领国内市场，进而逐步推向国际市场。3 国内LIMS现状　　西方发达国家的 LIMS市场在九十年代就已经完全打开，现在 LIMS已经成为一个标准词汇为大家广为接受，在美国每年要召开一次 LIMS大会，讨论 LIMS的有关问题，在国内， LIMS在九十年代开始为人们所知道，并在石油化工等行业得到了一些初步推广，但总的来说还远没有达到普及的程度。这当然也受到了各种条件的制约：体制、观念、经费等等，但其中起根本作用的是硬件基础条件和人们的观念，试想：如果连计算机都没见过，何谈使用软件？而市场、商品经济观念的落后也制约了 LIMS的推广，如果一个企业不把追求经济效益放在第一位，他是不会考虑 LIMS的。　　可喜的是，通过近几年的信息化建设，国内大部分实验室都配备了自己的局域网系统，各种计算机设备的配置也都是很高档的。但是运行于网上的软件系统却没有！这实际形成了这样一种局面：实验室花大量经费建好局域网后却不知道拿他来干什么！当然，更多的则是在考虑下一步如何上 LIMS这一问题。特别是经过近几年互联网热潮的影响，网络、信息化等观念已经深入人心，甚至出现了诸如"不懂网络就是新文盲"的说法。随着全球经济一体化进程的加快，国家在大力提倡、资助各行业的信息化进程，可以说，目前国内 LIMS市场处于一种天时、地利、人和的最佳时机！二 数字实验室　　LIMS经过了二十多年的发展，在国内也即将普及。但总的说来，各种LIMS产品（国外、国内）的技术水平参差不齐。大多数LIMS产品还是停留数据存储、工作任务安排的水平上，少数LIMS产品达到了管理的层次，可以为实验室的管理者提供管理决策服务。再深层次的应用可以讲都没有。　　尽管如此，这些产品基本上可以让实验室达到自动化运行、信息化管理和无纸化办公的目的，对实验室提高工作效率、降低运行成本起到很大的作用。这也正好比较符合目前国内绝大多数实验室的要求。这些实验室的情况是：仪器设备配备比较好，分析测试任务很繁重，迫切需要LIMS来提供辅助管理支持，提高工作效率、降低运行成本。　　随着经济的飞速发展，特别是加入WTO以后，各类实验室的业务也在快速的发展着。这就对LIMS提出了更高的要求。目前的LIMS产品在一个实验室应用超过五年甚至更短的时间就会失去作用。这还只是从实验室的管理角度来看。未来的实验室应当是高度专业化、智能化、系统化、自动化、空间跨距大以及多学科交叉的。因此，现有的以信息管理为主题思想的LIMS将不能使用实验室发展的要求。结合信息技术、数字技术的发展，我们认为未来的实验室将是数字化的！数字化的实验室除了自身专业技术的数字化，实验室的管理、运行都将是数字化的。　　为顺应这种发展的潮流，我们认为数字化的LIMS首先要在专用分析方法上着手，为实验室提供更深层次、专门的、结合其专业最新科研成果的分析方法。只有这样才真正把LIMS的应用提升到了技术的最前沿，满足数字化时代的要求。其次，目前比较热门的GIS（地理信息系统）、宽带网络、电子商务等等都可以引入到LIMS中来。仪器远程控制也是相当重要的一个方面。1 专用分析方法　　通常，大多数LIMS都或多或少的带有一些分析方法。这些方法的多少，技术水平的高低实际上在某种程度上也代表了某一LIMS厂商的专业技术水平。简单的数据处理 　　这里指的是对仪器出来的数据作诸如四则运算之类的简单计算。运算的公式等都可由用户自行设定。基本上，任何一套LIMS都有这个功能。色谱数据工作站　　国内几乎所有的LIMS厂商都包含这项功能。存在的问题是数据处理功能单一，面临被淘汰的危险。因为目前绝大多数仪器都会自带工作站。以谱库为基础的专业方法 　　涉及质谱、核磁、红外等。目前尚未见到都产品面市。Sisc LIMS(北京中科科仪计算技术有限责任公司)正积极开展这项工作。图象分析系统 　　图象处理涉及实验室所属专业知识、计算机图象处理理论等等，典型的交叉学科。难度比较大。目前Sisc LIMS集成了金相图象分析仪、生物图象分析、医学图象分析。专家系统 　　实验室运行一段时间后都会积累大量的数据。如果在此之上建立专家系统，对实验室具有非同寻常的意义。目前Sisc LIMS正积极和铁道部科学研究院、北京航空航天大学合作，开发失效分析专家系统。2 GIS（地理信息系统）　　GIS是计算机科学、地理学、测量学、地图学等多门学科综合的技术。例如土地信息系统、城市信息系统、规划信息系统、空间决策支持系统等。GIS是一组用来采集、存储、查询、变换和显示空间数据的工具的集合。GIS提供的用于处理地理数据的工具。GIS是这样一类数据库系统，它的数据有空间次序，并且提供一个对数据进行操作的操作集合，用来回答对数据库中空间实体的查询[1]。　　GIS应用到实验室的管理后，可以提供在空间上更加方便直观的方法。它在如下几个方面能发挥其他技术所不能替代的作用：大型联合实验室 　　这类实验室在空间上分布在广阔的地理区间。如整个长江流域的水质监测系统；大型企业不同生产线周围的检测设备；环境监测的流动检查车等等。对它们的管理往往因为空间位置的不明确而难以开展工作。显然，引入GIS后这个问题可以迎刃而解。