摘要

      介绍了用光纤传输系统和可编程逻辑器件（EPLD）实现的油库液位测量系统，给出了系统结构框图和设计思想。

      1　系统工作原理

      对油库油量实时监测和记录是油库系统的一项经常性的工作。出于安全性的考虑，油库内不允许使用电力设备，也严禁烟、火。传统的油库液位测量是靠人工操作，每个油罐内、外都有尺码标记，需要测量油位时就派人爬到油罐顶端，打开顶盖，用目测法确定油面所处的位置，记录油量的变化。该法较麻烦，测量误差也较大，但油罐上不允许用电，这给自动化测量带来很大困难。笔者曾配合某研究所研制了使用光电隔离系统来测量油库液位的系统，很好地解决了这个问题：在油罐顶端使用平衡传动设备，用光源测量油位的变化，然后将这种随油量而变化的光信号通过光纤传输到监控中心，这样，监控中心就能对油库油量进行实时监测和控制，既保证了油库的安全，又达到了对油库自动化管理的目的，同时还大大提高了进出油量的测量精度，可显著提高油库系统的经济效益。这种方法可以推广到对油的密度和温度进行实时监测，市场前景非常广阔。图1是该系统的结构框图。

      图1中，浮标和吊锥起平衡作用，当油面静止时，吊锥维持不动，光源发出的光通过齿轮保持不变。当油面上下浮动时，齿轮随着转动，这时，通过齿轮孔的光线会按一定的速率变化，将这种变化的光信号通过光纤传输到后续设备进行处理。油面是上升还是下降，可以根据光线通过齿轮孔正反向导通率的不同来确定。

      为判断油罐是进油还是出油，需要产生两路光信号：基准和比较信号。两路光电转换及放大电路完全一样，但光信号的延时不一样，光信号通过光电转换器变为电信号，经过两级放大与校准变成TTL电平送到数据处理设备。图3是进出油时所观察到的波形图。随着齿轮的转动，电路会输出一连串脉冲信号，齿轮转得越快，脉冲频率越高，油量变化就越快。也就是说，齿轮转动一格，电路就会输出一个脉冲信号，即表示油库油量上升或下降一格所代表的距离。下面要介绍的数据处理电路的作用主要是精确统计放大电路输出的脉冲个数，然后通过转换电路将脉冲数转换为油库对应的高度。

      2　数据处理电路的硬件设计

      数据处理电路是整个系统的核心部分，全部电路集成在一片可编程逻辑器件EPLD内，器件使用Altera公司生产的EPM7000系列。该芯片主要特点是体积小，价格便宜，引脚选择灵活，内部包含3000个有效门，特别适合中小规模电路的设计。在具体设计过程中，用Altera公司的开发软件MAX＋PLUSII将待设计的电路用VHDL语言或电路图方式进行描述并输入，由软件自动编译、布局和布线，生成可编程POF文件和SNF仿真文件，待仿真结果正确以后就可以通过编程器将编程文件加载到EPLD内。

      本电路的主要功能为：估计输入信号的时钟频率，选择合适的时钟分频信号，对两路输入信号进行同步整形，消除边缘效应引起的毛刺，避免因毛刺而引起的对脉冲数统计的误差。对输入信号进行识别，根据比较信号对基准信号的延迟不同，判断电路工作在1、2模式，还是1、3模式。如果工作在1、2模式，计数器正向计数；如果工作在1、3模式，计数器反向计数；如果输入为一恒定电平，计数器处于保持状态。最后，将计数器结果输出到液晶显示模块或计算机中。图4是数据处理框图。

      整形识别电路设计得好／坏直接关系到整个系统的性能指标。在设计整形识别电路之前，我们对油库工作情况进行了分析。由于油罐体积一般比较大，所以进油、出油的速度比较慢，我们曾经用水代替油做过模拟实验，光信号变为脉冲电信号的周期一般都在500ms以上，在如此长周期的信号中会伴随着出现一些大毛刺，（实测最大的毛刺宽度为2ms），如果用此信号作为计数器计数时钟，会给系统带来很大误差。考虑到毛刺多出现在上升沿或下降沿阶段，可以选择用500μs时钟对输入信号进行锁存，这样，一可起同步作用，二可以消除一些小的毛刺，剩下的毛刺就是大于500μs的毛刺，然后用此信号作为161计数器的清零信号，用500μs时钟作为161计数器的计数时钟，按图5所连即可消除前沿和后沿2ms的干扰脉冲。将整形后的两路信号送到识别电路产生正反向控制信号，其中，基准信号送到正反向计数器电路作为计数脉冲。识别电路是根据基准信号和比较信号上升沿的不同来判别的，进油时，基准信号和比较信号上升沿近似对齐，出油时，基准信号和比较信号上升沿相差半个时钟节拍，通过比较正电平内计数脉冲个数来确定进出油，具体电路实现如图5所示。

      3　结束语

      实践证明，本系统较好地解决了油库油量的测量问题，模拟实验效果良好，测量误差控制在2个脉冲信号内，能准确及时地反映油量的变化，又易于与微机组成可靠的监测系统，为油库管理系统自动化提供了有益的尝试。