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一種新型液體渦輪流量計的數(shù)字化設(shè)計由京儀股份為您整理，歡迎閱讀了解。

渦輪流量計具有精度高、重復(fù)性好、測量范圍廣、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)。然而，工業(yè)環(huán)境相對惡劣，干擾嚴(yán)重。此外，目前國內(nèi)大量智能流量計采用傳統(tǒng)的C51系列單片機(jī)。電路設(shè)計中需要擴(kuò)展大量功能芯片，降低了抗干擾能力，影響了測量精度。

采用C8051F020單片機(jī)設(shè)計的智能渦輪流量計不僅保證了高脈沖測量和脈沖輸出精度，而且滿足了HART通信和4 ~ 20 ma輸出的低功耗要求。HART協(xié)議是一種開放的通信協(xié)議，它在現(xiàn)有的模擬信號傳輸線上實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號通信，并能處理遠(yuǎn)程傳感器的高速信道。它已經(jīng)在許多智能儀器中得到應(yīng)用。

為滿足用戶需求，系統(tǒng)增加了HART模塊，并設(shè)計了人機(jī)交互界面，用于現(xiàn)場顯示、儀表系數(shù)和累計流量的存儲以及鍵盤管理，完成液體瞬時和累計流量的測量和監(jiān)控。

硬件設(shè)計

流量計由總線供電，即流量計表頭的工作電流應(yīng)從4 ~ 20mA總線截取，流量計表頭的工作電流應(yīng)小于4mA，否則儀表的零輸出不能調(diào)整。功耗是流量計表頭設(shè)計的難點(diǎn)之一。

解決這一問題的主要方法是用兩個隔離的電源給表頭供電，即采用DC/DC模塊使兩個電源在4 ~ 20mA總線上串聯(lián)工作，DC/DC模塊的隔離輸出端分擔(dān)部分用電負(fù)荷，以保證4 ~ 20mA總線回路的電流功耗小于3.5毫安。

這不僅解決了功耗問題，而且提高了流量計的工作穩(wěn)定性。此外，表頭選用低功耗核心元件，降低整機(jī)功耗。流量計表頭設(shè)計的第二個難點(diǎn)是HART通信信號的穩(wěn)定性和可靠性。

要解決這個問題，首先要提高CPU的運(yùn)行速度，在功耗允許的情況下有效利用CPU的資源，從而提高軟件的運(yùn)行效率；其次，采用HART成熟的通信濾波電路，保證HART通信的穩(wěn)定性、可靠性和抗干擾能力。

因此，中央處理器使用C8051F020。C8051F020系統(tǒng)功耗低，工作電壓范圍為2.7~3.6 V，具有多種節(jié)電和關(guān)機(jī)模式。C8051F020具有與高速流水線8051兼容的CIP-51內(nèi)核(運(yùn)行速度可達(dá)25 MIPS)。在相同條件下，C8051F020的運(yùn)行速度比C51快20倍。此外，C8051F020具有SMBus(I2CTM兼容)、SPITM和兩個可以同時使用的UART串行端口。SPI端口與外圍設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換可以大大降低軟件開銷，提高CPU的工作效率。

另外，可以充分利用C8051F020豐富的片上資源，使整個流量計的表頭電路更加簡潔可靠。C8051F020內(nèi)置一個12位快速模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有可編程增益和可編程壓擺率，可用于采集溫度和壓力信號。C8051F020還具有可編程16位計數(shù)器/定時器陣列，可用于輸出等效脈沖。此外，它還具有64 kB閃存、4352B內(nèi)存、片內(nèi)JTAG調(diào)試和邊界掃描，使得軟件調(diào)試非常方便。

渦輪流量計主要包括核心控制裝置C8051F020、流量脈沖信號采集模塊、HART模塊、脈沖輸出模塊、累計流量存儲模塊和顯示及鍵盤處理模塊。系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖如圖1所示。

用于流量脈沖信號采集的渦輪流量傳感器采用重慶內(nèi)德工業(yè)有限公司自主研發(fā)的渦輪流量傳感器，當(dāng)液體流經(jīng)傳感器時，傳感器產(chǎn)生脈沖信號。脈沖信號經(jīng)信號調(diào)理電路放大整形后送到單片機(jī)的計數(shù)器T0端口。

T0被設(shè)置為脈沖下降沿計數(shù)模式，以對流量脈沖信號進(jìn)行計數(shù)，16位定時器T3用于設(shè)置查詢周期。一旦查詢周期到達(dá)，系統(tǒng)將響應(yīng)中斷并讀取T3中斷內(nèi)的T0計數(shù)值，從而計算瞬時流量、單個累積流量和總累積流量。

HART模塊HART協(xié)議通信模塊主要由HART調(diào)制解調(diào)器HT2012、數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD421及其外圍電路實(shí)現(xiàn)。HARTMODEM采用符合Bell202標(biāo)準(zhǔn)的半雙工調(diào)制解調(diào)器Smar HT2012，用于對HART協(xié)議規(guī)定的數(shù)字通信進(jìn)行編碼或解碼。

該芯片是專門為HART儀器設(shè)計的。符合Bell202標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)制器、解調(diào)器、時鐘和定時電路以及檢測控制電路集成在芯片上，性價比相對較高。AD421是一款單芯片高性能數(shù)模轉(zhuǎn)換器，主要由穩(wěn)壓器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器和電流放大器組成。AD421由外部4 ~ 20ma環(huán)路主電源供電，為其他器件提供3.0V電源電壓。AD421通過串行接口接收現(xiàn)場儀表中單片機(jī)傳輸?shù)臄?shù)字信號，并將其轉(zhuǎn)換為4 ~ 20 ma電流。HT2012從VIN節(jié)點(diǎn)接收疊加在4 ~ 20mA環(huán)路上的信號，經(jīng)過帶通濾波和放大后進(jìn)行載波檢測。

如果檢測到FSK FSK頻移鍵控信號，IRXA節(jié)點(diǎn)上的1.2千赫信號被解調(diào)為“1”，IRXA節(jié)點(diǎn)上的2.2千赫信號被解調(diào)為“0”，該信號通過串行端口通信RXD0節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)紺8051F020。C8051F020接收命令幀并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理；C8051F020生成一個響應(yīng)幀，然后發(fā)送回去。響應(yīng)幀的數(shù)字信號由HT2012調(diào)制成相應(yīng)的1.2千赫和2.2千赫的FSK頻移鍵控信號，即從節(jié)點(diǎn)TXD0到節(jié)點(diǎn)OTXA的調(diào)制過程。在傳輸信號整形電路進(jìn)行波形整形后，信號通過AD421疊加在節(jié)點(diǎn)X0的環(huán)路上進(jìn)行傳輸。C8051F020外部連接一個1.8432兆赫茲的晶體振蕩器，用作分頻4后HART調(diào)制和解調(diào)的時鐘信號源。該電路如圖2所示。

脈沖輸出模塊脈沖輸出模塊主要由高速光耦隔離器和穩(wěn)壓電路組成。脈沖輸出通過控制1.4端口的高低電平反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)?？紤]到儀表的安全性，流量計的脈沖輸出模塊都需要隔離保護(hù)。該系統(tǒng)采用低功耗高速CMOS信號隔離器。AD421的輸出電壓用于向連接的單片機(jī)供電，用戶檢測端用于向用戶供電。

由于用戶通常提供DC12 V或DC24 V電源，穩(wěn)壓器Z1用于穩(wěn)定5 V電壓，以便向光耦合器的另一端供電。脈沖輸出電路如圖3所示。在圖3中，VW+和VW-是用戶提供的外部DC12 V或DC24 V電源輸入端，Q1和Q2是三端。在脈沖輸出過程中，當(dāng)P1.4和P_OUT處于高電平時，Q1導(dǎo)通，Q2截止，節(jié)點(diǎn)脈沖輸出處于高電平。當(dāng)P1.4和P_OUT為低電平時，Q1關(guān)閉，Q2開啟，節(jié)點(diǎn)脈沖輸出為低電平。

累積流量存儲為了存儲累積流量、每個流量段的流量系數(shù)、脈沖輸出等效系數(shù)、流量范圍等重要數(shù)據(jù)，系統(tǒng)擴(kuò)展了鐵電存儲器FM24CL16。FM24CL16的工作模式是基于I2C總線，它與C8051F020單片機(jī)硬件上的SMBus兼容。

顯示和鍵盤處理模塊的顯示模塊采用長沙太陽人有限公司生產(chǎn)的SMS2411液晶顯示屏，首先行顯示10位總累計流量，第二行顯示6位單次累計流量和3位液體溫度，第三行顯示5位瞬時流量。

此外，顯示模塊還用于鍵盤設(shè)置期間的各種提示。鍵盤采用4個按鍵，直接連接到單片機(jī)的P3端口，采用查詢方式。當(dāng)按鍵被按下時，相應(yīng)的功能被執(zhí)行。鍵盤設(shè)置主要用于設(shè)置和查看每個流段的流量系數(shù)、脈沖輸出當(dāng)量和流量范圍。

軟件設(shè)計

該測量系統(tǒng)的軟件開發(fā)平臺采用KeiluVision3，編程采用C語言。單片機(jī)上電后，首先執(zhí)行初始化，加載并中斷HART協(xié)議，等待上位機(jī)的HART幀到達(dá)，讀取鐵電存儲器的數(shù)據(jù)，按鍵執(zhí)行鍵盤操作；如果沒有按鍵，總累計流量、瞬時流量、單次累計流量和溫度的顯示將定期刷新。

定時查詢流量值、脈沖輸出和HART串口通信由中斷觸發(fā)，脈沖輸出由工作在軟件定時模式的PCA定時器實(shí)現(xiàn)。中斷程序是整個系統(tǒng)軟件設(shè)計的關(guān)鍵。設(shè)計中應(yīng)注意兩個問題:①各流量參數(shù)和組態(tài)脈沖輸出的計算在定時器T3中斷內(nèi)完成，T3中斷內(nèi)的程序應(yīng)盡可能簡潔；②主成分分析定時器的中斷應(yīng)設(shè)置為高優(yōu)先級。

HART通信協(xié)議采用問答方式，即上位機(jī)(主機(jī))向下位機(jī)(從機(jī))發(fā)送命令，下位機(jī)應(yīng)答。當(dāng)主機(jī)消息到達(dá)時，下層計算機(jī)響應(yīng)串行端口中斷，接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。主循環(huán)程序還包括溫度和壓力檢測、液晶顯示、4 ~ 20 mA電流輸出、累計流量寫入鐵電體等子程序模塊。系統(tǒng)的主要功能流程如圖4所示，脈沖采集和輸出流程如圖5所示。

測試結(jié)果表明，累計流量的基本誤差限為0.2%，重復(fù)性小于0.06%。脈沖測量和脈沖輸出精度高，可靠性好。另外，系統(tǒng)利用上位機(jī)軟件與流量計HART通信，修改儀表系數(shù)和較大量程，證明了HART通信的正?？煽啃?。

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