液体涡轮流量计_工作原理_结构设计

摘 　要 :鉴于常规脉冲式涡轮流量计对脉冲信号的测量与输出的精度不高, 设计了一种基于 C8051F020单片机与 HART总线的液体涡轮流量计 。该流量计以 C8051F020单片机为控制核心, 采用软硬件结合的方法实现了液体流量较高精度的测量和脉冲输出。 重点分析了硬件设计的测量模块 、HART模块和脉冲输出模块以及软件设计的主函数和脉冲测量与输出的流程图 , 并给出了液体涡轮流量计在柴油标准装置上的测试结果。 测试结果表明, 该流量计累积流量基本误差限为 ±0.2%, 重复性小于 0.06%, 实现了较高的精度和可靠性, 同时, HART通信正常 、可靠性高。

0、引言：
  涡轮流量计具有精度高 、重复性好 、测量范围广和结构紧凑等优点 , 但工业现场的环境比较恶劣 , 干扰严重 , 且国内现有的大量智能流量计采用传统的 C51系列单片机 , 在电路设计上需要扩充大量的功能芯片 , 使抗干 扰能 力 下降 , 影响 了 测 量精 度[ 1 -2]。 现利 用C8051F020单片机设计的智能型涡轮流量计 , 不但保证了较高 的脉冲 测量与 脉冲 输出 精度 , 而且 满足HART通信与 4 ～ 20 m A输出的低功耗要求 。
  HART协议是在现有模拟信号传输线上实现数字信号的通信 , 是可寻址远程传感器高速通道的开放的通信协议 , 已在很多智能仪表中得到应用 。为满足用户的使用需要 , 系统增加了 HART模块 , 并设计了现场显示 、仪表系数与累计流量存储和键盘管理的人机交互界面 ,以完成对液体的瞬时和累积流量的计量和监控。

1、硬件设计：
  流量计采用总线供电 , 即流量计仪表表头的工作电流要从 4 ～ 20 m A的总线上截取 , 且流量计仪表表头的工作电流必须小于 4 m A, 否则无法调整仪表的零点输出 。
  功耗问题是流量计仪表表头设计的难点之一 。解决这一问题的主要方法是用两个隔离的电源对流量计表头进行供电, 即采用 DC/DC模块, 使两个电源在 4 ～20 m A的总线上串联工作 , 由 DC/DC模块隔离输出端分担部分功耗负载 , 确保 4 ～ 20 m A总线环路上的电流功耗小于 3.5 m A。这样不仅解决了功耗问题 , 而且还提高了流量计的工作稳定性 。此外 , 流量计表头均选用低功耗的核心元器件 , 以降低整机功耗 。
  流量计仪表表头设计的难点之二是流量计仪表表头 HART通信信号的稳定性和可靠性问题 。要解决这一问题 , 首先 , 在功耗允许的情况下提高 CPU的运行速度 , 有效利用 CPU的资源 , 从而提高软件的运行效率 ;其次是采用 HART成熟 的通信滤波电路 , 确保HART通信的稳定性 、可靠性和抗干扰能力 。因此 ,CPU选用 C8051F020。
  C8051F020系统功耗低 , 工作电压范围为 2.7 ～3.6 V, 具有多种节电和停机模式 ;C8051F020 具有与高速流水线结构 8051兼容的 CIP-51内核 (运算速度可达 25 MIPS), 在同等条件下 C8051F020的运行速度比 C51的运行速度快 20倍 ;而且 , C8051F020具有可同时使用的 SMBus(I2CTM兼容 )、SPITM和两个 UART串口 , 其 SPI口与外设交换数据能大大减少软件开销 , 提高 CPU的工作效率[ 3]。另外 , 可充分利用 C8051F020丰富的片内资源 , 使整个流量计表头电路更加简洁可靠 。   C8051F020内含可编程增益和可编程转换速率的12位 快 速 A/D, 可 用 于 采 集 温 度 和 压 力 信 号 ;C8051F020还具有可编程的 16位计数器 /定时器阵列 , 可用于当量脉冲的输出 ;另外 , 它还具有 64 k B的Flash存储器 、4 352 B的 RAM、片内 JTAG调试和边界扫描 , 软件调试十分方便 。
  涡轮流量计表头主要包括核心控制器件 C8051F020、流量脉冲信号采集模块 、HART模块 、脉冲输出模块 、累计流量存储模块以及显示和键盘处理模块 。系统硬件设计框图如图 1所示 。

图 1　系统硬件框图
1.1、流量脉冲信号采集：
  涡轮流量传感器采用重庆耐德工业股份有限公司自主研制的涡轮流量传感器 。当液体流过传感器时 ,传感器产生脉冲信号 。该脉冲信号经信号调理电路放大整形后送到单片机的计数器 T0口[ 4]。 T0设置为脉冲下降沿计数方式 , 对流量脉冲信号进行计数 , 并采用16位定时器 T3设定查询周期 。一到查询周期 , 系统就响应中断 , 在 T3中断内读取 T0的计数值 , 从而计算出瞬时流量 、单次累计流量和总累计流量[ 5]。

1.2、HART模块：
  HART协议通信模块主要由 HART调制解调器HT2012和 D/A转换器 AD421及其外围电路实现 。
  HARTMODEM采用 Smar公司的 HT2012, 它是符合 Bell202标准的半双工调制解调器 , 用于实现 HART协议规定的数字通信的编码或译码。该芯片专为 HART仪器设计 , 片内集成了符合 Bell202标准的调制器 、解调器 、时钟及定时电路 、检测控制电路 , 性价比较高 。
  AD421是单片高性能数模转换器 , 主要由电压调整器 、数模转换器和电流放大器组成 。 AD421由外接4 ～ 20 m A环路主电源供电 , 并为其他器件提供 3.0 V供电电压 。
  AD421通过串行接口接收现场仪表内部 MCU传送的数字信号 , 并转换成 4 ～ 20 m A电流 。 HT2012则从 VIN-节点接收叠加在 4 ～ 20 m A环路上的信号 , 经带通滤波和放大之后进行载波检测 。如果检测到 FSK频移键控信号 , 则将 IRXA节点上的 1.2 k Hz的信号解调为 `1' , 将 IRXA节点上的 2.2 k Hz信号解调为 `0' ,并通过串口通信 RXD0节点传输给 C8051F020。
  C8051F020接 收命令帧 并作相应 的数据 处理 ;C8051F020产生要发回的应答帧 , 应答帧的数字信号由 HT2012调制成相应的 1.2 k Hz和 2.2 k Hz的 FSK频移键控信号 , 即节点 TXD0到节点 OTXA的调制过程 , 并经过发送信号整形电路进行波形整形后 , 在 X0节点经 AD421 叠加在环路上发送[ 6]。 C8051F020外接 1.843 2 MHz晶振 , 4分频后作为 HART调制解调的时钟信号源[ 7]。电路图如图 2所示 。

图 2　HT2012电路、滤波电路与整形电路图
1.3、脉冲输出模块：
  脉冲输出模块主要由高速光耦隔离器和稳压电路构成 。脉冲输出采用控制 P1.4口的高低电平翻转来实现 。考虑到仪表安全性 , 流量计的脉冲输出模块均需要隔离保护 , 系统选用功耗低的高速 CMOS信号隔离器 , 连接单片机端由 AD421的输出电压供电 , 用户检测端由用户供电 。由于用户通常提供 DC12 V或 DC24 V电源 , 所以采用稳压管 Z1稳压 5 V给光耦的另一端供电 , 脉冲输出电路如图 3所示 。 图 3中 , VW +、VW-为用户提供的外接 DC12 V或 DC24 V电源输入端 , Q1、Q2为三极管 。在脉冲输出过程中 , 当 P1.4和P OUT为高电平时 , Q1导通 、Q2截止 , 节点 Pulse-O输出高电平 ;当 P1.4和 P OUT为低电平时 , Q1截止 、Q2导通 , 节点 Pulse-O输出低电平 。

图 3　脉冲输出电路图
1.4、累计流量存储：
  为了存储累计流量 、各个流量段的流量系数 、脉冲输出当量系数和流量量程等重要数据 , 系统外扩了一个铁电存储器 FM24CL16。 FM24CL16的工作方式基于 I2C总线 , 它可与 C8051F020单片机硬件上的 SM-Bus兼容 。
1.5、显示与键盘处理模块：
  显示 模 块 采 用 长 沙太 阳 人 有 限 公司 生 产 的SMS2411液晶屏 , 行显示 10位的总累积流量 , 第二行显示 6位的单次累积流量与 3位的液体温度 , 第三行显示 5位的瞬时流量 。此外 , 显示模块还用于键盘设置时的各项提示 。键盘采用 4按键 , 直接与单片机的 P3口连接 , 并采用查询方式 。当查询到有键按下时 , 执行相应功能 。键盘设置主要用于各个流量段的流量系数 、脉冲输出当量和流量量程的设置与查看 。

2、软件设计：
  系统采用 Keilu Vsioni 3作为测量系统软件的开发平台 , 并采用 C语言编程 。单片机上电后 , 先执行初始化 , 加载 HART协议并开中断 , 等待上位机 HART帧到达 , 读取铁电存储器的数据 , 如果有按键 , 则执行键盘操作 ;如果没有按键 , 则定时刷新总累积流量 、瞬时流量 、单次累计流量和温度的显示 。定时查询流量值 、脉冲输出和 HART串口通信都由中断触发 , 脉冲输出由 PCA定时器工作在软件定时方式下实现 。
  中断程序在整个系统的软件设计中较为关键 , 在设计中应注意 2个问题 :① 计算各流量参数和配置脉冲输出是在定时器 T3中断内完成的 , T3中断内的程序应尽量简洁 ;② PCA定时器的中断要设置为高优先级 。
  HART通信协议采用问答式 , 即上位机 (主机 )向下位机 (从机 )发出命令 、下位机回答的方式 。主机消息到来时 , 下位机响应串口中断并接收和发送数据[ 8]。主循环程序还包括检测温度与压力 、LCD显示 、4 ～20 m A电流输出 、累计流量写铁电等子程序模块 。 系统主函数流程如图 4所示 , 脉冲采集及其输出流程如图 5所示 。

图4主函数流程图

图5脉冲采集与输出流程图
3、检定结果：
  根据涡轮流量传感器的工作特性曲线 , 采用分段补偿修正仪表系数的方法 , 用累计流量计算示值误差 ,在基于标准法柴油标准装置上进行了检定测试 。以LW-82为例 , 检定实验结果如表 1所示 。

表 1　实验结果
  测试结果表明 , 累积流量基本误差限为 ±0.2%,重复性小于 0.06%, 对脉冲测量与脉冲输出都具有较高的精度和可靠性 。 此外 , 系统采用上位机软件与流量计 HART通信来修改仪表系数和***大量程等 , 证明了 HART通信的正常可靠性 。

4、结束语：
  本文设计的涡轮流量计可地测量各种液体的流量 、温度和压力 , 也能保证高精度的脉冲输出 , 特别是采用 C8051F020完成整套测量系统的设计 , 使外围所要添加的器件更少 , 整个系统结构更加简洁可靠 , 也更方便了软件的升级与更新 。 HART模块能将结果通过 HART总线与上位机构成主从分布式网络 ;同时 , 流量计的表头均选用低功耗的外围扩展元器件 , ***大限度地降低了整机功耗 。柴油标准装置上的测试结果验证了该流量计的性和可靠性 。