CAN总线型智能涡轮流量计原理模块设计
摘要:针对涡轮流量计的工作要求和CAN现场总线的应用状况,介绍了以STC89C52RD单片机为核心,采用涡轮流量计、压力和温度传感器及CAN总线控制器等构成的CAN总线型智能涡轮流量计的软硬件设计。这种CAN总线型智能涡轮流量计能通过温压补偿实现对气体流量的准确测量与现场显示,可方便地与CAN总线网络进行挂接,实现基于CAN总线的远程监测。
1、智能流量计硬件设计：
系统硬件可分为流量信号采集、压力信号采集、温度信号采集、CAN通信接口、键盘与显示等5大模块,见图1。硬件电路以单片机STC89C52RD为核心进行外部接口扩展设计。由于STC89C52RD为增强型51系列单片机,内部集成EEPROM、看门狗和电源监控复位电路等功能模块,特别适合于工控领域应用[1]。
图1 流量计硬件组成框图
1.1、流量信号采集模块：
智能流量计采用涡轮流量计作为传感检测装置,测量的为体积流量,输出为与流速成正比的脉冲信号。此信号比较微弱,要与单片机进行接口实现流量信号的采集,必须要进行信号的处理与转换。图2为流量信号检测电路。涡轮流量计输出的微弱电压信号先进行低通滤波,去除干扰,再进行适当的放大,***后通过比较电路转换成具有正负极性的方波信号送入单片机的P3.5(T1)端,实现频率计数,采集到流量信号。
为了获取准确的质量流量,必须要在体积流量基础上,实时进行气体密度的测量,而要得到它就要对压力与温度进行实时测量,然后通过单片机计算处理得出气体密度,实现温压补偿功能。
图2 流量检测电路原理图
1.2、压力信号采集模块：
系统中压力信号的检测选用压阻式半导体压力传感器,其接口为两输入端口和两输出端口,输出信号为与压力成比例的微小电压。图3为压力信号处理电路原理图,恒流源LM334为压力传感器提供恒定的电流。AD620为差动式仪表放大器,具有高差模增益、高共模抑制比及低输出漂移等特性,特别适合对压力传感器微小信号的放大处理,只需外部的电位器VR1就可实现增益的调节。
图3 压力信号处理电路原理图
经过处理的信号必须进行A/D转换才能送入单片机。图4为信号的采集接口电路,12位的A/D转换器AD1674在单片机控制下,通过模拟开关的配合实现压力和温度信号的采集[2]。
图4 信号的采集接口电路原理图
1.3、温度信号采集模块：
温度的测量采用Pt100铂电阻温度传感器,其信号检测电路如图5所示,Pt100两端的电压值是温度的函数。LM334对Pt100和电位器VR2提供恒定电流,LM258实现Pt100两端的电压取样与放大,输出的电压送入仪表放大器AD620进行差动放大,电位器VR3实现增益的调节,输出信号送入信号采集接口电路实现A/D转换。
图5 温度信号检测电路原理图
1.4、CAN通信接口模块：
CAN通信接口硬件电路如图6所示。CAN通信接口模块使用CAN总线控制器SJA1000和驱动器PCA82C250[3]。
图6 CAN总线接口电路原理图
为了保证SJA1000与STC89C52RD之间时钟同步,SJA1000的可编程CLKOUT时钟输出信号作为单片机的时钟输入。单片机通过控制SJA1000实现数据的接收和发送等通信任务。高速光电耦合器6N137为CAN控制器与82C250之间建立光电隔离,以实现总线上各节点间的电气隔离。82C250的CANH和CANL引脚各通过1个5Ψ电阻与CAN总线相连,电阻可起到一定限流作用,保护82C250免受过流冲击。CANH和CANL与地之间并联了2个30pF的小电容,起到滤除总线上的高频干扰和一定的防电磁辐射的能力。在2根CAN总线输入与地之间分别接了一个防雷击管,当两输入端与地之间出现瞬变干扰时,通过防雷击管的放电可起到一定的保护作用[4]。
1.5、现场人机交互模块：
现场人机交互模块包括键盘输入与LCD显示部分接口设计。键盘输入模块主要用于仪表和CAN总线节点地址等系统参数的设置;LCD显示模块主要用于现场各种测量数据的显示。
2、智能流量计软件设计：
智能流量计软件设计采用了事件驱动和模块化的编程思想,通过主程序对几个关键标志位进行不断查询,根据具体情况调用相应的子程序,实现数据的采集、计算与通信的功能。
主要的子程序为:初始化子程序用于对系统I/O口、定时/计数器、SJA1000及液晶显示等的初始化工作;定时器T0中断服务子程序用于对流量检测信号进行频率计数采集;A/D转换子程序用于对AD1674的控制实现压力与温度信号采集;计算子程序根据采集到的流量、压力与温度信号实现质量流量的实时计算功能;外部中断0服务子程序用于中断接收CAN网络数据;数据传送子程序实现流量等数据的CAN网络上传。
3、结束语：
以STC89C52RD单片机为核心,用涡轮流量计、压力和温度传感器、CAN总线控制器等设计了CAN总线型智能涡轮流量计。该流量计不仅能通过温压补偿实现对现场气体流量的准确计量与显示,而且能方便地与CAN总线网络进行挂接,实现基于CAN总线的远程监测。这种CAN总线型智能涡轮流量计的开发,适合工业生产测控领域的现状,对CAN现场总线的广泛应用具有推动作用。