基于C8051F020與HART 的液體渦輪流量計設(shè)計

賀中華，魏文雄，謝云山，劉一兵，馮 馳

(1.重慶工業(yè)自動化儀表研究所，重慶 401121;2.重慶耐德工業(yè)股份有限公司，重慶 401121)

0 引言

渦輪流量計精度高、重復性好、測量范圍廣、結(jié)構(gòu)緊湊，但工業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境比較惡劣，干擾嚴重，并且存在斷電的危險，而國內(nèi)現(xiàn)有的大量智能流量計的控制電路采用的是傳統(tǒng)的C51系列單片機，由于傳統(tǒng)C51單片機本身的局限，導致電路設(shè)計上需要擴充大量的功能芯片，使抗干擾能力下降，影響了測量精度;另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)C51單片機本身工作時的電流高達10～20 mA/每秒百萬條指令，需要外接電源供電，不適合工作在一些對可靠性要求比較高的場合，再加上計算能力有限，導致現(xiàn)場總線通信時可靠性差［1－3］。而國外現(xiàn)有的智能流量計精度與可靠性高，可價格非常昂貴。因此，為滿足國內(nèi)市場對高精度與高可靠性、低價格渦輪流量計的需求，利用C8051F020設(shè)計了的一種新型液體渦輪流量計，硬件上主要由核心控制器件C8051F020、測量模塊、HART通信模塊、脈沖輸出模塊、鐵電存儲模塊、顯示與鍵盤處理模塊構(gòu)成，軟件上主要有主函數(shù)、脈沖測量與輸出的流程圖，并在柴油標準裝置上對該設(shè)計進行了檢定驗證。

1 硬件設(shè)計

采用總線供電，即流量計儀表表頭的工作電流要從4～20 mA的總線上截取;儀表表頭的工作電流必須小于4 mA，否則儀表的零點輸出就無法調(diào)整。流量計儀表表頭的設(shè)計難點之一在于功耗問題，解決這一問題的方法是表頭用2個隔離電源供電，2個電源在4～20 mA的總線上串聯(lián)工作，把1個4 mA變成2個4 mA，這樣既解決了功耗問題，也提高了流量計的工作穩(wěn)定性。難點之二是流量計儀表表頭HART通訊信號的穩(wěn)定性和可靠性問題。要解決這一問題，首先，在功耗允許的情況下提高MCU的運行速度，有效利用MCU的資源提高軟件的運行效率。因此，MCU選用C8051F020，它具有高速流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP－51內(nèi)核，在同等條件下，C8051F020的運行速度比C51的運行速度快20倍;而且，C8051F020有可同時使用的SMBus(I2CTM兼容)、SPITM及2個 UART串口，這樣，C8051F020的串行外設(shè)接口SPI(serial peripheral interface，SPI)與外設(shè)交換數(shù)據(jù)能大大減少軟件開銷，提高了 MCU的工作效率［4］。其次是，采用 HART成熟的通訊濾波電路，它的穩(wěn)定性、可靠性和抗干擾能力能得到保證。這種解決難點的思路對同類儀表的設(shè)計具有指導意義。C8051F020還內(nèi)含可編程增益、可編程轉(zhuǎn)換速率的12位快速 A/D，還有64 KByte Flash存儲器，4 352(4 K+256)Byte RAM，可編程的16位計數(shù)器/定時器陣列，有5個捕捉/比較模塊，片內(nèi)JTAG調(diào)試和邊界掃描，片內(nèi)資源豐富。C8051F020的工作電壓范圍為2.7～3.6 V，多種節(jié)電和停機模式，系統(tǒng)功耗低。

渦輪流量計表頭主要包括核心控制器件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、顯示與鍵盤處理模塊，硬件總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖Fig.1 General hardware of system

1.1 流量脈沖信號采集

液體流過重慶耐德工業(yè)股份有限公司自制的渦輪流量傳感器產(chǎn)生脈沖信號，經(jīng)過信號調(diào)理電路的放大整形后，送到 MCU的高優(yōu)先級計數(shù)器 T0口［5］。T0設(shè)置為脈沖下降沿計數(shù)方式，對流量脈沖信號計數(shù)。用16位定時器T3設(shè)定查詢周期，查詢周期到就響應中斷，在T3中斷內(nèi)取出T0的計數(shù)值，從而計算出瞬時流量、單次累計流量和總累計流量。

1.2 HART模塊

HART協(xié)議通信模塊主要由HART調(diào)制解調(diào)器HT2012和D/A轉(zhuǎn)換器AD421及其外圍電路實現(xiàn)。HARTMODEM采用 Smar公司的 HT2012，是符合Bell202標準的半雙工調(diào)制解調(diào)器，實現(xiàn)HART協(xié)議規(guī)定的數(shù)字通信的編碼或譯碼。該芯片專為HART儀器設(shè)計，片內(nèi)集成了符合Bell202標準的調(diào)制器、解調(diào)器、時鐘及定時電路、檢測控制電路，性價比較高［6］。其中AD421通過串行接口接收現(xiàn)場儀表內(nèi)部MCU傳送的數(shù)字信號，轉(zhuǎn)換成4～20 mA電流輸出，輸出主要的測量結(jié)果［7］。HT2012 則從 VIN－節(jié)點接收疊加在4～20 mA環(huán)路上的信號，對其帶通濾波和放大之后進行載波檢測，如果檢測到FSK頻移鍵控信號，則將IRXA節(jié)點上的1.2 kHz的信號解調(diào)為‘1’，將IRXA節(jié)點上的2.2 kHz信號解調(diào)為‘0’，并通過串口通信 RXD0節(jié)點傳輸給C8051F020，C8051F020接收命令幀并作相應的數(shù)據(jù)處理。之后，C8051F020產(chǎn)生要發(fā)回的應答幀，應答幀的數(shù)字信號由HT2012調(diào)制成相應的1.2 kHz和2.2 kHz的頻移鍵控(FSK)信號，即節(jié)點TXD0到節(jié)點OTXA的調(diào)制過程，并經(jīng)過發(fā)送信號整形電路進行波形整形后，經(jīng) AD421疊加在環(huán)路上發(fā)送。C8051F020外接1.843 2 MHz晶振，4分頻后作為HART調(diào)制解調(diào)的時鐘信號源，電路圖如圖2所示。

圖2 HT2012電路、濾波電路與整形電路圖Fig.2 HT2012 circuit，filter circuit and shaping circuit

1.3 脈沖輸出模塊

脈沖輸出模塊主要由高速光耦隔離器、穩(wěn)壓電路構(gòu)成。脈沖輸出是采用控制P1.4口的高低電平翻轉(zhuǎn)來實現(xiàn)的?？紤]到儀表安全性，流量計的脈沖輸出模塊均需要隔離保護。選用功耗低的高速CMOS信號隔離器，一端由AD421的輸出電壓VCC 3 V供電，另一端由用戶供電。用戶通常提供DC 12 V或DC 24 V電源，所以采用穩(wěn)壓管Z1穩(wěn)壓5 V給光耦另一端供電，如圖3所示，其中VW+，VW－為用戶提供的外接DC 12 V或DC 24 V電源輸入端，Q1，Q2為三極管。脈沖輸出時，當P1.4為高電平，POUT為高電平，Q1導通，Q2截止，節(jié)點PLUSEO輸出高電平;當P1.4為低電平，POUT為低電平，Q1截止，Q2導通，節(jié)點PLUSEO輸出低電平。

圖3 脈沖輸出電路圖Fig.3 Circuit of pulse output

1.4 累計流量存儲

為了存儲累計流量、各個流量段的流量系數(shù)、脈沖輸出當量系數(shù)和流量量程等重要數(shù)據(jù)，外擴了一個鐵電存儲器FM24CL16。FM24CL16的工作方式是I2C總線，與C8051F020硬件上SMBus是兼容的。

1.5 顯示與鍵盤處理模塊

顯示采用長沙太陽人有限公司的SMS2807液晶，第1行顯示10位數(shù)的總累積流量，第2行顯示6位數(shù)的單次累積流量與3位數(shù)的液體溫度，第3行顯示5位數(shù)的瞬時流量。顯示模塊還用于在鍵盤設(shè)置時的各項提示。鍵盤采用4按鍵直接與單片機的P3口連接，采用查詢方式。當查詢到有鍵按下，則執(zhí)行相應功能。鍵盤設(shè)置主要用于各個流量段的流量系數(shù)、脈沖輸出當量、流量量程的設(shè)置與查看。

2 軟件設(shè)計

采用Keil uVision3作為測量系統(tǒng)軟件的開發(fā)平臺，采用C語言編程。單片機上電后，先執(zhí)行初始化，加載HART協(xié)議并開中斷，等待上位機HART幀到達，讀取鐵電存儲器的數(shù)據(jù)，如果有按鍵，則執(zhí)行鍵盤操作;如果沒有按鍵，則定時刷新總累積流量、瞬時流量、單次累計流量、溫度的顯示。定時查詢流量值、脈沖輸出和HART串口通信都由中斷觸發(fā)。脈沖輸出時I/O口電平的翻轉(zhuǎn)與延遲由PCA定時器來軟件定時實現(xiàn)。中斷程序在整個系統(tǒng)的軟件設(shè)計中較為關(guān)鍵，在設(shè)計中應注意2個問題:1)定時器T3中斷內(nèi)提取計數(shù)器T0的流量脈沖信號的計數(shù)值，計算各流量參數(shù)并配置脈沖輸出，在程序編寫時應盡量簡潔;2)PCA定時器的中斷要設(shè)置為高優(yōu)先級。

HART通信協(xié)議采用問答式，即上位機(主機)向下位機發(fā)出命令，下位機(從機)回答。主機消息到來時，通過觸發(fā)串口中斷來接收和發(fā)送數(shù)據(jù)［8］。主循環(huán)程序還包括檢測溫度并送LCD顯示的子程序模塊，4～20 mA電流輸出子程序模塊，累計流量寫鐵電子程序模塊等。系統(tǒng)主函數(shù)流程圖如圖4所示，脈沖采集、脈沖輸出流程圖如圖5所示。

圖4 主函數(shù)流程圖Fig.4 Flow chart ofmain function

3 檢定結(jié)果

根據(jù)渦輪流量傳感器的工作特性曲線，將流量測量范圍0～160 m3/h平均分為5段，每一段選取一個檢定點，每個檢定點測試3次，分段修正儀表系數(shù)，用累計流量計算示值誤差，在耐德流量實驗室的基于標準法柴油標準裝置上進行了檢定測試。由于檢定裝置的誤差不超出被檢流量計的基本誤差限的1/3就可忽略不計，故流量計基本誤差近似等于流量計示值誤差［9］。使用累積流量計算示值誤差(基本誤差)的方法為

(1)式中:Eij為第i個檢定點第j次檢定被檢流量計的示值誤差百分數(shù);Vij為第i個檢定點第j次檢定時流量計顯示的累計流量值，單位為m3或L;(Vs)ij為第i個檢定點第j次檢定時標準裝置測得的累計流量值，單位為m3或L。

重復性誤差是根據(jù)基本誤差的測定結(jié)果，依(2)－(3)式按檢定點分別進行計算［9］

(2)－(3)式中:Ei為第i個檢定點n次檢定的平均誤差;Eimax為第i個檢定點n次檢定基本誤差中的最大值;Eimin為第i個檢定點n次檢定基本誤差中的最小值;(Er)i為第i檢定點累積流量重復性誤差;dn為極差法系數(shù)，n=3時按檢定規(guī)則取為1.69。

圖5 脈沖采集與脈沖輸出流程圖Fig.5 Flow chart of pulse acquisition and pulse output

以LW－81為例，檢定實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 實驗結(jié)果Tab.1 Experimental result

測試結(jié)果表明，累積流量基本誤差限小于0.2%，重復性小于0.06%，重復性與基本誤差滿足0.2級的較高精度要求，證明對脈沖測量與脈沖輸出都具有較高的精度和可靠性。此外，還采用上位機軟件與流量計HART通信來修改儀表系數(shù)，證明了HART通信的正?？煽俊?/p>

4 結(jié)束語

本文給出了一種基于 C8051F020單片機與HART總線的渦輪流量計的設(shè)計，硬件上采用C8051F020作為核心控制器件，采用高優(yōu)先級的計數(shù)器來采集脈沖，采用IO口電平翻轉(zhuǎn)來輸出脈沖，采用HT2012及附屬電路來實現(xiàn)HART通信;軟件上采用定時查詢計數(shù)器來刷新各流量參數(shù)，HART通信采用問答式，脈沖輸出采用對可編程定時器陣列的控制來實現(xiàn)。最后，在柴油標準裝置上進行了檢定驗證。結(jié)果表明，該流量計采用C8051F020為核心控制器件，使整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡潔可靠，大大提高了液體流量測量與脈沖輸出的精度和可靠性;同時，HART通信正?？煽?，便與上位機構(gòu)成主從分布式網(wǎng)絡(luò)。

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(編輯:王敏琦)