用于流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的具有多通道脈沖計(jì)數(shù)功能的計(jì)時(shí)器設(shè)計(jì)

王新

（中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012）

液體流量計(jì)的計(jì)量性能常用靜態(tài)容積法/靜態(tài)質(zhì)量法或標(biāo)準(zhǔn)表法進(jìn)行檢定。靜態(tài)容積法/靜態(tài)質(zhì)量法的檢定方法為：計(jì)量一段時(shí)間內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)容器或標(biāo)準(zhǔn)衡器的液體體積或質(zhì)量，通過(guò)計(jì)算得出該段時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)裝置的平均體積流量或質(zhì)量流量，同時(shí)記錄該段時(shí)間被檢表的脈沖計(jì)數(shù)（脈沖頻率與被檢表瞬時(shí)流量成比例關(guān)系或脈沖數(shù)值代表一定的累計(jì)流量），通過(guò)計(jì)算得出被檢表的平均體積流量或質(zhì)量流量，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)值和被檢值之間的誤差，從而判定被檢表是否合格。標(biāo)準(zhǔn)表法檢定方法為：計(jì)量一段時(shí)間內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)表（標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)）和被檢表的脈沖計(jì)數(shù)，通過(guò)計(jì)算得出標(biāo)準(zhǔn)流量值和被檢流量值，計(jì)算兩者之間誤差來(lái)判定被檢表是否合格。氣體流量計(jì)的計(jì)量性能常用臨界流文丘里噴嘴法進(jìn)行檢定，檢定方法為：通過(guò)控制音速噴嘴的開閉調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)流量，計(jì)量一段時(shí)間內(nèi)被檢表的脈沖計(jì)數(shù)，計(jì)算得出被檢表的平均流量，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)流量和被檢表流量之間的誤差，判定被檢表是否合格。企業(yè)在建造流量檢定裝置時(shí)，常采用多臺(tái)被檢表同時(shí)檢定的方法來(lái)提高檢定效率。裝置在建造時(shí)，計(jì)時(shí)器為單一設(shè)備，脈沖則通過(guò)可編程邏輯控制器（PLC）或脈沖計(jì)數(shù)器進(jìn)行采集，設(shè)備啟停不同步存在一定時(shí)間差，可能會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差，脈沖計(jì)數(shù)設(shè)備的抗干擾能力也決定脈沖計(jì)數(shù)的準(zhǔn)確性，同時(shí)設(shè)備眾多，也增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和建造成本。為了解決這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種具有10 通道脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)功能的計(jì)時(shí)器，可自動(dòng)計(jì)算每通道的平均流量及與標(biāo)準(zhǔn)流量的相對(duì)示值誤差，具有RS485 通信功能，在非檢定狀態(tài)下可顯示每通道脈沖頻率和流量值。

1 方案設(shè)計(jì)

根據(jù)JJG164-2000《液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置檢定規(guī)程》、JJG643-2003《標(biāo)準(zhǔn)表法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置檢定規(guī)程》和JJF1240-2010《臨界流文丘里噴嘴法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置校準(zhǔn)規(guī)范》的規(guī)定，計(jì)時(shí)器應(yīng)有晶振信號(hào)輸出口，晶振8h 穩(wěn)定度一般不低于裝置不確定度的1/10（JJF1240-2010 校準(zhǔn)規(guī)范要求優(yōu)于1×10-5），計(jì)時(shí)器的分辨力需不大于0.001s。流量計(jì)的脈沖輸出信號(hào)分為有源輸出和無(wú)源輸出兩種類型，為了增加計(jì)時(shí)器的適用性，計(jì)時(shí)器設(shè)計(jì)24V 直流電源輸出功能，方便給無(wú)源脈沖信號(hào)及啟?？刂齐娐饭╇?，同時(shí)考慮各儀表輸出信號(hào)之間可能引起串?dāng)_，各通道采用隔離方式與其他通道分開。計(jì)時(shí)器設(shè)計(jì)LCD 液晶顯示功能及按鍵功能，方便計(jì)時(shí)器設(shè)參。計(jì)時(shí)器的啟動(dòng)、停止、清零可通過(guò)按鍵、RS485 或控制信號(hào)三種方式進(jìn)行觸發(fā)。其基本功能框圖如圖1 所示。

圖1 基本功能框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)選用德州儀器公司的MSP430F5438A 單片機(jī)作為主處理器，采用最高25MHz 系統(tǒng)時(shí)鐘，具有兩組共16個(gè)中斷能力的IO 端口，3個(gè)定時(shí)器共15個(gè)捕獲/比較端口，具有4個(gè)通用串行通信接口（USCI），具有1個(gè)32位硬件乘法器，能夠滿足高精度計(jì)時(shí)、10 通道脈沖信號(hào)采集、啟動(dòng)/停止/清零信號(hào)的控制輸入、RS485 通信和按鍵等功能的要求。為了保證時(shí)間測(cè)量的穩(wěn)定性，選擇型號(hào)為TCXO25.000000MHz 帶溫度補(bǔ)償功能的有源晶體振蕩器作為主處理器的系統(tǒng)時(shí)鐘源，晶振采用3.3V 供電，-40 ～85℃溫度范圍內(nèi)的頻率溫度特性≤±1.5PPM，10年老化率≤5PPM，頻率穩(wěn)定性≤±0.2PPM（3.3V±5%，25℃）。該晶振滿足晶振8h 穩(wěn)定度一般不低于裝置不確定度的1/10（優(yōu)于1×10-5）的要求。顯示屏選擇JLX256128G 液晶模塊，能夠同屏顯示檢定時(shí)間及10 通道脈沖計(jì)數(shù)值，方便查看。

硬件電路的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于檢定啟動(dòng)、停止控制信號(hào)以及流量計(jì)輸出的脈沖信號(hào)的噪聲抑制來(lái)保證脈沖信號(hào)的準(zhǔn)確性。本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，啟動(dòng)、停止控制信號(hào)也是脈沖信號(hào)，其噪聲抑制方法與流量計(jì)輸出的脈沖信號(hào)噪聲抑制方法基本相同，只是按鈕按下時(shí)產(chǎn)生的抖動(dòng)較大，濾波電容的選擇略有不同。電路原理如圖2 所示。

圖2 脈沖信號(hào)輸入電路原理圖

脈沖輸入信號(hào)通過(guò)F1 自恢復(fù)保險(xiǎn)，經(jīng)C1、C2 低通濾波電路濾除高頻噪聲，D1 為瞬態(tài)抑制二極管，能有效濾除信號(hào)中的尖峰脈沖，由R1、R2 電阻、Q1、Q2 三極管和D3 齊納二極管組成限流電路，使流入U(xiǎn)1 雙通道高速光耦的電流限定在7mA，同時(shí)能夠承受3.5 ～24V 的脈沖電壓，可有效抑制脈沖信號(hào)的電流波動(dòng)。D2 為低壓降二極管，防止回流。U1 具有2500V 電壓隔離能力，將輸入信號(hào)和后級(jí)電路有效隔離。U1 輸出信號(hào)經(jīng)上拉電阻R3 和低通濾波電容C4 進(jìn)入U(xiǎn)2 施密特觸發(fā)反相器，將信號(hào)轉(zhuǎn)換成清晰、無(wú)抖動(dòng)的輸出信號(hào)，同時(shí)使最終信號(hào)和初始輸入信號(hào)的相位保持一致。C3、C5 為電源濾波電容，保證U1、U2 集成電路工作的穩(wěn)定性。U3 為雙通道常開型光耦繼電器，由主處理的信號(hào)控制光耦通斷，可以給無(wú)源脈沖信號(hào)提供24V 電源來(lái)供電，R4 為上拉電阻，起到限流作用。當(dāng)采用24V 供電時(shí)，脈沖信號(hào)采用單獨(dú)地回路，避免與其他回路產(chǎn)生共地干擾。

3 軟件設(shè)計(jì)

計(jì)時(shí)器的啟動(dòng)、停止、清零信號(hào)及對(duì)應(yīng)按鍵采用中斷方式觸發(fā)，脈沖計(jì)數(shù)通過(guò)主處理器定時(shí)器的中斷捕獲模式實(shí)現(xiàn)。軟件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于如何快速響應(yīng)控制信號(hào)的啟動(dòng)、停止操作，并且無(wú)誤差的記錄脈沖計(jì)數(shù)，保證不丟數(shù)。該設(shè)計(jì)中，設(shè)定一個(gè)代表啟動(dòng)、停止和清零的狀態(tài)變量，在控制信號(hào)和按鍵的中斷程序中，通過(guò)改變這個(gè)狀態(tài)變量值或通過(guò)RS485 命令直接改變?cè)摖顟B(tài)變量值，來(lái)表示計(jì)時(shí)器當(dāng)前狀態(tài)，定時(shí)器捕獲到脈沖信號(hào)，根據(jù)狀態(tài)變量值來(lái)決定是否增加脈沖計(jì)數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)器的快速響應(yīng)。計(jì)時(shí)器的分辨力為0.00001s，采用25MHz 時(shí)鐘，為250個(gè)時(shí)鐘周期，每通道脈沖計(jì)數(shù)的處理周期為16個(gè)時(shí)鐘周期，能夠保證計(jì)時(shí)的同時(shí)，10 通道脈沖計(jì)數(shù)不丟數(shù)。其基本邏輯為，在復(fù)位狀態(tài)下，接收到啟動(dòng)信號(hào)或啟動(dòng)按鍵按下或接收到RS485 啟動(dòng)命令，改變狀態(tài)變量為運(yùn)行狀態(tài)，開始計(jì)時(shí)和脈沖計(jì)數(shù)，接收到停止信號(hào)或停止按鍵按下或接收到RS485 停止命令，改變狀態(tài)變量為停止?fàn)顟B(tài)，停止計(jì)時(shí)和脈沖計(jì)數(shù)，計(jì)算平均流量和相對(duì)示值誤差，接收到清零信號(hào)或清零按鍵按下或接收到RS485 清零命令，清除計(jì)時(shí)和脈沖計(jì)數(shù)值，改變狀態(tài)變量為復(fù)位狀態(tài)，等待下一次啟動(dòng)。在程序運(yùn)行過(guò)程中，設(shè)置保護(hù)機(jī)制保證邏輯的正確性，如在啟動(dòng)狀態(tài)下只接受停止信號(hào)，在停止?fàn)顟B(tài)下只接受清零信號(hào)，在清零信號(hào)后計(jì)時(shí)器進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)只接受啟動(dòng)信號(hào)。其程序流程如圖3 所示。

圖3 程序流程圖

計(jì)時(shí)器RS485 通信采用MODBUS-RTU 協(xié)議，通信速率支持1200 ～115200bps，支持03、06 和16 功能碼，03功能碼可以讀取檢定時(shí)間、脈沖計(jì)數(shù)值和儀表參數(shù)等信息，06 功能碼可以控制計(jì)時(shí)器的啟動(dòng)、停止、清零操作和設(shè)置計(jì)時(shí)器單寄存器參數(shù)，16 功能碼可以設(shè)置計(jì)時(shí)器多寄存器參數(shù)。通過(guò)RS485 通信，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)時(shí)器的完全操作。

4 試驗(yàn)效果

在流量檢定實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，被檢流量計(jì)頻率輸出端子與計(jì)時(shí)器脈沖輸入端子之間連接50m 信號(hào)線，信號(hào)線與其他信號(hào)線、控制線及動(dòng)力電纜布置在線纜槽內(nèi)，由于受到噪聲、電磁干擾及信號(hào)線分布電容、分布電感的影響，計(jì)時(shí)器輸入端的信號(hào)受到一定的干擾，波形如圖4 所示，經(jīng)計(jì)時(shí)器電路濾波、整型后進(jìn)入主處理器的波形如圖5所示。圖中可以看出處理后的波形更加平直，濾除了高頻噪聲，跳變沿陡峭，波形穩(wěn)定性得到提升。

圖4 脈沖輸入波形

圖5 處理后脈沖波形

采用串口調(diào)試軟件周期發(fā)送啟動(dòng)、停止、清零命令，測(cè)試計(jì)時(shí)器啟停時(shí)間，能夠得出計(jì)時(shí)器的響應(yīng)時(shí)間，數(shù)據(jù)收發(fā)如圖6 所示，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1 所示。由測(cè)試數(shù)據(jù)可以得出計(jì)時(shí)器的響應(yīng)時(shí)間≤0.03s。

表1 RS485 命令控制啟、停時(shí)間測(cè)試（單位：s）

圖6 RS485 通信測(cè)試

采用信號(hào)發(fā)生器輸出1200Hz、占空比50%的標(biāo)準(zhǔn)方波，并聯(lián)至計(jì)數(shù)器的4 條通道，計(jì)時(shí)器進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，測(cè)試脈沖計(jì)數(shù)的準(zhǔn)確性。測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，4 條通道計(jì)數(shù)相同，經(jīng)計(jì)算頻率為1200.0009Hz，與信號(hào)發(fā)生器一致。

5 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一種具有10 通道脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)功能的計(jì)時(shí)器，具有晶振信號(hào)輸出端口，晶振8h 穩(wěn)定度達(dá)到1×10-6，計(jì)時(shí)分辨力0.00001s，滿足0.2 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)表法液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的要求，已在唐山大方匯中儀表有限公司液體流量檢定實(shí)驗(yàn)室成功應(yīng)用，可同時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)室DN250mm 管道上的4 臺(tái)外夾式超聲波流量計(jì)和2 臺(tái)插入式超聲波流量計(jì)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)表法液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行檢定。

圖7 計(jì)時(shí)及脈沖計(jì)數(shù)測(cè)試