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一種新型液體渦輪流量計的數字化設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、重復性好、測量范圍廣、結構緊湊等優點。然而，工業環境相對惡劣，干擾嚴重。此外，目前國內大量智能流量計采用傳統的C51系列單片機。電路設計中需要擴展大量功能芯片，降低了抗干擾能力，影響了測量精度。

采用C8051F020單片機設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協議是一種開放的通信協議，它在現有的模擬信號傳輸線上實現數字信號通信，并能處理遠程傳感器的高速信道。它已經在許多智能儀器中得到應用。

為滿足用戶需求，系統增加了HART模塊，并設計了人機交互界面，用于現場顯示、儀表系數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控。

硬件設計

流量計由總線供電，即流量計表頭的工作電流應從4 ~ 20mA總線截取，流量計表頭的工作電流應小于4mA，否則儀表的零輸出不能調整。功耗是流量計表頭設計的難點之一。

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總線上串聯工作，DC/DC模塊的隔離輸出端分擔部分用電負荷，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定性。此外，表頭選用低功耗核心元件，降低整機功耗。流量計表頭設計的第二個難點是HART通信信號的穩定性和可靠性。

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

因此，中央處理器使用C8051F020。C8051F020系統功耗低，工作電壓范圍為2.7~3.6 V，具有多種節電和關機模式。C8051F020具有與高速流水線8051兼容的CIP-51內核(運行速度可達25 MIPS)。在相同條件下，C8051F020的運行速度比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端口與外圍設備之間的數據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內置一個12位快速模數轉換器，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內存、片內JTAG調試和邊界掃描，使得軟件調試非常方便。

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。系統硬件設計框圖如圖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德工業有限公司自主研發的渦輪流量傳感器，當液體流經傳感器時，傳感器產生脈沖信號。脈沖信號經信號調理電路放大整形后送到單片機的計數器T0端口。

T0被設置為脈沖下降沿計數模式，以對流量脈沖信號進行計數，16位定時器T3用于設置查詢周期。一旦查詢周期到達，系統將響應中斷并讀取T3中斷內的T0計數值，從而計算瞬時流量、單個累積流量和總累積流量。

HART模塊HART協議通信模塊主要由HART調制解調器HT2012、數模轉換器AD421及其外圍電路實現。HARTMODEM采用符合Bell202標準的半雙工調制解調器Smar HT2012，用于對HART協議規定的數字通信進行編碼或解碼。

該芯片是專門為HART儀器設計的。符合Bell202標準的調制器、解調器、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模轉換器，主要由穩壓器、數模轉換器和電流放大器組成。AD421由外部4 ~ 20ma環路主電源供電，為其他器件提供3.0V電源電壓。AD421通過串行接口接收現場儀表中單片機傳輸的數字信號，并將其轉換為4 ~ 20 ma電流。HT2012從VIN節點接收疊加在4 ~ 20mA環路上的信號，經過帶通濾波和放大后進行載波檢測。

如果檢測到FSK FSK頻移鍵控信號，IRXA節點上的1.2千赫信號被解調為“1”，IRXA節點上的2.2千赫信號被解調為“0”，該信號通過串行端口通信RXD0節點傳輸到C8051F020。C8051F020接收命令幀并進行相應的數據處理；C8051F020生成一個響應幀，然后發送回去。響應幀的數字信號由HT2012調制成相應的1.2千赫和2.2千赫的FSK頻移鍵控信號，即從節點TXD0到節點OTXA的調制過程。在傳輸信號整形電路進行波形整形后，信號通過AD421疊加在節點X0的環路上進行傳輸。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調制和解調的時鐘信號源。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壓電路組成。脈沖輸出通過控制1.4端口的高低電平反轉來實現。考慮到儀表的安全性，流量計的脈沖輸出模塊都需要隔離保護。該系統采用低功耗高速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，穩壓器Z1用于穩定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P1.4和P_OUT處于高電平時，Q1導通，Q2截止，節點脈沖輸出處于高電平。當P1.4和P_OUT為低電平時，Q1關閉，Q2開啟，節點脈沖輸出為低電平。

累積流量存儲為了存儲累積流量、每個流量段的流量系數、脈沖輸出等效系數、流量范圍等重要數據，系統擴展了鐵電存儲器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置期間的各種提示。鍵盤采用4個按鍵，直接連接到單片機的P3端口，采用查詢方式。當按鍵被按下時，相應的功能被執行。鍵盤設置主要用于設置和查看每個流段的流量系數、脈沖輸出當量和流量范圍。

軟件設計

該測量系統的軟件開發平臺采用KeiluVision3，編程采用C語言。單片機上電后，首先執行初始化，加載并中斷HART協議，等待上位機的HART幀到達，讀取鐵電存儲器的數據，按鍵執行鍵盤操作；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，脈沖輸出由工作在軟件定時模式的PCA定時器實現。中斷程序是整個系統軟件設計的關鍵。設計中應注意兩個問題:①各流量參數和組態脈沖輸出的計算在定時器T3中斷內完成，T3中斷內的程序應盡可能簡潔；②主成分分析定時器的中斷應設置為高優先級。

HART通信協議采用問答方式，即上位機(主機)向下位機(從機)發送命令，下位機應答。當主機消息到達時，下層計算機響應串行端口中斷，接收和發送數據。主循環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。

測試結果表明，累計流量的基本誤差限為0.2%，重復性小于0.06%。脈沖測量和脈沖輸出精度高，可靠性好。另外，系統利用上位機軟件與流量計HART通信，修改儀表系數和較大量程，證明了HART通信的正常可靠性。

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