摘要：設(shè)計(jì)了一種新型的基于C8051F020與HART總線的液體渦輪流量計(jì)，對(duì)硬件上的測(cè)量模塊、HART模塊、脈沖輸出模塊與軟件上的主函數(shù)、脈沖測(cè)量與輸出的流程圖作了詳細(xì)分析，并在柴油標(biāo)準(zhǔn)裝置上進(jìn)行了檢定。檢定結(jié)果證明，該設(shè)計(jì)是可行的，大大提高了流量脈沖采集與脈沖輸出的精度與可靠性，同時(shí)，HART通信正常、可靠性高。

智能渦輪流量計(jì)精度高、重復(fù)性好、測(cè)量范圍廣、結(jié)構(gòu)緊湊，但工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境比較惡劣，干擾嚴(yán)重，并且存在斷電的危險(xiǎn)，而國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的大量智能流量計(jì)的控制電路采用的是傳統(tǒng)的C51系列單片機(jī)，由于傳統(tǒng)C51單片機(jī)本身的局限，導(dǎo)致電路設(shè)計(jì)上需要擴(kuò)充大量的功能芯片，使抗干擾能力下降，影響了測(cè)量精度；另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)C51單片機(jī)本身工作時(shí)的電流高達(dá)10～20mA/每秒百萬條指令，需要外接電源供電，不適合工作在一些對(duì)可靠性要求比較高的場(chǎng)合， 再加上計(jì)算能力有限，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)總線通信時(shí)可靠性差。而國(guó)外現(xiàn)有的智能流量計(jì)精度與可靠性高，可價(jià)格非常昂貴。因此，為滿足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)對(duì)高精度與高可靠性、低價(jià)格渦輪流量計(jì)的需求，利用C8051F020設(shè)計(jì)了的一種新型液體渦輪流量計(jì)，硬件上主要由核心控制器件C8051F020、測(cè)量模塊、HART通信模塊、脈沖輸出模塊、鐵電存儲(chǔ)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(cè)量與輸出的流程圖，并在柴油標(biāo)準(zhǔn)裝置上對(duì)該設(shè)計(jì)進(jìn)行了檢定驗(yàn)證。

1、硬件設(shè)計(jì)

采用總線供電，即流量計(jì)儀表表頭的工作電流要從4～20mA的總線上截取；儀表表頭的工作電流必須小于4mA，否則儀表的零點(diǎn)輸出就無法調(diào)整。流量計(jì)儀表表頭的設(shè)計(jì)難點(diǎn)之一在于功耗問題，解決這一問題的方法是表頭用2個(gè)隔離電源供電，2個(gè)電源在4～20mA的總線上串聯(lián)工作，把1個(gè)4mA變成2個(gè)4mA，這樣既解決了功耗問題，也提高了流量計(jì)的工作穩(wěn)定性。難點(diǎn)之二是流量計(jì)儀表表頭HART通訊信號(hào)的穩(wěn)定性和可靠性問題。要解決這一問題，*先，在功耗允許的情況下提高M(jìn)CU的運(yùn)行速度，有效利用MCU的資源提高軟件
的運(yùn)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(yùn)行速度比C51的運(yùn)行速度快20倍；而且，C8051F020有可同時(shí)使用的SM-Bus(I2CTM兼容)、SPITM及2個(gè)UART串口，這樣，C8051F020的串行外設(shè)接口SPI(serial peripheral in-terface，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。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(diǎn)的思路對(duì)同類儀表的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)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64KByte Flash存儲(chǔ)器，4352(4K+256)Byte RAM，可編程的16位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列，有5個(gè)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2.7～3.6V，多種節(jié)電和停機(jī)模式，系統(tǒng)功耗低。

渦輪流量計(jì)表頭主要包括核心控制器件C8051F020、流量脈沖信號(hào)采集模塊、HART模塊、脈沖輸出模塊、累計(jì)流量存儲(chǔ)模塊、顯示與鍵盤處理模塊，硬件總體框圖如圖1所示。

1.1流量脈沖信號(hào)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(hào)，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路的放大整形后，送到MCU的高優(yōu)先級(jí)計(jì)數(shù)器T0口。T0設(shè)置為脈沖下降沿計(jì)數(shù)方式，對(duì)流量脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)。用16位定時(shí)器T3設(shè)定查詢周期，查詢周期到就響應(yīng)中斷，在T3中斷內(nèi)取出T0的計(jì)數(shù)值，從而計(jì)算出瞬時(shí)流量、單次累計(jì)流量和總累計(jì)流量。

1.2HART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(shí)現(xiàn)。HART MODEM采用Smar公司的HT2012，是符合Bell202標(biāo)準(zhǔn)的半雙工調(diào)制解調(diào)器，實(shí)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(jì)，片內(nèi)集成了符合Bell202標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)制器、解調(diào)器、時(shí)鐘及定時(shí)電路、檢測(cè)控制電路，性價(jià)比較高。其中AD421通過串行接口接收現(xiàn)場(chǎng)儀表內(nèi)部MCU傳送的數(shù)字信號(hào)，轉(zhuǎn)換成4～20mA電流輸出，輸出主要的測(cè)量結(jié)果。HT2012則從VIN-節(jié)點(diǎn)接收疊加在4～20mA環(huán)路上的信號(hào)，對(duì)其帶通濾波和放大之后進(jìn)行載波檢測(cè)，如果檢測(cè)到FSK頻移鍵控信號(hào)，則將IRXA節(jié)點(diǎn)上的 1.2kHz的信號(hào)解調(diào)為‘1’，將IRXA節(jié)點(diǎn)上的2.2kHz信號(hào)解調(diào)為‘0 ’，并通過串口通信RXD0節(jié)點(diǎn)傳輸給C8051F020，C8051F020接收命令幀并作相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。之后，C8051F020產(chǎn)生要發(fā)回的應(yīng)答幀，應(yīng)答幀的數(shù)字信號(hào)由HT2012調(diào)制成相應(yīng)的1.2kHz和2.2kHz的頻移鍵控(FSK)信號(hào)，即節(jié)點(diǎn)TXD0到節(jié)點(diǎn)OTXA的調(diào)制過程，并經(jīng)過發(fā)送信號(hào)整形電路進(jìn)行波形整形后，經(jīng)AD421疊加在環(huán)路上發(fā)送。C8051F020外接1.8432MHz晶振，4分頻后作為HART調(diào)制解調(diào)的時(shí)鐘信號(hào)源，電路圖如圖2所示。

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(shí)現(xiàn)的。考慮到儀表安全性，流量計(jì)的脈沖輸出模塊均需要隔離保護(hù)。選用功耗低的高速CMOS信號(hào)隔離器，一端由AD421的輸出電壓VCC 3V供電，另一端由用戶供電。用戶通常提供DC 12V或DC 24V電源，所以采用穩(wěn)壓管Z1穩(wěn)壓5V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 12V或DC 24V電源輸入端，Q1，Q2為三*管。脈沖輸出時(shí)，當(dāng)P1.4為高電平，POUT為高電平，Q1導(dǎo)通，Q2截止，節(jié)點(diǎn)PLUSEO輸出高電平；當(dāng)P1.4為低電平，POUT為低電平，Q1截止，Q2導(dǎo)通，節(jié)點(diǎn)PLUSEO輸出低電平。

1.4累計(jì)流量存儲(chǔ)

為了存儲(chǔ)累計(jì)流量、各個(gè)流量段的流量系數(shù)、脈沖輸出當(dāng)量系數(shù)和流量量程等重要數(shù)據(jù)，外擴(kuò)了一個(gè)鐵電存儲(chǔ)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(zhǎng)沙太陽人有限公司的SMS2807液晶，*1行顯示10位數(shù)的總累積流量，*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，*3行顯示5位數(shù)的瞬時(shí)流量。顯示模塊還用于在鍵盤設(shè)置時(shí)的各項(xiàng)提示。鍵盤采用4按鍵直接與單片機(jī)的P3口連接，采用查詢方式。當(dāng)查詢到有鍵按下，則執(zhí)行相應(yīng)功能。鍵盤設(shè)置主要用于各個(gè)流量段的流量系數(shù)、脈沖輸出當(dāng)量、流量量程的設(shè)置與查看。

2、軟件設(shè)計(jì)

采用Keil uVision3作為測(cè)量系統(tǒng)軟件的開發(fā)平臺(tái)，采用C語言編程。單片機(jī)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(jī)HART幀到達(dá)，讀取鐵電存儲(chǔ)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(shí)刷新總累積流量、瞬時(shí)流量、單次累計(jì)流量、溫度的顯示。定時(shí)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(shí)I/O口電平的翻轉(zhuǎn)與延遲由PCA定時(shí)器來軟件定時(shí)實(shí)現(xiàn)。中斷程序在整個(gè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中較為關(guān)鍵，在設(shè)計(jì)中應(yīng)注意2個(gè)問題：

1)定時(shí)器T3中斷內(nèi)提取計(jì)數(shù)器T0的流量脈沖信號(hào)的計(jì)數(shù)值，計(jì)算各流量參數(shù)并配置脈沖輸出，在程序編寫時(shí)應(yīng)盡量簡(jiǎn)潔；

2)PCA定時(shí)器的中斷要設(shè)置為高優(yōu)先級(jí)。

HART通信協(xié)議采用問答式，即上位機(jī)(主機(jī))向下位機(jī)發(fā)出命令，下位機(jī)(從機(jī))回答。主機(jī)消息到來時(shí)，通過觸發(fā)串口中斷來接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。主循環(huán)程序還包括檢測(cè)溫度并送LCD顯示的子程序模塊，4～20mA電流輸出子程序模塊，累計(jì)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。

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(cè)量范圍0～160m3/h平均分為5段，每一段選取一個(gè)檢定點(diǎn)，每個(gè)檢定點(diǎn)測(cè)試3次，分段修正儀表系數(shù)，用累計(jì)流量計(jì)算示值誤差，在耐德流量實(shí)驗(yàn)室的基于標(biāo)準(zhǔn)法柴油標(biāo)準(zhǔn)裝置上進(jìn)行了檢定測(cè)試。由于檢定裝置的誤差不超出被檢流量計(jì)的基本誤差限的1/3就可忽略不計(jì)，故流量計(jì)基本誤差近似等于流量計(jì)示值誤差。使用累積流量計(jì)算示值誤差(基本誤差)的方法為

(1)式中：Eij為*i個(gè)檢定點(diǎn)*j次檢定被檢流量計(jì)的示值誤差百分?jǐn)?shù)；Vij 為*i個(gè)檢定點(diǎn)*j次檢定時(shí)流量計(jì)顯示的累計(jì)流量值，單位為m3或L；(Vs)ij為*i個(gè)檢定點(diǎn)*j次檢定時(shí)標(biāo)準(zhǔn)裝置測(cè)得的累計(jì)流量值，單位為m3或L。

重復(fù)性誤差是根據(jù)基本誤差的測(cè)定結(jié)果，依(2)－(3)式按檢定點(diǎn)分別進(jìn)行計(jì)算

(2)－(3)式中：Ei為*i個(gè)檢定點(diǎn)n次檢定的平均誤差；Eimax為*i個(gè)檢定點(diǎn)n次檢定基本誤差中的*大值；Eimin為*i個(gè)檢定點(diǎn)n次檢定基本誤差中的*小值；(Er)i為*i檢定點(diǎn)累積流量重復(fù)性誤差；dn為*差法系數(shù)，n=3時(shí)按檢定規(guī)則取為1.69。

以LW-81為例，檢定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

測(cè)試結(jié)果表明，累積流量基本誤差限小于0.2%，重復(fù)性小于0.06%，重復(fù)性與基本誤差滿足0.2級(jí)的較高精度要求，證明對(duì)脈沖測(cè)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(jī)軟件與流量計(jì)HART通信來修改儀表系數(shù)，證明了HART通信的正常可靠。

4、結(jié)束語

本文給出了一種基于C8051F020單片機(jī)與HART總線的渦輪流量計(jì)的設(shè)計(jì)，硬件上采用C8051F020作為核心控制器件，采用高優(yōu)先級(jí)的計(jì)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(shí)現(xiàn)HART通信；軟件上采用定時(shí)查詢計(jì)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(duì)可編程定時(shí)器陣列的控制來實(shí)現(xiàn)。*后，在柴油標(biāo)準(zhǔn)裝置上進(jìn)行了檢定驗(yàn)證。結(jié)果表明，該流量計(jì)采用C8051F020為核心控制器件，使整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)潔可靠，大大提高了液體流量測(cè)量與脈沖輸出的精度和可靠性；同時(shí)，HART通信正常可靠，便與上位機(jī)構(gòu)成主從分布式網(wǎng)絡(luò)。