摘 　要 :鑒于常規(guī)脈沖式渦輪流量計(jì)對(duì)脈沖信號(hào)的測(cè)量與輸出的精度不高, 設(shè)計(jì)了一種基于 C8051F020單片機(jī)與 HART總線的液體渦輪流量計(jì) 。該流量計(jì)以 C8051F020單片機(jī)為控制核心, 采用軟硬件結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)了液體流量較高精度的測(cè)量和脈沖輸出。 重點(diǎn)分析了硬件設(shè)計(jì)的測(cè)量模塊 、HART模塊和脈沖輸出模塊以及軟件設(shè)計(jì)的主函數(shù)和脈沖測(cè)量與輸出的流程圖 , 并給出了液體渦輪流量計(jì)在柴油標(biāo)準(zhǔn)裝置上的測(cè)試結(jié)果。 測(cè)試結(jié)果表明, 該流量計(jì)累積流量基本誤差限為 ±0.2%, 重復(fù)性小于 0.06%, 實(shí)現(xiàn)了較高的精度和可靠性, 同時(shí), HART通信正常 、可靠性高。

0、引言：
  渦輪流量計(jì)具有精度高 、重復(fù)性好 、測(cè)量范圍廣和結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn) , 但工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境比較惡劣 , 干擾嚴(yán)重 , 且國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的大量智能流量計(jì)采用傳統(tǒng)的 C51系列單片機(jī) , 在電路設(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[ 1 -2]。 現(xiàn)利 用C8051F020單片機(jī)設(shè)計(jì)的智能型渦輪流量計(jì) , 不但保證了較高 的脈沖 測(cè)量與 脈沖 輸出 精度 , 而且 滿足HART通信與 4 ～ 20 m A輸出的低功耗要求 。
  HART協(xié)議是在現(xiàn)有模擬信號(hào)傳輸線上實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的通信 , 是可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道的開放的通信協(xié)議 , 已在很多智能儀表中得到應(yīng)用 。為滿足用戶的使用需要 , 系統(tǒng)增加了 HART模塊 , 并設(shè)計(jì)了現(xiàn)場(chǎng)顯示 、儀表系數(shù)與累計(jì)流量存儲(chǔ)和鍵盤管理的人機(jī)交互界面 ,以完成對(duì)液體的瞬時(shí)和累積流量的計(jì)量和監(jiān)控。

1、硬件設(shè)計(jì)：
  流量計(jì)采用總線供電 , 即流量計(jì)儀表表頭的工作電流要從 4 ～ 20 m A的總線上截取 , 且流量計(jì)儀表表頭的工作電流必須小于 4 m A, 否則無法調(diào)整儀表的零點(diǎn)輸出 。
  功耗問題是流量計(jì)儀表表頭設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一 。解決這一問題的主要方法是用兩個(gè)隔離的電源對(duì)流量計(jì)表頭進(jìn)行供電, 即采用 DC/DC模塊, 使兩個(gè)電源在 4 ～20 m A的總線上串聯(lián)工作 , 由 DC/DC模塊隔離輸出端分擔(dān)部分功耗負(fù)載 , 確保 4 ～ 20 m A總線環(huán)路上的電流功耗小于 3.5 m A。這樣不僅解決了功耗問題 , 而且還提高了流量計(jì)的工作穩(wěn)定性 。此外 , 流量計(jì)表頭均選用低功耗的核心元器件 , 以降低整機(jī)功耗 。
  流量計(jì)儀表表頭設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之二是流量計(jì)儀表表頭 HART通信信號(hào)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 CPU的運(yùn)行速度 , 有效利用 CPU的資源 , 從而提高軟件的運(yùn)行效率 ;其次是采用 HART成熟 的通信濾波電路 , 確保HART通信的穩(wěn)定性 、可靠性和抗干擾能力 。因此 ,CPU選用 C8051F020。
  C8051F020系統(tǒng)功耗低 , 工作電壓范圍為 2.7 ～3.6 V, 具有多種節(jié)電和停機(jī)模式 ;C8051F020 具有與高速流水線結(jié)構(gòu) 8051兼容的 CIP-51內(nèi)核 (運(yùn)算速度可達(dá) 25 MIPS), 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具有可同時(shí)使用的 SMBus(I2CTM兼容 )、SPITM和兩個(gè) UART串口 , 其 SPI口與外設(shè)交換數(shù)據(jù)能大大減少軟件開銷 , 提高 CPU的工作效率[ 3]。另外 , 可充分利用 C8051F020豐富的片內(nèi)資源 , 使整個(gè)流量計(jì)表頭電路更加簡(jiǎn)潔可靠 。   C8051F020內(nèi)含可編程增益和可編程轉(zhuǎn)換速率的12位 快 速 A/D, 可 用 于 采 集 溫 度 和 壓 力 信 號(hào) ;C8051F020還具有可編程的 16位計(jì)數(shù)器 /定時(shí)器陣列 , 可用于當(dāng)量脈沖的輸出 ;另外 , 它還具有 64 k B的Flash存儲(chǔ)器 、4 352 B的 RAM、片內(nèi) JTAG調(diào)試和邊界掃描 , 軟件調(diào)試十分方便 。
  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)模塊以及顯示和鍵盤處理模塊 。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖如圖 1所示 。

圖 1　系統(tǒng)硬件框圖
1.1、流量脈沖信號(hào)采集：
  渦輪流量傳感器采用重慶耐德工業(yè)股份有限公司自主研制的渦輪流量傳感器 。當(dāng)液體流過傳感器時(shí) ,傳感器產(chǎn)生脈沖信號(hào) 。該脈沖信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路放大整形后送到單片機(jī)的計(jì)數(shù)器 T0口[ 4]。 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)進(jìn)行計(jì)數(shù) , 并采用16位定時(shí)器 T3設(shè)定查詢周期 。一到查詢周期 , 系統(tǒng)就響應(yīng)中斷 , 在 T3中斷內(nèi)讀取 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[ 5]。

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(shí)現(xiàn) 。
  HARTMODEM采用 Smar公司的 HT2012, 它是符合 Bell202標(biāo)準(zhǔn)的半雙工調(diào)制解調(diào)器 , 用于實(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 。
  AD421是單片高性能數(shù)模轉(zhuǎn)換器 , 主要由電壓調(diào)整器 、數(shù)模轉(zhuǎn)換器和電流放大器組成 。 AD421由外接4 ～ 20 m A環(huán)路主電源供電 , 并為其他器件提供 3.0 V供電電壓 。
  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) , 并轉(zhuǎn)換成 4 ～ 20 m A電流 。 HT2012則從 VIN-節(jié)點(diǎn)接收疊加在 4 ～ 20 m A環(huán)路上的信號(hào) , 經(jīng)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 1.2 k Hz的信號(hào)解調(diào)為 `1' , 將 IRXA節(jié)點(diǎn)上的 2.2 k Hz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 ;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 1.2 k Hz和 2.2 k Hz的 FSK頻移鍵控信號(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 , 在 X0節(jié)點(diǎn)經(jīng) AD421 疊加在環(huán)路上發(fā)送[ 6]。 C8051F020外接 1.843 2 MHz晶振 , 4分頻后作為 HART調(diào)制解調(diào)的時(shí)鐘信號(hào)源[ 7]。電路圖如圖 2所示 。

圖 2　HT2012電路、濾波電路與整形電路圖
1.3、脈沖輸出模塊：
  脈沖輸出模塊主要由高速光耦隔離器和穩(wěn)壓電路構(gòu)成 。脈沖輸出采用控制 P1.4口的高低電平翻轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn) 。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) , 系統(tǒng)選用功耗低的高速 CMOS信號(hào)隔離器 , 連接單片機(jī)端由 AD421的輸出電壓供電 , 用戶檢測(cè)端由用戶供電 。由于用戶通常提供 DC12 V或 DC24 V電源 , 所以采用穩(wěn)壓管 Z1穩(wěn)壓 5 V給光耦的另一端供電 , 脈沖輸出電路如圖 3所示 。 圖 3中 , VW +、VW-為用戶提供的外接 DC12 V或 DC24 V電源輸入端 , Q1、Q2為三極管 。在脈沖輸出過程中 , 當(dāng) P1.4和P OUT為高電平時(shí) , Q1導(dǎo)通 、Q2截止 , 節(jié)點(diǎn) Pulse-O輸出高電平 ;當(dāng) P1.4和 P OUT為低電平時(shí) , Q1截止 、Q2導(dǎo)通 , 節(jié)點(diǎn) Pulse-O輸出低電平 。

圖 3　脈沖輸出電路圖
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) , 系統(tǒng)外擴(kuò)了一個(gè)鐵電存儲(chǔ)器 FM24CL16。 FM24CL16的工作方式基于 I2C總線 , 它可與 C8051F020單片機(jī)硬件上的 SM-Bus兼容 。
1.5、顯示與鍵盤處理模塊：
  顯示 模 塊 采 用 長(zhǎng) 沙太 陽(yáng) 人 有 限 公司 生 產(chǎn) 的SMS2411液晶屏 , 行顯示 10位的總累積流量 , 第二行顯示 6位的單次累積流量與 3位的液體溫度 , 第三行顯示 5位的瞬時(shí)流量 。此外 , 顯示模塊還用于鍵盤設(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 , 并采用查詢方式 。當(dāng)查詢到有鍵按下時(shí) , 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)量和流量量程的設(shè)置與查看 。

2、軟件設(shè)計(jì)：
  系統(tǒng)采用 Keilu Vsioni 3作為測(cè)量系統(tǒng)軟件的開發(fā)平臺(tái) , 并采用 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)流量和溫度的顯示 。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) , 脈沖輸出由 PCA定時(shí)器工作在軟件定時(shí)方式下實(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 計(jì)算各流量參數(shù)和配置脈沖輸出是在定時(shí)器 T3中斷內(nèi)完成的 , T3中斷內(nèi)的程序應(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) (從機(jī) )發(fā)出命令 、下位機(jī)回答的方式 。主機(jī)消息到來時(shí) , 下位機(jī)響應(yīng)串口中斷并接收和發(fā)送數(shù)據(jù)[ 8]。主循環(huán)程序還包括檢測(cè)溫度與壓力 、LCD顯示 、4 ～20 m A電流輸出 、累計(jì)流量寫鐵電等子程序模塊 。 系統(tǒng)主函數(shù)流程如圖 4所示 , 脈沖采集及其輸出流程如圖 5所示 。

圖4主函數(shù)流程圖

圖5脈沖采集與輸出流程圖
3、檢定結(jié)果：
  根據(jù)渦輪流量傳感器的工作特性曲線 , 采用分段補(bǔ)償修正儀表系數(shù)的方法 , 用累計(jì)流量計(jì)算示值誤差 ,在基于標(biāo)準(zhǔn)法柴油標(biāo)準(zhǔn)裝置上進(jìn)行了檢定測(cè)試 。以LW-82為例 , 檢定實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表 1所示 。

表 1　實(shí)驗(yàn)結(jié)果
  測(cè)試結(jié)果表明 , 累積流量基本誤差限為 ±0.2%,重復(fù)性小于 0.06%, 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 , 系統(tǒng)采用上位機(jī)軟件與流量計(jì) HART通信來修改儀表系數(shù)和***大量程等 , 證明了 HART通信的正常可靠性 。

4、結(jié)束語：
  本文設(shè)計(jì)的渦輪流量計(jì)可地測(cè)量各種液體的流量 、溫度和壓力 , 也能保證高精度的脈沖輸出 , 特別是采用 C8051F020完成整套測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì) , 使外圍所要添加的器件更少 , 整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)潔可靠 , 也更方便了軟件的升級(jí)與更新 。 HART模塊能將結(jié)果通過 HART總線與上位機(jī)構(gòu)成主從分布式網(wǎng)絡(luò) ;同時(shí) , 流量計(jì)的表頭均選用低功耗的外圍擴(kuò)展元器件 , ***大限度地降低了整機(jī)功耗 。柴油標(biāo)準(zhǔn)裝置上的測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了該流量計(jì)的性和可靠性 。