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基于C8051F020單片機與HART總線的渦輪流量計

發布時間：2020-08-29 09:01:04??點擊次數：3093次

摘要：設計了一種新型的基于C8051F020與HART總線的液體渦輪流量計，對硬件上的測量模塊、HART模塊、脈沖輸出模塊與軟件上的主函數、脈沖測量與輸出的流程圖作了詳細分析，并在柴油標準裝置上進行了檢定。檢定結果證明，該設計是可行的，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，HART通信正常、可靠性高。

智能渦輪流量計精度高、重復性好、測量范圍廣、結構緊湊，但工業現場的環境比較惡劣，干擾嚴重，并且存在斷電的危險，而國內現有的大量智能流量計的控制電路采用的是傳統的C51系列單片機，由于傳統C51單片機本身的局限，導致電路設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；另一方面傳統C51單片機本身工作時的電流高達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可靠性要求比較高的場合，再加上計算能力有限，導致現場總線通信時可靠性差。而國外現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成，軟件上主要有主函數、脈沖測量與輸出的流程圖，并在柴油標準裝置上對該設計進行了檢定驗證。

1、硬件設計

采用總線供電，即流量計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，否則儀表的零點輸出就無法調整。流量計儀表表頭的設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4～20mA的總線上串聯工作，把1個4mA變成2個4mA，這樣既解決了功耗問題，也提高了流量計的工作穩定性。難點之二是流量計儀表表頭HART通訊信號的穩定性和可靠性問題。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構的8051兼容的CIP-51內核，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SM-Bus(I2CTM兼容)、SPITM及2個UART串口，這樣，C8051F020的串行外設接口SPI(serial peripheral in-terface，SPI)與外設交換數據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計具有指導意義。C8051F020還內含可編程增益、可編程轉換速率的12位快速A/D，還有64KByte Flash存儲器，4352(4K+256)Byte RAM，可編程的16位計數器/定時器陣列，有5個捕捉/比較模塊，片內JTAG調試和邊界掃描，片內資源豐富。C8051F020的工作電壓范圍為2.7～3.6V，多種節電和停機模式，系統功耗低。

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。

1.1流量脈沖信號采集

液體流過重慶耐德工業股份有限公司自制的渦輪流量傳感器產生脈沖信號，經過信號調理電路的放大整形后，送到MCU的高優先級計數器T0口。T0設置為脈沖下降沿計數方式，對流量脈沖信號計數。用16位定時器T3設定查詢周期，查詢周期到就響應中斷，在T3中斷內取出T0的計數值，從而計算出瞬時流量、單次累計流量和總累計流量。

1.2HART模塊

HART協議通信模塊主要由HART調制解調器HT2012和D/A轉換器AD421及其外圍電路實現。HART MODEM采用Smar公司的HT2012，是符合Bell202標準的半雙工調制解調器，實現HART協議規定的數字通信的編碼或譯碼。該芯片專為HART儀器設計，片內集成了符合Bell202標準的調制器、解調器、時鐘及定時電路、檢測控制電路，性價比較高。其中AD421通過串行接口接收現場儀表內部MCU傳送的數字信號，轉換成4～20mA電流輸出，輸出主要的測量結果。HT2012則從VIN-節點接收疊加在4～20mA環路上的信號，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節點上的 1.2kHz的信號解調為‘1’，將IRXA節點上的2.2kHz信號解調為‘0 ’，并通過串口通信RXD0節點傳輸給C8051F020，C8051F020接收命令幀并作相應的數據處理。之后，C8051F020產生要發回的應答幀，應答幀的數字信號由HT2012調制成相應的1.2kHz和2.2kHz的頻移鍵控(FSK)信號，即節點TXD0到節點OTXA的調制過程，并經過發送信號整形電路進行波形整形后，經AD421疊加在環路上發送。C8051F020外接1.8432MHz晶振，4分頻后作為HART調制解調的時鐘信號源，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、穩壓電路構成。脈沖輸出是采用控制 P1.4口的高低電平翻轉來實現的?？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 3V供電，另一端由用戶供電。用戶通常提供DC 12V或DC 24V電源，所以采用穩壓管Z1穩壓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，當P1.4為高電平，POUT為高電平，Q1導通，Q2截止，節點PLUSEO輸出高電平；當P1.4為低電平，POUT為低電平，Q1截止，Q2導通，節點PLUSEO輸出低電平。

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、脈沖輸出當量系數和流量量程等重要數據，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，*1行顯示10位數的總累積流量，*2行顯示6位數的單次累積流量與3位數的液體溫度，*3行顯示5位數的瞬時流量。顯示模塊還用于在鍵盤設置時的各項提示。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，則執行相應功能。鍵盤設置主要用于各個流量段的流量系數、脈沖輸出當量、流量量程的設置與查看。

2、軟件設計

采用Keil uVision3作為測量系統軟件的開發平臺，采用C語言編程。單片機上電后，先執行初始化，加載HART協議并開中斷，等待上位機HART幀到達，讀取鐵電存儲器的數據，如果有按鍵，則執行鍵盤操作; 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。脈沖輸出時I/O口電平的翻轉與延遲由PCA定時器來軟件定時實現。中斷程序在整個系統的軟件設計中較為關鍵，在設計中應注意2個問題：

1)定時器T3中斷內提取計數器T0的流量脈沖信號的計數值，計算各流量參數并配置脈沖輸出，在程序編寫時應盡量簡潔；

2)PCA定時器的中斷要設置為高優先級。

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

3、檢定結果

根據渦輪流量傳感器的工作特性曲線，將流量測量范圍0～160m3/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，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。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*i個檢定點*j次檢定被檢流量計的示值誤差百分數；Vij 為*i個檢定點*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*i個檢定點*j次檢定時標準裝置測得的累計流量值，單位為m3或L。

重復性誤差是根據基本誤差的測定結果，依(2)－(3)式按檢定點分別進行計算

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

以LW-81為例，檢定實驗數據如表1所示。

測試結果表明，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，證明了HART通信的正?？煽俊?/div>

4、結束語

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計，硬件上采用C8051F020作為核心控制器件，采用高優先級的計數器來采集脈沖，采用IO口電平翻轉來輸出脈沖，采用HT2012及附屬電路來實現HART通信；軟件上采用定時查詢計數器來刷新各流量參數，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。*后，在柴油標準裝置上進行了檢定驗證。結果表明，該流量計采用C8051F020為核心控制器件，使整個系統結構更加簡潔可靠，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?，便與上位機構成主從分布式網絡。

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