[導讀] 在全面分析了渦輪流量計測量原理的基礎上，設計了一種基于HART總線的新型智能渦輪流量計。HART模塊由AD421和A5191構成，詳細闡述了其工作原理并設計了電路圖。該系統以MSP430F147單片機為控制核心，采用軟硬件結合的方法實現了流量的自動補償。選用低功耗的外圍擴展元器件，在實現了較高精度和可靠性的同時，最大限度地降低了整機功耗。
0 引言
渦輪流量計精度高，測量范圍廣，惰性小，但測量信號易受到各種外界因素的影響，干擾嚴重，而且存在著斷電的危險，所以常規的渦輪流量計精度擺動不定，誤差較大。而利用MSP430F147單片機設計的智能型渦輪流量計，不但保證了測量精度，而且利用其超低功耗的特性，極大地延長電池的使用壽命。HART協議是可尋址遠程傳感器高速通道的開放通信協議，其特點是在現有模擬信號傳輸線上實現數字信號通信，已在很多智能儀表中得到了應用。為滿足用戶的使用需要，系統增加了HART模塊，并設計了現場顯示、累計流量存儲、鍵盤管理的人機交互界面，以完成對流體瞬時流量的計量和監控。
1 工作原理
當被測氣體流入流量計時，首先在整流器作用下得到整流并加速。由于渦輪葉片與氣體流向成一定角度，流體產生的作用力驅動流量計渦輪旋轉，渦輪的理論旋轉速度與流量成正比。通過測量渦輪的轉速可以從計數器讀取工況流量。
1.1 一般情況
在一般情況下，渦輪流量計系數K決定了流量和頻率的關系，在不考慮溫度修正時：
式中：N為流量計測得的脈沖數；V為同一時間測得的液體體積。
1.2 工業情況
在充分考慮工業液體的密度和溫度的影響時，傳感器處的體積單量值可修正為
式中：t為傳感器處的溫度；α1為傳感器殼體的線膨脹系數；α2為傳感器葉輪的線膨脹系數。通過對傳感器處的物理尺寸所做的溫度修正，便可以由脈沖的個數和標準條件下的傳感器系數，求出液體流經傳感器處的體積V1，然后算出傳感器對應的流體的密度ρt，再利用M=ρ1V1計算出流體的質量。
2 硬件設計
硬件設計如圖1所示。
圖1 系統硬件框圖
單片機選用具有超低功耗的16位單片機MSP430F147，內含12位快速A/D，32K字節FlashROM，1K字節RAM，片內資源豐富。該單片機的工作電壓范圍為118～316V，系統功耗極低，特別適合用在干電池供電的儀表。
2.1 數據采集部分
流量信號檢測采用研制的渦輪流量計，測量時利用霍爾傳感器將流量轉換成脈沖信號并發送到單片機的P1.6口，使用中斷方式對脈沖計數。
由于實際使用中被測流體密度和操作狀態的改變，必須對檢測到的流量進行修正。溫度傳感器選用DS18B20，量程范圍較寬(-55～125℃)，使用中不需要任何外圍器件，測量結果以9位數字量方式串行傳送。壓力傳感器采用154N型擴散硅壓力傳感器，測量精度為011%，具有較好的線性度和低功耗特性，能夠實現零位校準和溫度補償。
2.2 累計存儲
為了保存累計流量，單片機的P3口外擴了一個EEPROM 24LC02B，如圖2所示。由于24LC02B是I2C總線工作方式，而MSP430F147單片機沒有I2C，因此在設計時采用單片機的一般I/O口P515和P516分別作為I2C總線的SCL和SDA線，采用軟件來模擬I2C總線，從而實現與24LC02B進行接口。此外為了減小電源的干擾，還需要在24LC02B芯片的電源輸入管腳加一個011μF的電容來實現濾波，以減小輸入端受到的干擾。
圖2 24LC02B與單片機的連接
2.3 顯示與鍵盤處理模塊
鍵盤采用5按鍵直接與單片機的P2口連接。在按鍵按下后，根據不同按鍵進行相應的處理。按鍵使用外部中斷，在中斷服務程序中執行相應功能，以節約單片機資源。顯示模塊用來顯示測量的數據和系統設置的提示，在單片機內部RAM區中開辟出一段顯示緩沖區，該模塊將緩沖區的內容顯示到LCD面板上。
3 HART模塊
流量計除了具有RS-485通信功能以外，還嵌入了HART總線接口技術，進一步提高了通信的距離，實現更復雜、精確的控制。
如圖3所示，HART協議通信模塊主要由HART調制解調器A5191HRT和D/A轉換器AD421及其外圍電路實現。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。A5191HRT則接收疊加在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1.2kHz的信號解調為“1”，2.2kHz信號解調為“0”，并通過串口通信傳輸給MSP430F147，MSP430F147接收命令幀并作相應的數據處理。之后，MSP430F147產生要發回的應答幀，應答幀的數字信號由A5191HRT調制成相應的1.2kHz和2.2kHz的FSK頻移鍵控信號，并經過發送信號整型電路進行波形整形后，經AD421疊加在環路上發送。
圖3 HART通信模塊結構圖
設計中當A5191HRT接收時，從4～20mA環路上接收信號，經過帶通濾波、放大整形后提取出FSK信號并解調為數字信號，傳送給MSP 430F147；發送時，從MSP430F147接收數據，進行調制和波形整形后耦合到AD421內部，通過AD421疊加到環路上。A5191HRT和MSP 430F147通過后者的通用串行通信接口連接。電路圖如圖4所示。
圖4 HART通信模塊電路圖
AD421是單片高性能數模轉換器，主要由電壓調整器、數模轉換器和電流放大器組成。電壓調整器由運放、帶隙基準和外接FET調整管組成，能夠從環路中獲取電流，為AD421和其他器件提供3.0V、3.3V或5.0V的供電電壓。數模轉換器采用∑-ΔDAC結構，將16位數字碼轉換為4～20mA模擬電流。數字碼是通過和MSP430F147的三線接口CLOCK、DATA、LATCH從MSP430F147串行輸入。
其中，與MSP430的通用串行收發模塊UART的接口信號包括載波檢測OCD、HART解調輸出ORXD、來自UART的HART調制輸入ITXD和請求發送INRTS；LOOP+為4～20mA環路輸入，經過外部電阻電容和A5191HRT內部電路完成接收信號的帶通濾波和放大，用于解調；調制好的數據經過內部整形電路處理后由管腳OTXA輸出，通過電容耦合到AD421內部，然后疊加到環路上傳輸；HART調制解調的時鐘信號源于外接的460.8kHz晶體產生的振蕩。其中LOOP+和LOOP-分別是電流環路的兩個端口；從MSP430F147輸入DAC的數字碼是通過三線接口實現的，分別是時鐘線CLOCK、數據線DATA和鎖存線LATCH。
4 軟件實現
測量系統軟件采用IAREmbeddedWorkbench作為終端軟件的開發平臺，編程語言采用C430。為了充分利用MSP430F147低功耗模式的特點，在完成系統初始化之后馬上進入低功耗模式LPM3，通過中斷喚醒CPU，執行相應功能模塊，中斷完成后恢復低功耗模式。系統程序流程圖如圖5所示。
圖5 程序流程圖
系統用到的中斷包括：外部中斷(脈沖采集和鍵盤)、定時中斷和串口通信中斷。由于多個中斷的同時存在，除定時中斷外，其他中斷遠的到來時間具有不可預測性，為保證脈沖采集中斷的最高優先級，在定時中斷執行完成后，通過保存狀態寄存器的值迫使單片機仍然保持Active狀態，進入以回到低功耗模式為結尾的主循環中。主循環程序包括檢測溫度、壓力、電量并送LCD的子程序模塊，累積流量、瞬時流量計算并送LCD的子程序，時間顯示子程序模塊，歷史數據保存子程序模塊等。
5 結束語
該流量計可靈活、精確地測量各種液體和氣體的溫度、壓力、流量以及積算流量，特別是它采用了MSP430F147完成了整套測量系統，使外圍所要添加的器件更少，使整個系統結構更加簡潔可靠，也更方便了軟件的升級與更新。HART模塊能將結果通過HART總線與上位機構成主從分布式網絡。通過試驗，在正常工作狀態下，系統整體工作電流維持在250μA以下，用16Ah的Li電池能工作5年以上，是非常實用的智能化儀表。
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