摘 　要 :鑒于常規脈沖式渦輪流量計對脈沖信號的測量與輸出的精度不高, 設計了一種基于 C8051F020單片機與 HART總線的液體渦輪流量計 。該流量計以 C8051F020單片機為控制核心, 采用軟硬件結合的方法實現了液體流量較高精度的測量和脈沖輸出。 重點分析了硬件設計的測量模塊 、HART模塊和脈沖輸出模塊以及軟件設計的主函數和脈沖測量與輸出的流程圖 , 并給出了液體渦輪流量計在柴油標準裝置上的測試結果。 測試結果表明, 該流量計累積流量基本誤差限為 ±0.2%, 重復性小于 0.06%, 實現了較高的精度和可靠性, 同時, HART通信正常 、可靠性高。

0、引言：
  渦輪流量計具有精度高 、重復性好 、測量范圍廣和結構緊湊等優點 , 但工業現場的環境比較惡劣 , 干擾嚴重 , 且國內現有的大量智能流量計采用傳統的 C51系列單片機 , 在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[ 1 -2]。 現利 用C8051F020單片機設計的智能型渦輪流量計 , 不但保證了較高 的脈沖 測量與 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協議是在現有模擬信號傳輸線上實現數字信號的通信 , 是可尋址遠程傳感器高速通道的開放的通信協議 , 已在很多智能儀表中得到應用 。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 、儀表系數與累計流量存儲和鍵盤管理的人機交互界面 ,以完成對液體的瞬時和累積流量的計量和監控。

1、硬件設計：
  流量計采用總線供電 , 即流量計儀表表頭的工作電流要從 4 ～ 20 m A的總線上截取 , 且流量計儀表表頭的工作電流必須小于 4 m A, 否則無法調整儀表的零點輸出 。
  功耗問題是流量計儀表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對流量計表頭進行供電, 即采用 DC/DC模塊, 使兩個電源在 4 ～20 m A的總線上串聯工作 , 由 DC/DC模塊隔離輸出端分擔部分功耗負載 , 確保 4 ～ 20 m A總線環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的工作穩定性 。此外 , 流量計表頭均選用低功耗的核心元器件 , 以降低整機功耗 。
  流量計儀表表頭設計的難點之二是流量計儀表表頭 HART通信信號的穩定性和可靠性問題 。要解決這一問題 , 首先 , 在功耗允許的情況下提高 CPU的運行速度 , 有效利用 CPU的資源 , 從而提高軟件的運行效率 ;其次是采用 HART成熟 的通信濾波電路 , 確保HART通信的穩定性 、可靠性和抗干擾能力 。因此 ,CPU選用 C8051F020。
  C8051F020系統功耗低 , 工作電壓范圍為 2.7 ～3.6 V, 具有多種節電和停機模式 ;C8051F020 具有與高速流水線結構 8051兼容的 CIP-51內核 (運算速度可達 25 MIPS), 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具有可同時使用的 SMBus(I2CTM兼容 )、SPITM和兩個 UART串口 , 其 SPI口與外設交換數據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豐富的片內資源 , 使整個流量計表頭電路更加簡潔可靠 。   C8051F020內含可編程增益和可編程轉換速率的12位 快 速 A/D, 可 用 于 采 集 溫 度 和 壓 力 信 號 ;C8051F020還具有可編程的 16位計數器 /定時器陣列 , 可用于當量脈沖的輸出 ;另外 , 它還具有 64 k B的Flash存儲器 、4 352 B的 RAM、片內 JTAG調試和邊界掃描 , 軟件調試十分方便 。
  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 、累計流量存儲模塊以及顯示和鍵盤處理模塊 。系統硬件設計框圖如圖 1所示 。

圖 1　系統硬件框圖
1.1、流量脈沖信號采集：
  渦輪流量傳感器采用重慶耐德工業股份有限公司自主研制的渦輪流量傳感器 。當液體流過傳感器時 ,傳感器產生脈沖信號 。該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口[ 4]。 T0設置為脈沖下降沿計數方式 , 對流量脈沖信號進行計數 , 并采用16位定時器 T3設定查詢周期 。一到查詢周期 , 系統就響應中斷 , 在 T3中斷內讀取 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[ 5]。

1.2、HART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 。
  HARTMODEM采用 Smar公司的 HT2012, 它是符合 Bell202標準的半雙工調制解調器 , 用于實現 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 。
  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 。 AD421由外接4 ～ 20 m A環路主電源供電 , 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場儀表內部 MCU傳送的數字信號 , 并轉換成 4 ～ 20 m A電流 。 HT2012則從 VIN-節點接收疊加在 4 ～ 20 m A環路上的信號 , 經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 1.2 k Hz的信號解調為 `1' , 將 IRXA節點上的 2.2 k Hz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 ;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 1.2 k Hz和 2.2 k Hz的 FSK頻移鍵控信號 , 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 , 在 X0節點經 AD421 疊加在環路上發送[ 6]。 C8051F020外接 1.843 2 MHz晶振 , 4分頻后作為 HART調制解調的時鐘信號源[ 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壓電路構成 。脈沖輸出采用控制 P1.4口的高低電平翻轉來實現 。考慮到儀表安全性 , 流量計的脈沖輸出模塊均需要隔離保護 , 系統選用功耗低的高速 CMOS信號隔離器 , 連接單片機端由 AD421的輸出電壓供電 , 用戶檢測端由用戶供電 。由于用戶通常提供 DC12 V或 DC24 V電源 , 所以采用穩壓管 Z1穩壓 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 P1.4和P OUT為高電平時 , Q1導通 、Q2截止 , 節點 Pulse-O輸出高電平 ;當 P1.4和 P OUT為低電平時 , Q1截止 、Q2導通 , 節點 Pulse-O輸出低電平 。

圖 3　脈沖輸出電路圖
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 , 系統外擴了一個鐵電存儲器 FM24CL16。 FM24CL16的工作方式基于 I2C總線 , 它可與 C8051F020單片機硬件上的 SM-Bus兼容 。
1.5、顯示與鍵盤處理模塊：
  顯示 模 塊 采 用 長 沙太 陽 人 有 限 公司 生 產 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位的瞬時流量 。此外 , 顯示模塊還用于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 , 并采用查詢方式 。當查詢到有鍵按下時 , 執行相應功能 。鍵盤設置主要用于各個流量段的流量系數 、脈沖輸出當量和流量量程的設置與查看 。

2、軟件設計：
  系統采用 Keilu Vsioni 3作為測量系統軟件的開發平臺 , 并采用 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 、單次累計流量和溫度的顯示 。定時查詢流量值 、脈沖輸出和 HART串口通信都由中斷觸發 , 脈沖輸出由 PCA定時器工作在軟件定時方式下實現 。
  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 計算各流量參數和配置脈沖輸出是在定時器 T3中斷內完成的 , T3中斷內的程序應盡量簡潔 ;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 (從機 )發出命令 、下位機回答的方式 。主機消息到來時 , 下位機響應串口中斷并接收和發送數據[ 8]。主循環程序還包括檢測溫度與壓力 、LCD顯示 、4 ～20 m A電流輸出 、累計流量寫鐵電等子程序模塊 。 系統主函數流程如圖 4所示 , 脈沖采集及其輸出流程如圖 5所示 。

圖4主函數流程圖

圖5脈沖采集與輸出流程圖
3、檢定結果：
  根據渦輪流量傳感器的工作特性曲線 , 采用分段補償修正儀表系數的方法 , 用累計流量計算示值誤差 ,在基于標準法柴油標準裝置上進行了檢定測試 。以LW-82為例 , 檢定實驗結果如表 1所示 。

表 1　實驗結果
  測試結果表明 , 累積流量基本誤差限為 ±0.2%,重復性小于 0.06%, 對脈沖測量與脈沖輸出都具有較高的精度和可靠性 。 此外 , 系統采用上位機軟件與流量計 HART通信來修改儀表系數和***大量程等 , 證明了 HART通信的正常可靠性 。

4、結束語：
  本文設計的渦輪流量計可地測量各種液體的流量 、溫度和壓力 , 也能保證高精度的脈沖輸出 , 特別是采用 C8051F020完成整套測量系統的設計 , 使外圍所要添加的器件更少 , 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 ;同時 , 流量計的表頭均選用低功耗的外圍擴展元器件 , ***大限度地降低了整機功耗 。柴油標準裝置上的測試結果驗證了該流量計的性和可靠性 。