渦輪流量計智能積算儀的設(shè)計解決方案
以MSP430單片機(jī)作為處理器，經(jīng)過運(yùn)算放大器對輸入脈沖 進(jìn)行整形濾波放大后輸入到單片機(jī)中，由單片機(jī)對輸入脈沖進(jìn)行相應(yīng)的處理和運(yùn)算并進(jìn)行實(shí) 時流量的顯示和數(shù)據(jù)信息的發(fā)送。系統(tǒng)電路采用24 V和3.6V雙電源設(shè)計，通過HART通信 協(xié)議與上位機(jī)主機(jī)進(jìn)行通訊，從上位機(jī)可以讀取和置入?yún)?shù)。
渦輪流量計智能積算儀的設(shè)計解決方案
引言
渦輪流量傳感器具有測量準(zhǔn)確、測量范圍寬、 技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中的流 量測量。渦輪流量計智能積算儀是用來處理和顯 示渦輪流量傳感器發(fā)送的脈沖信號，它能夠把測 量的流速等信息直接顯示并轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號遠(yuǎn)傳。 當(dāng)前，渦輪流量傳感器的測量精度已經(jīng)能夠達(dá)到 較高的水準(zhǔn)，智能積算儀部分也在逐步實(shí)現(xiàn)智能化和信息化。渦輪流量儀表也需要添加智能信息 處理單元部分，使生產(chǎn)過程的監(jiān)控和檢測更加便 捷、高效和人性化。
1.功能設(shè)計
本文研究了渦輪流量計智能積算儀，系統(tǒng)以 MSP430F149單片機(jī)作為核心處理器， 能夠通過液晶顯示屏實(shí)時顯示流速，使用基于可 尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道的開放通信協(xié)議進(jìn)行數(shù) 據(jù)傳輸，系統(tǒng)斷電時數(shù)據(jù)能夠瞬間保存，工作電 壓過低能夠觸發(fā)報警，采用4mA~20mA模擬電流 輸出表示流量的大小，用戶通過按鍵可置入儀表 系數(shù)。通過合理科學(xué)的硬件設(shè)計以及軟件編程， 實(shí)現(xiàn)了渦輪流量計智能積算儀的多功能化和低功 耗化。
2.硬件設(shè)計
2.1電源供電系統(tǒng)
系統(tǒng)有兩個互不干擾的供電電路。一個是使 用3.6V電壓電池進(jìn)行供電，另外一個是外接直流 24V電源供電。當(dāng)系統(tǒng)不需要進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊并且 不需要4~20mA模擬電流輸出的時候，整個智能 積算儀能夠僅僅在3.6V電壓電池的供電下持續(xù)工 作三年以上。反之，可以使用外接直流的24V電 源供電，通過AD421芯片進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，同時它 能夠?qū)?shù)字信號十分的轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電 流信號，產(chǎn)生4~20mA電流輸出。電路原理圖如 圖1所示。
2.2通訊系統(tǒng)
根據(jù)可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道的開放通信 協(xié)議，通訊系統(tǒng)用AMI公司生產(chǎn)的A5191芯片完成HART通訊。HART通訊是一種基于FSK頻移 鍵控技術(shù)的通訊方式，在模擬電流信號的基礎(chǔ)上 疊加不同的頻率信號，用頻率1 200Hz代表數(shù)字 “1”，頻率2 200Hz代表數(shù)字“0”。通訊方式外圍 電路原理圖如圖2所示。
2.3顯示系統(tǒng)
系統(tǒng)顯示模塊選用點(diǎn)陣式液晶DCG13232， 電路如圖3所示。它能夠顯示各種漢字和圖形， 能夠選擇工作在串行模式或者并行模式，內(nèi)置了ST7565R控制器，能夠開啟或者關(guān)閉藍(lán)色背光。 正常電壓為3V?3.6V，無背光時它的工作電流為 140|xA，打開背光后的工作電流為92mA。
2.4斷電保護(hù)及低電壓報警系統(tǒng)
系統(tǒng)斷電保護(hù)電路與低電壓報警電路如圖4、 圖5所示。選用了 IMP809R實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)斷電之后的 數(shù)據(jù)保護(hù)功能，當(dāng)電壓低于2.63 V，它能夠產(chǎn)生 —個脈沖信號，并能短時間維持這個電壓，讓單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)保存。用IMP809S實(shí)現(xiàn)電池電量不 足時的低電壓的報警功能，跳變電壓為2.93V, 當(dāng)它的供電電壓低于2.93V時，產(chǎn)生一個持續(xù)的 脈沖給單片機(jī)，單片機(jī)檢測到后即可讓低電壓報 警亮起。
3.程序設(shè)計
系統(tǒng)主程序采用瀑布式結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計方 法，程序中主要的功能函數(shù)為初始化程序、實(shí) 時顯示流量數(shù)據(jù)程序、通訊程序以及其他的一 些功能程序。
智能積算儀上電之后，對單片機(jī)的各個模塊 進(jìn)行初始化，其中包括系統(tǒng)時鐘的配置，判斷是 否寫入過儀表系數(shù)，看門狗的設(shè)置，ROM存儲器 中數(shù)據(jù)的讀取，用于液晶顯示的IO 口的程序， UART通訊模塊的初始等。初始化完成后設(shè)置各 個中斷源，開啟外部中斷、通訊中斷、定時器中 斷等，屏蔽一切不需要的中斷資源，設(shè)置單片機(jī) 內(nèi)置的定時器，每間隔2s產(chǎn)生一次中斷。主程序 設(shè)計流程圖與程序初始化流程圖見圖6、圖7。
完成初始化后程序進(jìn)入主循環(huán)程序，進(jìn)行渦輪 流量傳感器的脈沖處理，經(jīng)過和儀表系數(shù)的線性比 對，計算出當(dāng)前的瞬時流量，并通過對時間的累 積。系統(tǒng)整體處理事件都是基于中斷，在電池供電 的情況下將電路的能耗降到較低水平。使用定時/比 較器對渦輪流量傳感器傳送的脈沖進(jìn)行捕捉，使用 單片機(jī)內(nèi)設(shè)置的定時器每間隔2 s進(jìn)行一次計數(shù)，對所有前2s的收到的脈沖數(shù)進(jìn)行處理，計算出瞬 時流量和累積流量并顯示在液晶屏幕上。顯示 菜單默認(rèn)顯示實(shí)時的瞬時流量和累積流量，菜單 按鈕按下后切換到儀表系數(shù)植入界面，可以通過參 數(shù)置入按鈕改變儀表系數(shù)，這樣能夠使渦輪流量 計智能積算儀適用于不同的渦輪流量傳感器。
HART通訊程序的計算機(jī)顯示程序由VB語 言編寫，其人機(jī)交互界面如圖8所示。每隔1s上 位機(jī)軟件就會向下位機(jī)智能儀表請求一次數(shù)據(jù)， 接收到后立即刷新界面數(shù)據(jù)，通訊采用串口方式， 速率為1 200bps。下位機(jī)渦輪流量計智能積算儀 的通訊由單片機(jī)的通用串行異步收發(fā)器完成，當(dāng) 通訊口檢測到線路上有對應(yīng)的電平變化時，會進(jìn) 入通訊中斷程序，把接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，當(dāng) 數(shù)據(jù)傳輸完畢后，A5191芯片會產(chǎn)生一個脈沖， 是單片機(jī)進(jìn)入外部中斷執(zhí)行命令分析任務(wù)。圖9 為智能積算儀的通訊程序流程圖。
4.結(jié)論
本文設(shè)計了渦輪流量計智能積算儀，以 MSP430單片機(jī)作為處理器，可用3.6V電池供 電，也可用24V電源供電，采用HART通訊協(xié) 議與電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，系統(tǒng)能夠?qū)崟r顯示瞬時 流量和累積流量，具有斷電數(shù)據(jù)自動保存和工作 電壓過低報警設(shè)計，4mA~20mA模擬電流輸出功 能，使用按鍵設(shè)置儀表系數(shù)，超低功耗設(shè)計以及本安防爆設(shè)計。儀器功能強(qiáng)大，具有廣闊的應(yīng)用 前景。
渦輪流量計智能積算儀的設(shè)計解決方案
