基于HART總線的渦輪流量計(jì)

0　引言

    渦輪流量計(jì)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(yán)重，而且存在著斷電的危險(xiǎn)，所以常規(guī)的渦輪流量計(jì)精度擺動不定，誤差較大。而利用MSP430F147單片機(jī)設(shè)計(jì)的智能型渦輪流量計(jì)，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(xié)議是可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道的開放通信協(xié)議，其特點(diǎn)是在現(xiàn)有模擬信號傳輸線上實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號通信，已在很多智能儀表中得到了應(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)場顯示、累計(jì)流量存儲、鍵盤管理的人機(jī)交互界面，以完成對流體瞬時(shí)流量的計(jì)量和監(jiān)控。

    1　工作原理

    當(dāng)被測氣體流入流量計(jì)時(shí)，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(chǎn)生的作用力驅(qū)動流量計(jì)渦輪旋轉(zhuǎn)，渦輪的理論旋轉(zhuǎn)速度與流量成正比。通過測量渦輪的轉(zhuǎn)速可以從計(jì)數(shù)器讀取工況流量。

    1.1　一般情況

    在一般情況下，渦輪流量計(jì)系數(shù)K決定了流量和頻率的關(guān)系，在不考慮溫度修正時(shí)：

    式中：N為流量計(jì)測得的脈沖數(shù)；V為同一時(shí)間測得的液體體積。

    1.2　工業(yè)情況

    在充分考慮工業(yè)液體的密度和溫度的影響時(shí)，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(shù)；α2為傳感器葉輪的線膨脹系數(shù)。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(shù)和標(biāo)準(zhǔn)條件下的傳感器系數(shù)，求出液體流經(jīng)傳感器處的體積V1，然后算出傳感器對應(yīng)的流體的密度ρt，再利用M=ρ₁V₁計(jì)算出流體的質(zhì)量。

    2　硬件設(shè)計(jì)

    硬件設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

    單片機(jī)選用具有超低功耗的16位單片機(jī)MSP430F147，內(nèi)含12位快速A/D，32K字節(jié)FlashROM，1K字節(jié)RAM，片內(nèi)資源豐富。該單片機(jī)的工作電壓范圍為118～316V，系統(tǒng)功耗極低，特別適合用在干電池供電的儀表。

    2.1　數(shù)據(jù)采集部分

    流量信號檢測采用研制的渦輪流量計(jì)，測量時(shí)利用霍爾傳感器將流量轉(zhuǎn)換成脈沖信號并發(fā)送到單片機(jī)的P1.6口，使用中斷方式對脈沖計(jì)數(shù)。

    由于實(shí)際使用中被測流體密度和操作狀態(tài)的改變，必須對檢測到的流量進(jìn)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(jié)果以9位數(shù)字量方式串行傳送。壓力傳感器采用154N型擴(kuò)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?qū)崿F(xiàn)零位校準(zhǔn)和溫度補(bǔ)償。

    2.2　累計(jì)存儲

    為了保存累計(jì)流量，單片機(jī)的P3口外擴(kuò)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(jī)沒有I2C，因此在設(shè)計(jì)時(shí)采用單片機(jī)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(shí)現(xiàn)與24LC02B進(jìn)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(shí)現(xiàn)濾波，以減小輸入端受到的干擾。

圖2 24LC02B與單片機(jī)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(jī)的P2口連接。在按鍵按下后，根據(jù)不同按鍵進(jìn)行相應(yīng)的處理。按鍵使用外部中斷，在中斷服務(wù)程序中執(zhí)行相應(yīng)功能，以節(jié)約單片機(jī)資源。顯示模塊用來顯示測量的數(shù)據(jù)和系統(tǒng)設(shè)置的提示，在單片機(jī)內(nèi)部RAM區(qū)中開辟出一段顯示緩沖區(qū)，該模塊將緩沖區(qū)的內(nèi)容顯示到LCD面板上。

    3　HART模塊

    流量計(jì)除了具有RS-485通信功能以外，還嵌入了HART總線接口技術(shù)，進(jìn)一步提高了通信的距離，實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜、的控制。

    如圖3所示，HART協(xié)議通信模塊主要由HART調(diào)制解調(diào)器A5191HRT和D/A轉(zhuǎn)換器AD421及其外圍電路實(shí)現(xiàn)。其中AD421通過串行接口接收現(xiàn)場儀表內(nèi)部MCU傳送的數(shù)字信號，轉(zhuǎn)換成4～20mA電流輸出，輸出主要的測量結(jié)果。A5191HRT則接收疊加在4～20mA環(huán)路上的信號，對其帶通濾波和放大之后進(jìn)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(diào)為“1”，2.2kHz信號解調(diào)為“0”，并通過串口通信傳輸給MSP430F147，MSP430F147接收命令幀并作相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。之后，MSP430F147產(chǎn)生要發(fā)回的應(yīng)答幀，應(yīng)答幀的數(shù)字信號由A5191HRT調(diào)制成相應(yīng)的1.2kHz和2.2kHz的FSK頻移鍵控信號，并經(jīng)過發(fā)送信號整型電路進(jìn)行波形整形后，經(jīng)AD421疊加在環(huán)路上發(fā)送。

圖3 HART通信模塊結(jié)構(gòu)圖

    設(shè)計(jì)中當(dāng)A5191HRT接收時(shí)，從4～20mA環(huán)路上接收信號，經(jīng)過帶通濾波、放大整形后提取出FSK信號并解調(diào)為數(shù)字信號，傳送給MSP 430F147；發(fā)送時(shí)，從MSP430F147接收數(shù)據(jù)，進(jìn)行調(diào)制和波形整形后耦合到AD421內(nèi)部，通過AD421疊加到環(huán)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(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。電壓調(diào)整器由運(yùn)放、帶隙基準(zhǔn)和外接FET調(diào)整管組成，能夠從環(huán)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(shù)模轉(zhuǎn)換器采用∑-ΔDAC結(jié)構(gòu)，將16位數(shù)字碼轉(zhuǎn)換為4～20mA模擬電流。數(shù)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(fā)模塊UART的接口信號包括載波檢測OCD、HART解調(diào)輸出ORXD、來自UART的HART調(diào)制輸入ITXD和請求發(fā)送INRTS；LOOP+為4～20mA環(huán)路輸入，經(jīng)過外部電阻電容和A5191HRT內(nèi)部電路完成接收信號的帶通濾波和放大，用于解調(diào)；調(diào)制好的數(shù)據(jù)經(jīng)過內(nèi)部整形電路處理后由管腳OTXA輸出，通過電容耦合到AD421內(nèi)部，然后疊加到環(huán)路上傳輸；HART調(diào)制解調(diào)的時(shí)鐘信號源于外接的460.8kHz晶體產(chǎn)生的振蕩。其中LOOP+和LOOP-分別是電流環(huán)路的兩個端口；從MSP430F147輸入DAC的數(shù)字碼是通過三線接口實(shí)現(xiàn)的，分別是時(shí)鐘線CLOCK、數(shù)據(jù)線DATA和鎖存線LATCH。

    4　軟件實(shí)現(xiàn)

    測量系統(tǒng)軟件采用IAREmbeddedWorkbench作為終端軟件的開發(fā)平臺，編程語言采用C430。為了充分利用MSP430F147低功耗模式的特點(diǎn)，在完成系統(tǒng)初始化之后馬上進(jìn)入低功耗模式LPM3，通過中斷喚醒CPU，執(zhí)行相應(yīng)功能模塊，中斷完成后恢復(fù)低功耗模式。系統(tǒng)程序流程圖如圖5所示。

圖5 程序流程圖

    系統(tǒng)用到的中斷包括：外部中斷（脈沖采集和鍵盤）、定時(shí)中斷和串口通信中斷。由于多個中斷的同時(shí)存在，除定時(shí)中斷外，其他中斷遠(yuǎn)的到來時(shí)間具有不可預(yù)測性，為保證脈沖采集中斷的zui高優(yōu)先級，在定時(shí)中斷執(zhí)行完成后，通過保存狀態(tài)寄存器的值迫使單片機(jī)仍然保持Active狀態(tài)，進(jìn)入以回到低功耗模式為結(jié)尾的主循環(huán)中。主循環(huán)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(shí)流量計(jì)算并送LCD的子程序，時(shí)間顯示子程序模塊，歷史數(shù)據(jù)保存子程序模塊等。

    5 結(jié)束語

    該流量計(jì)可靈活、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(tǒng)，使外圍所要添加的器件更少，使整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(jié)果通過HART總線與上位機(jī)構(gòu)成主從分布式網(wǎng)絡(luò)。通過試驗(yàn)，在正常工作狀態(tài)下，系統(tǒng)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(shí)用的智能化儀表。