智能金屬管浮子流量計設計分析

 流量計的硬件設計 智能金屬管浮子流量計的硬件采用模塊化設計，共分為傳感器 單元、微處理器單元、顯示單元、總線通信單元和供電單元等五個 模塊。硬件框圖如圖 1 所示。 基于 HART 協議的智能金屬管浮子流量計 路宗強 （承德石油高等專科學校 , 河北 承德 067000） 摘 要：介紹了智能金屬管浮子流量計的設計思路，以及系統硬件及軟件設計。該流量計由于采用了高性能微處理器，一方面將 HART 協議移 植到金屬管浮子流量計上實現總線通信，另一方面采用 Kalman 濾波方法，提高了流量計的精度。同時在產品的設計上采用模塊化設計降低了 系統的運行故障。經現場測試，流量計在組態、精度、可靠性等方面都達到了設計要求。 關鍵詞：HART 協議；智能金屬管浮子流量計；低功耗；Kalman 濾波 單元將從 HART 總線接收到的信號解調，然后將數字信號送給微 處理器單元。從而實現了智能金屬管浮子流量計和上位機之間的 雙向通信。 3 流量計的軟件設計 智能金屬管浮子流量計的軟件設計采用模塊化編程結構，主要 包括三個部分：輸入模塊、控制模塊、輸出模塊。所有程序代碼均 現場信號的檢測，由傳感器單元來完成，將磁鋼嵌在流量計的 浮子內部，霍爾元件固定在流量計外管壁，當流量改變時，浮子位 置改變，磁鋼的磁場隨之改變，霍爾元件輸出的電壓經放大調理后 送入微處理器單元。 微處理器單元的核心選用 TI 公司的 MSP430FE425，其運算速度 高、超低功耗的同時，內部集成了 AD 轉換器和 FLASH 存儲器，因 此可以有效地減少系統的配置，大大簡化了系統的硬件組成，提高 系統的運行的可靠性。微處理器單元接收傳感器單元的檢測信號， 經濾波、溫度補償后將現場實際流量值送至顯示單元顯示，同時經 總線通信單元、HART 總線送至上位機。 總線通信單元是 HART 協議物理層的硬件實現。一方面微處 理器單元送出的數字信號經調制解調器 HT2012 調制成 FSK 頻移 鍵控信號，疊加在環路上發送到 HART 總線。另一方面總線通信 采用 C 語言編寫。 輸 入 模 塊 主 要 包 括 數 據 采 集、 濾 波、 溫 度 補 償、非線性補償和數值計 算等，總體采用定時器中 斷方式，程序流程圖如圖 2 所示。輸入模塊中的非 線性補償程序采用分段線 性擬合的方式來實現。通 過 采 集 9 組 或 11 組 流 量 信號，作為擬合直線的端 點，當前采樣值按數據大 小得到擬合曲線段的斜率 和初始數據，代入擬合方 程即可得到修正后的流量 數據。 控 制 模 塊 包 括 鍵 盤 處 理程序和看門狗程序，鍵 盤處理功能是通過中斷方 式設置標志位在置入參數 子程序中實現的。智能金 屬管浮子流量計在通過總 線組網，實現上位機組態 調試的同時，通過鍵盤， 可以就地調試。 輸 出 模 塊 包 括 顯 示 程 序和通信中斷服務程序。 通信中斷服務程序流程圖 如圖 3 所示。 4 結論 在設 計 過 程 中， 我 們 一 方 面 采 用 了 高 性 能、 低 功 耗、 低 成 本的微處理器，在金屬管浮子流量計上實現了 HART 總線通信， 實現了上位機組態，連接圖如圖 4 所示。另一方面充分考慮智 能金屬管浮子流量計在現場工作時由于管道機械振動和磁場不 穩定的干擾，微處理器獲得的信號有噪音，采用數字信號處理 方法結合現代濾波技術，采用 Kalman 濾波方法，提高了流量 計的精度。同時由于采取了溫度補償措施，提高了流量計的抗