摘要：設計了一種新型的基于C8051F020與HART總線(xiàn)的液體渦輪流量計，對硬件上的測量模塊、HART模塊、脈沖輸出模塊與軟件上的主函數、脈沖測量與輸出的流程圖作了詳細分析，并在柴油標準裝置上進(jìn)行了檢定。檢定結果證明，該設計是可行的，大大提高了流量脈沖采集與脈沖輸出的精度與可靠性，同時(shí)，HART通信正常、可靠性高。

智能渦輪流量計精度高、重復性好、測量范圍廣、結構緊湊，但工業(yè)現場(chǎng)的環(huán)境比較惡劣，干擾嚴重，并且存在斷電的危險，而國內現有的大量智能流量計的控制電路采用的是傳統的C51系列單片機，由于傳統C51單片機本身的局限，導致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；另一方面傳統C51單片機本身工作時(shí)的電流高達10～20mA/每秒百萬(wàn)條指令，需要外接電源供電，不適合工作在一些對可靠性要求比較高的場(chǎng)合， 再加上計算能力有限，導致現場(chǎng)總線(xiàn)通信時(shí)可靠性差。而國外現有的智能流量計精度與可靠性高，可價(jià)格非常昂貴。因此，為滿(mǎn)足國內市場(chǎng)對高精度與高可靠性、低價(jià)格渦輪流量計的需求，利用C8051F020設計了的一種新型液體渦輪流量計，硬件上主要由核心控制器件C8051F020、測量模塊、HART通信模塊、脈沖輸出模塊、鐵電存儲模塊、顯示與鍵盤(pán)處理模塊構成，軟件上主要有主函數、脈沖測量與輸出的流程圖，并在柴油標準裝置上對該設計進(jìn)行了檢定驗證。

1、硬件設計

采用總線(xiàn)供電，即流量計儀表表頭的工作電流要從4～20mA的總線(xiàn)上截??；儀表表頭的工作電流必須小于4mA，否則儀表的零點(diǎn)輸出就無(wú)法調整。流量計儀表表頭的設計難點(diǎn)之一在于功耗問(wèn)題，解決這一問(wèn)題的方法是表頭用2個(gè)隔離電源供電，2個(gè)電源在4～20mA的總線(xiàn)上串聯(lián)工作，把1個(gè)4mA變成2個(gè)4mA，這樣既解決了功耗問(wèn)題，也提高了流量計的工作穩定性。難點(diǎn)之二是流量計儀表表頭HART通訊信號的穩定性和可靠性問(wèn)題。要解決這一問(wèn)題，*先，在功耗允許的情況下提高M(jìn)CU的運行速度，有效利用MCU的資源提高軟件
的運行效率。因此，MCU選用C8051F020，它具有高速流水線(xiàn)結構的8051兼容的CIP-51內核，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有可同時(shí)使用的SM-Bus(I2CTM兼容)、SPITM及2個(gè)UART串口，這樣，C8051F020的串行外設接口SPI(serial peripheral in-terface，SPI)與外設交換數據能大大減少軟件開(kāi)銷(xiāo)，提高了MCU的工作效率。其次是，采用HART成熟的通訊濾波電路，它的穩定性、可靠性和抗干擾能力能得到保證。這種解決難點(diǎn)的思路對同類(lèi)儀表的設計具有指導意義。C8051F020還內含可編程增益、可編程轉換速率的12位快速A/D，還有64KByte Flash存儲器，4352(4K+256)Byte RAM，可編程的16位計數器/定時(shí)器陣列，有5個(gè)捕捉/比較模塊，片內JTAG調試和邊界掃描，片內資源豐富。C8051F020的工作電壓范圍為2.7～3.6V，多種節電和停機模式，系統功耗低。

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、顯示與鍵盤(pán)處理模塊，硬件總體框圖如圖1所示。

1.1流量脈沖信號采集

液體流過(guò)重慶耐德工業(yè)股份有限公司自制的渦輪流量傳感器產(chǎn)生脈沖信號，經(jīng)過(guò)信號調理電路的放大整形后，送到MCU的高優(yōu)先級計數器T0口。T0設置為脈沖下降沿計數方式，對流量脈沖信號計數。用16位定時(shí)器T3設定查詢(xún)周期，查詢(xún)周期到就響應中斷，在T3中斷內取出T0的計數值，從而計算出瞬時(shí)流量、單次累計流量和總累計流量。

1.2HART模塊

HART協(xié)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(shí)現。HART MODEM采用Smar公司的HT2012，是符合Bell202標準的半雙工調制解調器，實(shí)現HART協(xié)議規定的數字通信的編碼或譯碼。該芯片專(zhuān)為HART儀器設計，片內集成了符合Bell202標準的調制器、解調器、時(shí)鐘及定時(shí)電路、檢測控制電路，性?xún)r(jià)比較高。其中AD421通過(guò)串行接口接收現場(chǎng)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。HT2012則從VIN-節點(diǎn)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IRXA節點(diǎn)上的 1.2kHz的信號解調為‘1’，將IRXA節點(diǎn)上的2.2kHz信號解調為‘0 ’，并通過(guò)串口通信RXD0節點(diǎn)傳輸給C8051F020，C8051F020接收命令幀并作相應的數據處理。之后，C8051F020產(chǎn)生要發(fā)回的應答幀，應答幀的數字信號由HT2012調制成相應的1.2kHz和2.2kHz的頻移鍵控(FSK)信號，即節點(diǎn)TXD0到節點(diǎn)OTXA的調制過(guò)程，并經(jīng)過(guò)發(fā)送信號整形電路進(jìn)行波形整形后，經(jīng)AD421疊加在環(huán)路上發(fā)送。C8051F020外接1.8432MHz晶振，4分頻后作為HART調制解調的時(shí)鐘信號源，電路圖如圖2所示。

1.3脈沖輸出模塊

脈沖輸出模塊主要由高速光耦隔離器、穩壓電路構成。脈沖輸出是采用控制 P1.4口的高低電平翻轉來(lái)實(shí)現的?？紤]到儀表安全性，流量計的脈沖輸出模塊均需要隔離保護。選用功耗低的高速CMOS信號隔離器，一端由AD421的輸出電壓VCC 3V供電，另一端由用戶(hù)供電。用戶(hù)通常提供DC 12V或DC 24V電源，所以采用穩壓管Z1穩壓5V給光耦另一端供電，如圖3所示，其中VW+，VW-為用戶(hù)提供的外接DC 12V或DC 24V電源輸入端，Q1，Q2為三*管。脈沖輸出時(shí)，當P1.4為高電平，POUT為高電平，Q1導通，Q2截止，節點(diǎn)PLUSEO輸出高電平；當P1.4為低電平，POUT為低電平，Q1截止，Q2導通，節點(diǎn)PLUSEO輸出低電平。

1.4累計流量存儲

為了存儲累計流量、各個(gè)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，外擴了一個(gè)鐵電存儲器FM24CL16。FM24CL16的工作方式是I2C總線(xiàn)，與C8051F020硬件上SMBus是兼容的。

1.5顯示與鍵盤(pán)處理模塊

顯示采用長(cháng)沙太陽(yáng)人有限公司的SMS2807液晶，*1行顯示10位數的總累積流量，*2行顯示6位數的單次累積流量與3位數的液體溫度，*3行顯示5位數的瞬時(shí)流量。顯示模塊還用于在鍵盤(pán)設置時(shí)的各項提示。鍵盤(pán)采用4按鍵直接與單片機的P3口連接，采用查詢(xún)方式。當查詢(xún)到有鍵按下，則執行相應功能。鍵盤(pán)設置主要用于各個(gè)流量段的流量系數、脈沖輸出當量、流量量程的設置與查看。

2、軟件設計

采用Keil uVision3作為測量系統軟件的開(kāi)發(fā)平臺，采用C語(yǔ)言編程。單片機上電后，先執行初始化，加載HART協(xié)議并開(kāi)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(pán)操作; 如果沒(méi)有按鍵，則定時(shí)刷新總累積流量、瞬時(shí)流量、單次累計流量、溫度的顯示。定時(shí)查詢(xún)流量值、脈沖輸出和HART串口通信都由中斷觸發(fā)。脈沖輸出時(shí)I/O口電平的翻轉與延遲由PCA定時(shí)器來(lái)軟件定時(shí)實(shí)現。中斷程序在整個(gè)系統的軟件設計中較為關(guān)鍵，在設計中應注意2個(gè)問(wèn)題：

1)定時(shí)器T3中斷內提取計數器T0的流量脈沖信號的計數值，計算各流量參數并配置脈沖輸出，在程序編寫(xiě)時(shí)應盡量簡(jiǎn)潔；

2)PCA定時(shí)器的中斷要設置為高優(yōu)先級。

HART通信協(xié)議采用問(wèn)答式，即上位機(主機)向下位機發(fā)出命令，下位機(從機)回答。主機消息到來(lái)時(shí)，通過(guò)觸發(fā)串口中斷來(lái)接收和發(fā)送數據。主循環(huán)程序還包括檢測溫度并送LCD顯示的子程序模塊，4～20mA電流輸出子程序模塊，累計流量寫(xiě)鐵電子程序模塊等。系統主函數流程圖如圖4所示，脈沖采集、脈沖輸出流程圖如圖5所示。

3、檢定結果

根據渦輪流量傳感器的工作特性曲線(xiàn)，將流量測量范圍0～160m3/h平均分為5段，每一段選取一個(gè)檢定點(diǎn)，每個(gè)檢定點(diǎn)測試3次，分段修正儀表系數，用累計流量計算示值誤差，在耐德流量實(shí)驗室的基于標準法柴油標準裝置上進(jìn)行了檢定測試。由于檢定裝置的誤差不超出被檢流量計的基本誤差限的1/3就可忽略不計，故流量計基本誤差近似等于流量計示值誤差。使用累積流量計算示值誤差(基本誤差)的方法為

(1)式中：Eij為*i個(gè)檢定點(diǎn)*j次檢定被檢流量計的示值誤差百分數；Vij 為*i個(gè)檢定點(diǎn)*j次檢定時(shí)流量計顯示的累計流量值，單位為m3或L；(Vs)ij為*i個(gè)檢定點(diǎn)*j次檢定時(shí)標準裝置測得的累計流量值，單位為m3或L。

重復性誤差是根據基本誤差的測定結果，依(2)－(3)式按檢定點(diǎn)分別進(jìn)行計算

(2)－(3)式中：Ei為*i個(gè)檢定點(diǎn)n次檢定的平均誤差；Eimax為*i個(gè)檢定點(diǎn)n次檢定基本誤差中的*大值；Eimin為*i個(gè)檢定點(diǎn)n次檢定基本誤差中的*小值；(Er)i為*i檢定點(diǎn)累積流量重復性誤差；dn為*差法系數，n=3時(shí)按檢定規則取為1.69。

以L(fǎng)W-81為例，檢定實(shí)驗數據如表1所示。

測試結果表明，累積流量基本誤差限小于0.2%，重復性小于0.06%，重復性與基本誤差滿(mǎn)足0.2級的較高精度要求，證明對脈沖測量與脈沖輸出都具有較高的精度和可靠性。此外，還采用上位機軟件與流量計HART通信來(lái)修改儀表系數，證明了HART通信的正?？煽?。

4、結束語(yǔ)

本文給出了一種基于C8051F020單片機與HART總線(xiàn)的渦輪流量計的設計，硬件上采用C8051F020作為核心控制器件，采用高優(yōu)先級的計數器來(lái)采集脈沖，采用IO口電平翻轉來(lái)輸出脈沖，采用HT2012及附屬電路來(lái)實(shí)現HART通信；軟件上采用定時(shí)查詢(xún)計數器來(lái)刷新各流量參數，HART通信采用問(wèn)答式，脈沖輸出采用對可編程定時(shí)器陣列的控制來(lái)實(shí)現。*后，在柴油標準裝置上進(jìn)行了檢定驗證。結果表明，該流量計采用C8051F020為核心控制器件，使整個(gè)系統結構更加簡(jiǎn)潔可靠，大大提高了液體流量測量與脈沖輸出的精度和可靠性；同時(shí)，HART通信正?？煽?，便與上位機構成主從分布式網(wǎng)絡(luò )。