一种新型液体涡轮流量计的数字化设计由京仪股份为您整理，欢迎阅读了解。

涡轮流量计具有精度高、重复性好、测量范围广、结构紧凑等优点。然而，工业环境相对恶劣，干扰严重。此外，目前国内大量智能流量计采用传统的C51系列单片机。电路设计中需要扩展大量功能芯片，降低了抗干扰能力，影响了测量精度。

采用C8051F020单片机设计的智能涡轮流量计不仅保证了高脉冲测量和脉冲输出精度，而且满足了HART通信和4 ~ 20 ma输出的低功耗要求。HART协议是一种开放的通信协议，它在现有的模拟信号传输线上实现数字信号通信，并能处理远程传感器的高速信道。它已经在许多智能仪器中得到应用。

为满足用户需求，系统增加了HART模块，并设计了人机交互界面，用于现场显示、仪表系数和累计流量的存储以及键盘管理，完成液体瞬时和累计流量的测量和监控。

硬件设计

流量计由总线供电，即流量计表头的工作电流应从4 ~ 20mA总线截取，流量计表头的工作电流应小于4mA，否则仪表的零输出不能调整。功耗是流量计表头设计的难点之一。

解决这一问题的主要方法是用两个隔离的电源给表头供电，即采用DC/DC模块使两个电源在4 ~ 20mA总线上串联工作，DC/DC模块的隔离输出端分担部分用电负荷，以保证4 ~ 20mA总线回路的电流功耗小于3.5毫安。

这不仅解决了功耗问题，而且提高了流量计的工作稳定性。此外，表头选用低功耗核心元件，降低整机功耗。流量计表头设计的第二个难点是HART通信信号的稳定性和可靠性。

要解决这个问题，首先要提高CPU的运行速度，在功耗允许的情况下有效利用CPU的资源，从而提高软件的运行效率；其次，采用HART成熟的通信滤波电路，保证HART通信的稳定性、可靠性和抗干扰能力。

因此，中央处理器使用C8051F020。C8051F020系统功耗低，工作电压范围为2.7~3.6 V，具有多种节电和关机模式。C8051F020具有与高速流水线8051兼容的CIP-51内核(运行速度可达25 MIPS)。在相同条件下，C8051F020的运行速度比C51快20倍。此外，C8051F020具有SMBus(I2CTM兼容)、SPITM和两个可以同时使用的UART串行端口。SPI端口与外围设备之间的数据交换可以大大降低软件开销，提高CPU的工作效率。

另外，可以充分利用C8051F020丰富的片上资源，使整个流量计的表头电路更加简洁可靠。C8051F020内置一个12位快速模数转换器，具有可编程增益和可编程压摆率，可用于采集温度和压力信号。C8051F020还具有可编程16位计数器/定时器阵列，可用于输出等效脉冲。此外，它还具有64 kB闪存、4352B内存、片内JTAG调试和边界扫描，使得软件调试非常方便。

涡轮流量计主要包括核心控制装置C8051F020、流量脉冲信号采集模块、HART模块、脉冲输出模块、累计流量存储模块和显示及键盘处理模块。系统硬件设计框图如图1所示。

用于流量脉冲信号采集的涡轮流量传感器采用重庆内德工业有限公司自主研发的涡轮流量传感器，当液体流经传感器时，传感器产生脉冲信号。脉冲信号经信号调理电路放大整形后送到单片机的计数器T0端口。

T0被设置为脉冲下降沿计数模式，以对流量脉冲信号进行计数，16位定时器T3用于设置查询周期。一旦查询周期到达，系统将响应中断并读取T3中断内的T0计数值，从而计算瞬时流量、单个累积流量和总累积流量。

HART模块HART协议通信模块主要由HART调制解调器HT2012、数模转换器AD421及其外围电路实现。HARTMODEM采用符合Bell202标准的半双工调制解调器Smar HT2012，用于对HART协议规定的数字通信进行编码或解码。

该芯片是专门为HART仪器设计的。符合Bell202标准的调制器、解调器、时钟和定时电路以及检测控制电路集成在芯片上，性价比相对较高。AD421是一款单芯片高性能数模转换器，主要由稳压器、数模转换器和电流放大器组成。AD421由外部4 ~ 20ma环路主电源供电，为其他器件提供3.0V电源电压。AD421通过串行接口接收现场仪表中单片机传输的数字信号，并将其转换为4 ~ 20 ma电流。HT2012从VIN节点接收叠加在4 ~ 20mA环路上的信号，经过带通滤波和放大后进行载波检测。

如果检测到FSK FSK频移键控信号，IRXA节点上的1.2千赫信号被解调为“1”，IRXA节点上的2.2千赫信号被解调为“0”，该信号通过串行端口通信RXD0节点传输到C8051F020。C8051F020接收命令帧并进行相应的数据处理；C8051F020生成一个响应帧，然后发送回去。响应帧的数字信号由HT2012调制成相应的1.2千赫和2.2千赫的FSK频移键控信号，即从节点TXD0到节点OTXA的调制过程。在传输信号整形电路进行波形整形后，信号通过AD421叠加在节点X0的环路上进行传输。C8051F020外部连接一个1.8432兆赫兹的晶体振荡器，用作分频4后HART调制和解调的时钟信号源。该电路如图2所示。

脉冲输出模块脉冲输出模块主要由高速光耦隔离器和稳压电路组成。脉冲输出通过控制1.4端口的高低电平反转来实现。考虑到仪表的安全性，流量计的脉冲输出模块都需要隔离保护。该系统采用低功耗高速CMOS信号隔离器。AD421的输出电压用于向连接的单片机供电，用户检测端用于向用户供电。

由于用户通常提供DC12 V或DC24 V电源，稳压器Z1用于稳定5 V电压，以便向光耦合器的另一端供电。脉冲输出电路如图3所示。在图3中，VW+和VW-是用户提供的外部DC12 V或DC24 V电源输入端，Q1和Q2是三端。在脉冲输出过程中，当P1.4和P_OUT处于高电平时，Q1导通，Q2截止，节点脉冲输出处于高电平。当P1.4和P_OUT为低电平时，Q1关闭，Q2开启，节点脉冲输出为低电平。

累积流量存储为了存储累积流量、每个流量段的流量系数、脉冲输出等效系数、流量范围等重要数据，系统扩展了铁电存储器FM24CL16。FM24CL16的工作模式是基于I2C总线，它与C8051F020单片机硬件上的SMBus兼容。

显示和键盘处理模块的显示模块采用长沙太阳人有限公司生产的SMS2411液晶显示屏，首先行显示10位总累计流量，第二行显示6位单次累计流量和3位液体温度，第三行显示5位瞬时流量。

此外，显示模块还用于键盘设置期间的各种提示。键盘采用4个按键，直接连接到单片机的P3端口，采用查询方式。当按键被按下时，相应的功能被执行。键盘设置主要用于设置和查看每个流段的流量系数、脉冲输出当量和流量范围。

软件设计

该测量系统的软件开发平台采用KeiluVision3，编程采用C语言。单片机上电后，首先执行初始化，加载并中断HART协议，等待上位机的HART帧到达，读取铁电存储器的数据，按键执行键盘操作；如果没有按键，总累计流量、瞬时流量、单次累计流量和温度的显示将定期刷新。

定时查询流量值、脉冲输出和HART串口通信由中断触发，脉冲输出由工作在软件定时模式的PCA定时器实现。中断程序是整个系统软件设计的关键。设计中应注意两个问题:①各流量参数和组态脉冲输出的计算在定时器T3中断内完成，T3中断内的程序应尽可能简洁；②主成分分析定时器的中断应设置为高优先级。

HART通信协议采用问答方式，即上位机(主机)向下位机(从机)发送命令，下位机应答。当主机消息到达时，下层计算机响应串行端口中断，接收和发送数据。主循环程序还包括温度和压力检测、液晶显示、4 ~ 20 mA电流输出、累计流量写入铁电体等子程序模块。系统的主要功能流程如图4所示，脉冲采集和输出流程如图5所示。

测试结果表明，累计流量的基本误差限为0.2%，重复性小于0.06%。脉冲测量和脉冲输出精度高，可靠性好。另外，系统利用上位机软件与流量计HART通信，修改仪表系数和较大量程，证明了HART通信的正常可靠性。

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