[ 摘 要 ] 電磁流量計(jì)智能積算儀以 MSP430 單片機(jī)作為處理器， 經(jīng)過運(yùn)算放大器對(duì)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(duì)輸入脈沖進(jìn)行相應(yīng)的處理和運(yùn)算并進(jìn)行實(shí)時(shí)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(jì)， 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)。

 

引言

        電磁流量計(jì)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 。 電磁流量計(jì)智能積算儀是用來處理和顯示電磁流量計(jì)發(fā)送的脈沖信號(hào)， 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(hào)遠(yuǎn)傳。當(dāng)前， 電磁流量計(jì)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。 電磁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(jì)

              本文研究了電磁流量計(jì)智能積算儀， 系統(tǒng)以德州儀器的 MSP430F149 單片機(jī)作為核心處理器，能夠通過液晶顯示屏實(shí)時(shí)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(shí)數(shù)據(jù)能夠瞬間保存， 工作電壓過低能夠觸發(fā)報(bào)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(jì)以及軟件編程，實(shí)現(xiàn)了電磁流量計(jì)智能積算儀的多功能化和低功耗化。

 

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 電源供電系統(tǒng)

              系統(tǒng)有兩個(gè)互不干擾的供電電路。 一個(gè)是使用 3.6V 電壓電池進(jìn)行供電， 另外一個(gè)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(shí)候， 整個(gè)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(shí)它能夠?qū)?shù)字信號(hào)十分精確的轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電流信號(hào)， 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(hào)的基礎(chǔ)上疊加不同的頻率信號(hào)， 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(shí)它的工作電流為140μA ， 打開背光后的工作電流為 92mA 。

 

2.4 斷電保護(hù)及低電壓報(bào)警系統(tǒng)

              系統(tǒng)斷電保護(hù)電路與低電壓報(bào)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)生一個(gè)脈沖信號(hào)， 并能短時(shí)間維持這個(gè)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(shí)的低電壓的報(bào)警功能， 跳變電壓為 2.93V ，當(dāng)它的供電電壓低于 2.93V 時(shí)， 產(chǎn)生一個(gè)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(bào)警燈亮起。

3 程序設(shè)計(jì)

              系統(tǒng)主程序采用瀑布式結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法， 程序中主要的功能函數(shù)為初始化程序、 實(shí)時(shí)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(duì)單片機(jī)的各個(gè)模塊進(jìn)行初始化， 其中包括系統(tǒng)時(shí)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(chǔ)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(gè)中斷源， 開啟外部中斷、 通訊中斷、 定時(shí)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(shí)器， 每間隔 2s 產(chǎn)生一次中斷。 主程序設(shè)計(jì)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)行電磁流量計(jì)的脈沖處理， 經(jīng)過和儀表系數(shù)的線性比對(duì)， 計(jì)算出當(dāng)前的瞬時(shí)流量， 并通過對(duì)時(shí)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最低水平。 使用定時(shí) / 比較器對(duì)電磁流量計(jì)傳送的脈沖進(jìn)行捕捉， 使用單片機(jī)內(nèi)設(shè)置的定器每間隔 2s 進(jìn)行一次計(jì)數(shù)，對(duì)所有前 2s 的收到的脈沖數(shù)進(jìn)行處理， 計(jì)算出瞬時(shí)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(shí)的瞬時(shí)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)， 這樣能夠使電磁流量計(jì)智能積算儀適用于不同的電磁流量計(jì)。HART 通訊程序的計(jì)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(huì)向下位機(jī)智能儀表請(qǐng)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)電磁流量計(jì)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(duì)應(yīng)的電平變化時(shí)， 會(huì)進(jìn)入通訊中斷程序， 把接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)， 當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸完畢后， A5191 芯片會(huì)產(chǎn)生一個(gè)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(jì) 了 渦 輪 流 量 計(jì) 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(shí)顯示瞬時(shí)流量和累積流量， 具有斷電數(shù)據(jù)自動(dòng)保存和工作電壓過低報(bào)警設(shè)計(jì)， 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(jì)以及本安防爆設(shè)計(jì)。 儀器功能強(qiáng)大， 具有廣闊的應(yīng)用前景。