电磁流量计配套的流量积算仪的单片机设计

[ 摘 要 ] 电磁流量计智能积算仪以 MSP430 单片机作为处理器， 经过运算放大器对输入脉冲进行整形滤波放大后输入到单片机中， 由单片机对输入脉冲进行相应的处理和运算并进行实时流量的显示和数据信息的发送。 系统电路采用 24 V 和 3.6V 双电源设计， 通过 HART 通信协议与上位机主机进行通讯， 从上位机可以读取和置入参数。

引言

        电磁流量计具有测量准确、 测量范围宽、技术成熟等优点， 被广泛应用于工业生产中的流量测量 。 电磁流量计智能积算仪是用来处理和显示电磁流量计发送的脉冲信号， 它能够把测量的流速等信息直接显示并转化成数字信号远传。当前， 电磁流量计的测量精度已经能够达到较高的水准， 智能积算仪部分也在逐步实现智能化和信息化。 电磁流量仪表也需要添加智能信息处理单元部分， 使生产过程的监控和检测更加便捷、 高效和人性化。

1 功能设计

              本文研究了电磁流量计智能积算仪， 系统以德州仪器的 MSP430F149 单片机作为核心处理器，能够通过液晶显示屏实时显示流速， 使用基于可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议进行数据传输， 系统断电时数据能够瞬间保存， 工作电压过低能够触发报警， 采用 4mA~20mA 模拟电流输出表示流量的大小， 用户通过按键可置入仪表系数。 通过合理科学的硬件设计以及软件编程，实现了电磁流量计智能积算仪的多功能化和低功耗化。

2 硬件设计

2.1 电源供电系统

              系统有两个互不干扰的供电电路。 一个是使用 3.6V 电压电池进行供电， 另外一个是外接直流24V 电源供电。 当系统不需要进行数据通讯并且不需要 4~20mA 模拟电流输出的时候， 整个智能积算仪能够仅仅在 3.6V 电压电池的供电下持续工作三年以上。 反之， 可以使用外接直流的 24V 电源供电， 通过 AD421 芯片进行电压转换， 同时它能够将数字信号十分精确的转换成相应的模拟电流信号， 产生 4~20mA 电流输出。 电路原理图如图 1 所示。

2.2 通讯系统

              根据可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议， 通讯系统用 AMI 公司生产的 A5191 芯片完成 HART 通讯。 HART 通讯是一种基于 FSK 频移键控技术的通讯方式， 在模拟电流信号的基础上叠加不同的频率信号， 用频率 1 200Hz 代表数字“ 1 ”， 频率 2 200Hz 代表数字 “ 0 ”。 通讯方式外围电路原理图如图 2 所示。

2.3 显示系统

              系统显示模 块选用点阵 式液晶 DCG13232 ，电路如图 3 所示。 它能够显示各种汉字和图形，能够选择工作在串行模式或者并行模式， 内置了ST7565R 控制器， 能够开启或者关闭蓝色背光。正常电压为 3V~3.6V ， 无背光时它的工作电流为140μA ， 打开背光后的工作电流为 92mA 。

2.4 断电保护及低电压报警系统

              系统断电保护电路与低电压报警电路如图 4 、图 5 所示。 选用了 IMP809R 实现系统断电之后的数据保护功能， 当电压低于 2.63 V ， 它能够产生一个脉冲信号， 并能短时间维持这个电压， 让单片机进行数据保存。 用 IMP809S 实现电池电量不足时的低电压的报警功能， 跳变电压为 2.93V ，当它的供电电压低于 2.93V 时， 产生一个持续的脉冲给单片机， 单片机检测到后即可让低电压报警灯亮起。

3 程序设计

              系统主程序采用瀑布式结构化程序设计方法， 程序中主要的功能函数为初始化程序、 实时显示流量数据程序、 通讯程序以及其他的一些功能程序。

              智能积算仪上电之后， 对单片机的各个模块进行初始化， 其中包括系统时钟的配置， 判断是否写入过仪表系数， 看门狗的设置， ROM 存储器中数据的读取， 用于液晶显示的 IO 口的程序，UART 通讯模块的初始等。 初始化完成后设置各个中断源， 开启外部中断、 通讯中断、 定时器中断等， 屏蔽一切不需要的中断资源， 设置单片机内置的定时器， 每间隔 2s 产生一次中断。 主程序设计流程图与程序初始化流程图见图 6 、 图 7 。

              完成初始化后程序进入主循环程序， 进行电磁流量计的脉冲处理， 经过和仪表系数的线性比对， 计算出当前的瞬时流量， 并通过对时间的累积。 系统整体处理事件都是基于中断， 在电池供电的情况下将电路的能耗降到**低水平。 使用定时 / 比较器对电磁流量计传送的脉冲进行捕捉， 使用单片机内设置的定器每间隔 2s 进行一次计数，对所有前 2s 的收到的脉冲数进行处理， 计算出瞬时流量和累积流量并显示在液晶屏幕上。 显示菜单默认显示实时的瞬时流量和累积流量， 菜单按钮按下后切换到仪表系数植入界面， 可以通过参数置入按钮改变仪表系数， 这样能够使电磁流量计智能积算仪适用于不同的电磁流量计。HART 通讯程序的计算机显示程序由 VB 语言编写， 其人机交互界面如图 8 所示。 每隔 1s 上位机软件就会向下位机智能仪表请求一次数据，接收到后立即刷新界面数据， 通讯采用串口方式，速率为 1 200bps 。 下位机电磁流量计智能积算仪的通讯由单片机的通用串行异步收发器完成， 当通讯口检测到线路上有对应的电平变化时， 会进入通讯中断程序， 把接收到的数据进行存储， 当数据传输完毕后， A5191 芯片会产生一个脉冲，是单片机进入外部中断执行命令分析任务。 图 9为智能积算仪的通讯程序流程图。

4 结论

              本 文 设 计 了 涡 轮 流 量 计 智 能 积 算 仪 ， 以MSP430 单片机作 为处理器， 可 用 3.6V 电池供电， 也可用 24V 电源供电， 采用 HART 通讯协议与电脑进行数据交换， 系统能够实时显示瞬时流量和累积流量， 具有断电数据自动保存和工作电压过低报警设计， 4mA~20mA 模拟电流输出功能， 使用按键设置仪表系数， 超低功耗设计以及本安防爆设计。 仪器功能强大， 具有 广阔的应用前景。