[ 摘 要 ] 電磁流量計智能積算儀以 MSP430 單片機作為處理器， 經過運算放大器對輸入脈沖進行整形濾波放大后輸入到單片機中， 由單片機對輸入脈沖進行相應的處理和運算并進行實時流量的顯示和數據信息的發送。 系統電路采用 24 V 和 3.6V 雙電源設計， 通過 HART 通信協議與上位機主機進行通訊， 從上位機可以讀取和置入參數。

 

引言

        電磁流量計具有測量準確、 測量范圍寬、技術成熟等優點， 被廣泛應用于工業生產中的流量測量 。 電磁流量計智能積算儀是用來處理和顯示電磁流量計發送的脈沖信號， 它能夠把測量的流速等信息直接顯示并轉化成數字信號遠傳。當前， 電磁流量計的測量精度已經能夠達到較高的水準， 智能積算儀部分也在逐步實現智能化和信息化。 電磁流量儀表也需要添加智能信息處理單元部分， 使生產過程的監控和檢測更加便捷、 高效和人性化。

 

1 功能設計

              本文研究了電磁流量計智能積算儀， 系統以德州儀器的 MSP430F149 單片機作為核心處理器，能夠通過液晶顯示屏實時顯示流速， 使用基于可尋址遠程傳感器高速通道的開放通信協議進行數據傳輸， 系統斷電時數據能夠瞬間保存， 工作電壓過低能夠觸發報警， 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。 通過合理科學的硬件設計以及軟件編程，實現了電磁流量計智能積算儀的多功能化和低功耗化。

 

2 硬件設計

2.1 電源供電系統

              系統有兩個互不干擾的供電電路。 一個是使用 3.6V 電壓電池進行供電， 另外一個是外接直流24V 電源供電。 當系統不需要進行數據通訊并且不需要 4~20mA 模擬電流輸出的時候， 整個智能積算儀能夠僅僅在 3.6V 電壓電池的供電下持續工作三年以上。 反之， 可以使用外接直流的 24V 電源供電， 通過 AD421 芯片進行電壓轉換， 同時它能夠將數字信號十分精確的轉換成相應的模擬電流信號， 產生 4~20mA 電流輸出。 電路原理圖如圖 1 所示。

2.2 通訊系統

              根據可尋址遠程傳感器高速通道的開放通信協議， 通訊系統用 AMI 公司生產的 A5191 芯片完成 HART 通訊。 HART 通訊是一種基于 FSK 頻移鍵控技術的通訊方式， 在模擬電流信號的基礎上疊加不同的頻率信號， 用頻率 1 200Hz 代表數字“ 1 ”， 頻率 2 200Hz 代表數字 “ 0 ”。 通訊方式外圍電路原理圖如圖 2 所示。

2.3 顯示系統

              系統顯示模 塊選用點陣 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， 內置了ST7565R 控制器， 能夠開啟或者關閉藍色背光。正常電壓為 3V~3.6V ， 無背光時它的工作電流為140μA ， 打開背光后的工作電流為 92mA 。

 

2.4 斷電保護及低電壓報警系統

              系統斷電保護電路與低電壓報警電路如圖 4 、圖 5 所示。 選用了 IMP809R 實現系統斷電之后的數據保護功能， 當電壓低于 2.63 V ， 它能夠產生一個脈沖信號， 并能短時間維持這個電壓， 讓單片機進行數據保存。 用 IMP809S 實現電池電量不足時的低電壓的報警功能， 跳變電壓為 2.93V ，當它的供電電壓低于 2.93V 時， 產生一個持續的脈沖給單片機， 單片機檢測到后即可讓低電壓報警燈亮起。

3 程序設計

              系統主程序采用瀑布式結構化程序設計方法， 程序中主要的功能函數為初始化程序、 實時顯示流量數據程序、 通訊程序以及其他的一些功能程序。

 

              智能積算儀上電之后， 對單片機的各個模塊進行初始化， 其中包括系統時鐘的配置， 判斷是否寫入過儀表系數， 看門狗的設置， ROM 存儲器中數據的讀取， 用于液晶顯示的 IO 口的程序，UART 通訊模塊的初始等。 初始化完成后設置各個中斷源， 開啟外部中斷、 通訊中斷、 定時器中斷等， 屏蔽一切不需要的中斷資源， 設置單片機內置的定時器， 每間隔 2s 產生一次中斷。 主程序設計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入主循環程序， 進行電磁流量計的脈沖處理， 經過和儀表系數的線性比對， 計算出當前的瞬時流量， 并通過對時間的累積。 系統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 / 比較器對電磁流量計傳送的脈沖進行捕捉， 使用單片機內設置的定器每間隔 2s 進行一次計數，對所有前 2s 的收到的脈沖數進行處理， 計算出瞬時流量和累積流量并顯示在液晶屏幕上。 顯示菜單默認顯示實時的瞬時流量和累積流量， 菜單按鈕按下后切換到儀表系數植入界面， 可以通過參數置入按鈕改變儀表系數， 這樣能夠使電磁流量計智能積算儀適用于不同的電磁流量計。HART 通訊程序的計算機顯示程序由 VB 語言編寫， 其人機交互界面如圖 8 所示。 每隔 1s 上位機軟件就會向下位機智能儀表請求一次數據，接收到后立即刷新界面數據， 通訊采用串口方式，速率為 1 200bps 。 下位機電磁流量計智能積算儀的通訊由單片機的通用串行異步收發器完成， 當通訊口檢測到線路上有對應的電平變化時， 會進入通訊中斷程序， 把接收到的數據進行存儲， 當數據傳輸完畢后， A5191 芯片會產生一個脈沖，是單片機進入外部中斷執行命令分析任務。 圖 9為智能積算儀的通訊程序流程圖。

 

4 結論

              本 文 設 計 了 渦 輪 流 量 計 智 能 積 算 儀 ， 以MSP430 單片機作 為處理器， 可 用 3.6V 電池供電， 也可用 24V 電源供電， 采用 HART 通訊協議與電腦進行數據交換， 系統能夠實時顯示瞬時流量和累積流量， 具有斷電數據自動保存和工作電壓過低報警設計， 4mA~20mA 模擬電流輸出功能， 使用按鍵設置儀表系數， 超低功耗設計以及本安防爆設計。 儀器功能強大， 具有廣闊的應用前景。