0 引言
渦輪流量計精度高，測量范圍廣，惰性小，但測量信號易受到各種外界因素的影響，干擾嚴重，而且存在著(zhù)斷電的危險，所以常規的渦輪流量計精度擺動(dòng)不定，誤差較大。而利用MSP430F147單片機設計的智能型渦輪流量計，不但保證了測量精度，而且利用其超低功耗的特性，極大地延長(cháng)電池的使用壽命。HART協(xié)議是可尋址遠程傳感器高速通道的開(kāi)放通信協(xié)議，其特點(diǎn)是在現有模擬信號傳輸線(xiàn)上實(shí)現數字信號通信，已在很多智能儀表中得到了應用。為滿(mǎn)足用戶(hù)的使用需要，系統增加了HART模塊，并設計了現場(chǎng)顯示、累計流量存儲、鍵盤(pán)管理的人機交互界面，以完成對流體瞬時(shí)流量的計量和監控。
1 工作原理
當被測氣體流入流量計時(shí)，首先在整流器作用下得到整流并加速。由于渦輪葉片與氣體流向成一定角度，流體產(chǎn)生的作用力驅動(dòng)流量計渦輪旋轉，渦輪的理論旋轉速度與流量成正比。通過(guò)測量渦輪的轉速可以從計數器讀取工況流量。
1.1 一般情況
在一般情況下，渦輪流量計系數K決定了流量和頻率的關(guān)系，在不考慮溫度修正時(shí)：
式中：N為流量計測得的脈沖數；V為同一時(shí)間測得的液體體積。
1.2 工業(yè)情況
在充分考慮工業(yè)液體的密度和溫度的影響時(shí)，傳感器處的體積單量值可修正為
式中：t為傳感器處的溫度；α1為傳感器殼體的線(xiàn)膨脹系數；α2為傳感器葉輪的線(xiàn)膨脹系數。通過(guò)對傳感器處的物理尺寸所做的溫度修正，便可以由脈沖的個(gè)數和標準條件下的傳感器系數，求出液體流經(jīng)傳感器處的體積V1，然后算出傳感器對應的流體的密度ρt，再利用M=ρ1V1計算出流體的質(zhì)量。
2 硬件設計
硬件設計如圖1所示。
圖1 系統硬件框圖
單片機選用具有超低功耗的16位單片機MSP430F147，內含12位快速A/D，32K字節FlashROM，1K字節RAM，片內資源豐富。該單片機的工作電壓范圍為118～316V，系統功耗極低，特別適合用在干電池供電的儀表。
2.1 數據采集部分
流量信號檢測采用研制的渦輪流量計，測量時(shí)利用霍爾傳感器將流量轉換成脈沖信號并發(fā)送到單片機的P1.6口，使用中斷方式對脈沖計數。
由于實(shí)際使用中被測流體密度和操作狀態(tài)的改變，必須對檢測到的流量進(jìn)行修正。溫度傳感器選用DS18B20，量程范圍較寬（-55～125℃），使用中不需要任何外圍器件，測量結果以9位數字量方式串行傳送。壓力傳感器采用154N型擴散硅壓力傳感器，測量精度為011%，具有較好的線(xiàn)性度和低功耗特性，能夠實(shí)現零位校準和溫度補償。
2.2 累計存儲
為了保存累計流量，單片機的P3口外擴了一個(gè)EEPROM 24LC02B，如圖2所示。由于24LC02B是I2C總線(xiàn)工作方式，而MSP430F147單片機沒(méi)有I2C，因此在設計時(shí)采用單片機的一般I/O口P515和P516分別作為I2C總線(xiàn)的SCL和SDA線(xiàn)，采用軟件來(lái)模擬I2C總線(xiàn)，從而實(shí)現與24LC02B進(jìn)行接口。此外為了減小電源的干擾，還需要在24LC02B芯片的電源輸入管腳加一個(gè)011μF的電容來(lái)實(shí)現濾波，以減小輸入端受到的干擾。
圖2 24LC02B與單片機的連接
2.3 顯示與鍵盤(pán)處理模塊
鍵盤(pán)采用5按鍵直接與單片機的P2口連接。在按鍵按下后，根據不同按鍵進(jìn)行相應的處理。按鍵使用外部中斷，在中斷服務(wù)程序中執行相應功能，以節約單片機資源。顯示模塊用來(lái)顯示測量的數據和系統設置的提示，在單片機內部RAM區中開(kāi)辟出一段顯示緩沖區，該模塊將緩沖區的內容顯示到LCD面板上。
3 HART模塊
流量計除了具有RS-485通信功能以外，還嵌入了HART總線(xiàn)接口技術(shù)，進(jìn)一步提高了通信的距離，實(shí)現更復雜、的控制。
如圖3所示，HART協(xié)議通信模塊主要由HART調制解調器A5191HRT和D/A轉換器AD421及其外圍電路實(shí)現。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。A5191HRT則接收疊加在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1.2kHz的信號解調為“1”，2.2kHz信號解調為“0”，并通過(guò)串口通信傳輸給MSP430F147，MSP430F147接收命令幀并作相應的數據處理。之后，MSP430F147產(chǎn)生要發(fā)回的應答幀，應答幀的數字信號由A5191HRT調制成相應的1.2kHz和2.2kHz的FSK頻移鍵控信號，并經(jīng)過(guò)發(fā)送信號整型電路進(jìn)行波形整形后，經(jīng)AD421疊加在環(huán)路上發(fā)送。
圖3 HART通信模塊結構圖
設計中當A5191HRT接收時(shí)，從4～20mA環(huán)路上接收信號，經(jīng)過(guò)帶通濾波、放大整形后提取出FSK信號并解調為數字信號，傳送給MSP 430F147；發(fā)送時(shí)，從MSP430F147接收數據，進(jìn)行調制和波形整形后耦合到AD421內部，通過(guò)AD421疊加到環(huán)路上。A5191HRT和MSP 430F147通過(guò)后者的通用串行通信接口連接。電路圖如圖4所示。
圖4 HART通信模塊電路圖
AD421是單片高性能數模轉換器，主要由電壓調整器、數模轉換器和電流放大器組成。電壓調整器由運放、帶隙基準和外接FET調整管組成，能夠從環(huán)路中獲取電流，為AD421和其他器件提供3.0V、3.3V或5.0V的供電電壓。數模轉換器采用∑-ΔDAC結構，將16位數字碼轉換為4～20mA模擬電流。數字碼是通過(guò)和MSP430F147的三線(xiàn)接口CLOCK、DATA、LATCH從MSP430F147串行輸入。
其中，與MSP430的通用串行收發(fā)模塊UART的接口信號包括載波檢測OCD、HART解調輸出ORXD、來(lái)自UART的HART調制輸入ITXD和請求發(fā)送INRTS；LOOP+為4～20mA環(huán)路輸入，經(jīng)過(guò)外部電阻電容和A5191HRT內部電路完成接收信號的帶通濾波和放大，用于解調；調制好的數據經(jīng)過(guò)內部整形電路處理后由管腳OTXA輸出，通過(guò)電容耦合到AD421內部，然后疊加到環(huán)路上傳輸；HART調制解調的時(shí)鐘信號源于外接的460.8kHz晶體產(chǎn)生的振蕩。其中LOOP+和LOOP-分別是電流環(huán)路的兩個(gè)端口；從MSP430F147輸入DAC的數字碼是通過(guò)三線(xiàn)接口實(shí)現的，分別是時(shí)鐘線(xiàn)CLOCK、數據線(xiàn)DATA和鎖存線(xiàn)LATCH。
4 軟件實(shí)現
測量系統軟件采用IAREmbeddedWorkbench作為終端軟件的開(kāi)發(fā)平臺，編程語(yǔ)言采用C430。為了充分利用MSP430F147低功耗模式的特點(diǎn)，在完成系統初始化之后馬上進(jìn)入低功耗模式LPM3，通過(guò)中斷喚醒CPU，執行相應功能模塊，中斷完成后恢復低功耗模式。系統程序流程圖如圖5所示。
圖5 程序流程圖
系統用到的中斷包括：外部中斷（脈沖采集和鍵盤(pán)）、定時(shí)中斷和串口通信中斷。由于多個(gè)中斷的同時(shí)存在，除定時(shí)中斷外，其他中斷遠的到來(lái)時(shí)間具有不可預測性，為保證脈沖采集中斷的zui高優(yōu)先級，在定時(shí)中斷執行完成后，通過(guò)保存狀態(tài)寄存器的值迫使單片機仍然保持Active狀態(tài)，進(jìn)入以回到低功耗模式為結尾的主循環(huán)中。主循環(huán)程序包括檢測溫度、壓力、電量并送LCD的子程序模塊，累積流量、瞬時(shí)流量計算并送LCD的子程序，時(shí)間顯示子程序模塊，歷史數據保存子程序模塊等。
5 結束語(yǔ)
該流量計可靈活、地測量各種液體和氣體的溫度、壓力、流量以及積算流量，特別是它采用了MSP430F147完成了整套測量系統，使外圍所要添加的器件更少，使整個(gè)系統結構更加簡(jiǎn)潔可靠，也更方便了軟件的升級與更新。HART模塊能將結果通過(guò)HART總線(xiàn)與上位機構成主從分布式網(wǎng)絡(luò )。通過(guò)試驗，在正常工作狀態(tài)下，系統整體工作電流維持在250μA以下，用16Ah的Li電池能工作5年以上，是非常實(shí)用的智能化儀表。
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