液体涡轮流量计 一款新型液体涡轮流量计的数采设计
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涡轮流量计具有精度高、重复性好、测量范围宽、结构紧凑等优点，但工业现场环境恶劣，干扰严重。此外，我国现有的智能流量计大量使用传统的C51系列单片机，电路设计中需要扩展大量的功能芯片，降低了抗干扰能力，影响了测量精度。采用C8051F020设计的智能涡轮流量计，既保证了高脉冲测量和脉冲输出精度，又满足了HART通信和4 ~ 20 mA输出的低功耗要求。HART协议是一种用于远程传感器高速通道寻址的开放式通信协议，它在现有的模拟信号传输线上实现数字信号通信，已经在许多智能仪器中得到应用。为了满足用户的需求，系统增加了HART模块，设计了现场显示、仪表系数和累计流量存储、键盘管理的人机界面，对液体的瞬时流量和累计流量进行测量和监控。
硬件设计
流量计采用总线供电，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必须小于4mA，否则仪表的零输出无法调整。功耗是表头设计的难点之一。解决这个问题的主要方法是使用两个隔离的电源为表头供电，即使用DC/DC模块使两个电源在4 ~ 20 mA总线上串联工作，DC/DC模块的隔离输出端分担部分功耗负载，保证4 ~ 20 mA总线回路上的电流消耗小于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部件，降低整机功耗。流量计表头设计的第二个难点是流量计表头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，有效利用CPU资源，从而提高软件的运行效率；其次，采用了成熟的HART通信滤波电路，保证了HART通信的稳定性、可靠性和抗干扰能力。因此选择C8051F020作为CPU。C8051F020系统功耗低，工作电压范围2.7~3.6 V，多种省电和关机模式；C8051F020具有与高速流水线结构8051兼容的CIP-51内核(运行速度可达25 MIPS)，在同等条件下，C8051F020的运行速度比C51快20倍；另外，C8051F020有SMBus(I2CTM兼容)、SPITM和两个UART串口可以同时使用，其SPI口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，使整个表头电路更加简洁可靠。C8051F020内置12位快速A/D，增益可编程，转换速率可编程，可用于采集温度和压力信号；C8051F020还有可编程16位计数器/定时器阵列，可用于等效脉冲输出；此外，它还有64 kB闪存、4352B RAM、片内JTAG调试和边界扫描，使得软件调试非常方便。
【液体涡轮流量计 一款新型液体涡轮流量计的数采设计】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、累计流量存储模块以及显示和键盘处理模块。系统硬件设计框图如图1所示。
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用于流量脉冲信号采集的涡轮流量传感器采用重庆耐德实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，传感器会产生脉冲信号。脉冲信号经信号调理电路放大整形后送到单片机计数器的T0端口。T0设置为脉冲下降沿计数模式，对流量脉冲信号进行计数，采用16位定时器T3设置查询周期。查询周期一到达，系统就响应中断，读取T3中断内T0的计数值，从而计算瞬时流量、单次累计流量和总累计流量。
HART模块HART协议通信模块主要由HART调制解调器HT2012、D/A转换器AD421及其外围电路实现。HARTMODEM采用Smar公司的HT2012，是符合Bell202标准的半双工调制解调器，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，集成了符合Bell202标准的调制器、解调器、时钟和定时电路、检测和控制电路，性价比高。AD421是一款单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，为其他设备提供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。在HT2012中，从VIN- node接收叠加在4 ~ 20 mA环路上的信号，然后经过带通滤波放大后检测载波。如果检测到FSK频移键控信号，IRXA节点上的1.2 kHz信号解调为‘1’，IRXA节点上的2.2 kHz信号解调为‘0’，通过串行通信RXD0节点传输到C8051F020。C8051F020接收命令帧并处理相应的数据；C8051F020生成待回传的应答帧，应答帧的数字信号由HT2012调制成对应的1.2kHz和2.2 khz FSK频移键控信号，即从节点TXD0到节点OTXA的调制过程，经传输信号整形电路波形整形后，经AD421叠加在节点X0的环路上进行传输。C8051F020外接1.8432MHz晶振，4分频后作为HART调制解调的时钟信号源。电路如图2所示。
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