多功能體積修正儀的研制

林新霞 章圣意 殷興景 黃象克

(浙江蒼南儀表廠，浙江 溫州 325800)

多功能體積修正儀的研制

林新霞 章圣意 殷興景 黃象克

(浙江蒼南儀表廠，浙江 溫州 325800)

為滿足工業(yè)現(xiàn)場對能源計(jì)量的多種要求，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場流量測量的準(zhǔn)確性、科學(xué)性，研制了一款多功能體積修正儀。該修正儀采用微功耗、功能強(qiáng)大的處理器，高速模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片以及合理化軟件設(shè)計(jì)，提高了流量測量的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確度。同時(shí)，鋪以短距離無線通信、遠(yuǎn)距離通信、高效率電源等技術(shù)，使得流量計(jì)量更準(zhǔn)確、更科學(xué)。實(shí)際應(yīng)用表明，該款多功能體積修正儀功能齊全、性能優(yōu)越，具有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

MSP430F5438 修正儀 無線通信 低功耗 流量計(jì)量 模擬信號

0 引言

隨著能源計(jì)量網(wǎng)絡(luò)的不斷完善和發(fā)展，對流量計(jì)量多樣化提出了新的要求。為了滿足現(xiàn)場不同類型流量信號的采集和計(jì)量，需要配備性能優(yōu)越并符合智能化、網(wǎng)絡(luò)化要求的智能積算儀，以組成完善的流量計(jì)量系統(tǒng)。

本文所述多功能體積修正儀(以下簡稱修正儀)由溫度、壓力檢測通道、流量檢測通道以及微處理單元、液晶驅(qū)動電路和其他輔助電路組成［1］。從各傳感器送來的信號，經(jīng)轉(zhuǎn)換處理后由微處理器按照各自的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)就地顯示數(shù)值和多種信號遠(yuǎn)傳，并同流量基表組成完善的流量計(jì)量儀表。

1 系統(tǒng)功能需求和設(shè)計(jì)思想

修正儀由3.6 V鋰電池供電，平均功耗小于1.5 mW，8～30 V外電源供電，整機(jī)功耗小于1 W，并隔離處理。當(dāng)接入外電源時(shí)內(nèi)電源自動切換，以延長電池使用壽命。修正儀系統(tǒng)功能需求描述如下。

①能采集并配置高或低頻脈沖流量信號、阻值或4～20 mA電流溫度信號、電壓或4～20 mA電流壓力信號，滿足不同類型的傳感器信號采集。

②能采集燃?xì)鈭?bào)警器等類型的報(bào)警信號并進(jìn)行存儲記錄。

③溫度壓力采集間隔時(shí)間可設(shè)置，在休眠狀態(tài)下溫度壓力可檢測顯示且間隔時(shí)間可設(shè)置。

④可設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下溫度、壓力值。

⑤可記錄流量啟停、流量高低報(bào)警、溫度壓力高低報(bào)警、電池電壓報(bào)警等事件數(shù)據(jù)。

⑥記錄實(shí)時(shí)、月平均、日平均、月最高、日最高等溫度、壓力、流量的歷史數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)存儲量增至1 MB，豐富的數(shù)據(jù)記錄信息滿足工業(yè)現(xiàn)場不同的控制要求。

⑦能配置工況流量上下限、標(biāo)準(zhǔn)流量上下限、壓力上下限、溫度上下限、電池欠壓報(bào)警等多種報(bào)警信號輸出組合，與IC卡表配套使用的定標(biāo)脈沖輸出。

⑧供儀表標(biāo)定使用的工況脈沖輸出，各輸出端口具有足夠的驅(qū)動能力，滿足工業(yè)現(xiàn)場的不同要求。

⑨可在線實(shí)現(xiàn)程序編程和升級。

⑩設(shè)計(jì)時(shí)考慮過壓、過流及靜電保護(hù)措施，以及適當(dāng)?shù)姆览讚簟⒎览擞康哪芰ΓＷC流量計(jì)量儀表的穩(wěn)定性和可靠性以及適應(yīng)惡劣環(huán)境的能力。

修正儀除了滿足流量測量儀表的功能需求外，測量精度和范圍方面的考慮也是功能需求的一方面。

修正儀整體設(shè)計(jì)思想采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法，先明確總?cè)蝿?wù)，再分解成為子任務(wù)［3］。將較大、較復(fù)雜、較難的問題分解成若干小的、簡單的、易解決的問題，并注意子任務(wù)間的聯(lián)系和互動。某些場合也采用自底向上的設(shè)計(jì)方法，配合現(xiàn)有的電路、模塊、器件來快速高效地解決問題。修正儀在軟硬件設(shè)計(jì)上合理分工、相互配合，通過軟件來完成復(fù)雜的運(yùn)算、系統(tǒng)的管理和控制，通過硬件實(shí)現(xiàn)特定的功能模塊。具體分析技術(shù)路線如圖1所示［2］。

圖1 技術(shù)路線Fig.1 Technical strategy

2 系統(tǒng)模塊劃分和硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 CPU選型

系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示［4］。

圖2 電路結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Block diagram of the circuitry structure

由于多功能修正儀采用電池供電方式，因此，CPU的選型應(yīng)著重從低電壓、低功耗、高負(fù)載能力等方面考慮。美國TI公司的MSP430系列單片機(jī)在這方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢，并且可滿足較高速率的通信要求。此外，從性價(jià)比考慮，MSP430F5438是一款超低功耗Flash型、16位RISC指令集單片機(jī)，有豐富的片內(nèi)外設(shè)。該單片機(jī)具有以下特點(diǎn)。

①超低功耗，MSP430F5438具有5種不同的工作模式，工作電流視工作模式不同而不同，最大不超過400 μA，工作電壓為2.2～3.6 V。數(shù)位控制振蕩器(digital control oscillator，DCO)可在不超過5 μs的時(shí)間內(nèi)從低功耗模式喚醒至主動模式。

②強(qiáng)大的處理能力，具有豐富的尋址方式(源操作數(shù)7種，目的操作數(shù)4種)，采用RISC指令集，核心指令27條。片內(nèi)寄存器數(shù)量多，有高效的查表處理方法，以保證程序編制的高效性。中斷源較多，可以實(shí)現(xiàn)中斷嵌套，使用時(shí)靈活方便。

③豐富的片上外圍模塊，MSP430F5438具有12位的A/D精密模擬轉(zhuǎn)換器、32位硬件乘法器、2組頻率可達(dá)8 MHz的時(shí)鐘模塊、16位定時(shí)器、看門狗、4個(gè)通用串行通信接口、多達(dá)87個(gè)通用I/O引腳;并且端口P1和P2具有中斷能力，每一引腳都可以單獨(dú)選擇中斷觸發(fā)方式、單獨(dú)允許中斷。

④方便高效的開發(fā)方式，MSP430F5438具有JTAG接口，可以方便地通過JTAG調(diào)試電路實(shí)現(xiàn)程序的下載和調(diào)試。

基于MSP430F5438的這些優(yōu)點(diǎn)，本文選用該款芯片作為多功能體積修正儀微處理器。

2.2 系統(tǒng)組成

2.2.1 電源模塊

系統(tǒng)采用美信公司DC-DC電源管理芯片MAX857內(nèi)電源，通過調(diào)整設(shè)置輸出符合實(shí)際要求的電壓值［5-6］。當(dāng)輸入端電壓發(fā)生變化時(shí)，MAX857芯片提供穩(wěn)定電壓值，滿足CPU供電要求。8～40 VDC寬范圍的外電源供電電壓，當(dāng)外電源接入時(shí)自動切換電池供電。電路采用隔離處理并安裝有防浪涌雷擊、脈沖群等保護(hù)措施，提高儀表現(xiàn)場抗干擾能力。

2.2.2 顯示驅(qū)動模塊

多功能體積修正儀的信息(總量、瞬時(shí)流量、溫度、壓力、電池狀態(tài)等)顯示可通過串行液晶模塊來完成。該模塊與CPU的接口簡單，只占用DATA、WR、CS這3條接口線，與并行液晶模塊相比大大節(jié)省了CPU的I/O口資源。另外，采用低功耗液晶驅(qū)動芯片來滿足整機(jī)低功耗的要求。

2.2.3 流量采集模塊

修正儀在以燃?xì)庥?jì)量為主的基礎(chǔ)上加入差壓流量計(jì)量(以孔板為主)。差壓計(jì)量完全按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2426執(zhí)行，由流量采集模塊進(jìn)行切換處理。修正儀可通過流量采集模塊不同處理方式的選擇來滿足液體或氣體流量計(jì)的流量測量。流量采集模塊可處理多種類型的流量信號，如低、中、高脈沖信號，4～20 mA電流，電壓模擬信號。通過按鍵操作，實(shí)現(xiàn)流量計(jì)算模式的切換以及對流量信號的處理。

2.2.4 溫度壓力采集模塊

溫度壓力采集模塊除了能夠處理電阻值的溫度信號、電壓值的壓力信號外，同時(shí)也能夠處理4～20 mA電流模擬信號。通過按鍵操作可實(shí)現(xiàn)切換處理。

2.2.5 時(shí)鐘電路模塊

時(shí)鐘電路主要由低功耗的CMOS實(shí)時(shí)時(shí)鐘、日歷芯片PCF8563T來實(shí)現(xiàn)［7］。PCF863T通過I2C與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)和地址傳遞。具體的時(shí)鐘電路圖如圖3所示。

圖3 時(shí)鐘電路圖Fig.3 Circuit of the clock

整個(gè)電路設(shè)計(jì)簡單，由32 kHz晶體振蕩器、紐扣電池、上拉電阻和二極管組成。在設(shè)計(jì)I2C總線時(shí)將總線2個(gè)管腳拉高，提高總線上數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。此外，使用芯片INT管腳中斷功能，給單片機(jī)提供月中斷信息。為了減少電源受到干擾，在芯片電源輸入管腳加1個(gè)0.1 μF電容來實(shí)現(xiàn)濾波，以減小輸入端受到的干擾。為了保證供電電源失電情況下芯片正常工作，保持準(zhǔn)確時(shí)鐘信號，電路配接一紐扣電池以備用。為合理處理2個(gè)電源對時(shí)鐘芯片的供電關(guān)系，電路上增加了2個(gè)二極管，以確保時(shí)鐘芯片工作的有效性。

2.2.6 通信模塊

隨著通信技術(shù)和IT技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用越來越普遍，流量儀表的網(wǎng)絡(luò)通信是現(xiàn)代能源計(jì)量發(fā)展的必然趨勢。多個(gè)流量儀表的測量參數(shù)通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)監(jiān)視和管理，可大大提高流量計(jì)量的可靠性和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。在修正儀的通信功能模塊上，采用一款隔離型的RS-485收發(fā)器，內(nèi)部集成了ADI專利的磁耦合隔離技術(shù)，并安裝保護(hù)電路，以提高通信接口的防雷擊能力，保證通信接口的高可靠性。作為輔助功能存在的無線通信模塊，采用的是美國TI公司的無線收發(fā)芯片CC1101。該芯片是一款低功耗、多頻段無線收發(fā)芯片，采用GFSK調(diào)制方式，可以工作在433.05～434.79 MHz的國際通用ISM頻段，最高調(diào)制速率可達(dá)500 kbit/s，通信采用SPI接口。無線通信模塊原理如圖4所示。

圖4 無線通信模塊原理圖Fig.4 Principle of wireless communication module

3 軟件功能設(shè)計(jì)和開發(fā)

3.1 參數(shù)變量設(shè)置

修正儀除了進(jìn)行流量運(yùn)算外，在線參數(shù)變量顯示尤為重要。由于功能多，涉及的參數(shù)變量較復(fù)雜，軟件流程處理上把參數(shù)歸檔成10組并進(jìn)行不同等級的密碼保護(hù)。密碼設(shè)置在一定程度上能夠保證儀表的正常運(yùn)行，多組分設(shè)置可方便調(diào)試和現(xiàn)場查詢，提高了操作效率。

3.2 溫度、壓力信號采集處理

在處理溫度、壓力信號采集上，采用建立校正數(shù)據(jù)表的方法來修正由溫度、壓力傳感器帶來的系統(tǒng)誤差［8］。為了減小誤差，在查表的基礎(chǔ)上采用了內(nèi)插計(jì)算的方法，以減小校準(zhǔn)點(diǎn)，從而減少內(nèi)存空間。這些操作不但提高了測量精度，還解決了傳感器的線性和精度不一致的問題。

3.3 主程序軟件設(shè)計(jì)

修正儀能夠處理多樣化輸入和輸出功能，并準(zhǔn)確完成各單元功能模塊的銜接與運(yùn)行，主程序軟件的合理分配及優(yōu)化顯得極為重要。如無線和有線通信的判斷處理，流量采集類型的判斷以及相關(guān)數(shù)據(jù)的執(zhí)行，然后對處理后的信息進(jìn)行相關(guān)操作，如顯示、報(bào)警輸出、信息記錄等，還有對電池電壓檢測、溫壓采樣時(shí)間處理等一系列操作。

4 技術(shù)措施和裝置測試

從微功耗考慮，修正儀整機(jī)設(shè)計(jì)成幾種不同工作狀態(tài)，如睡眠狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)、溫壓采樣狀態(tài)等，不同的工作狀態(tài)有其不同的功耗。無線通信處理方面，為了減少功耗并使得通信穩(wěn)定可靠，流程上合理安排不同工作狀態(tài)下的時(shí)間分配，如靜態(tài)、無線喚醒和數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間，使幾個(gè)工作達(dá)到平衡。在硬件器件選型方面，把功耗要求作為一個(gè)重要指標(biāo)，如CPU選型、時(shí)鐘芯片選型、存儲芯片選型等。

為了提高修正儀測量可靠性和精度，修正儀在軟件和硬件方面采取了相應(yīng)措施。在軟件上，利用數(shù)字濾波技術(shù)來抑制在工業(yè)現(xiàn)場嚴(yán)重的干擾和噪聲［11］，修正儀也相應(yīng)施加了屏蔽和數(shù)字濾波措施。在傳統(tǒng)的儀器儀表中，濾波是靠選用不同類型的硬件濾波器來實(shí)現(xiàn)的。在智能儀表中，由于微處理器的引入，可以采用不增加硬件設(shè)備的數(shù)字濾波方法。數(shù)字濾波具有硬件濾波器的功效。由于軟件算法靈活性，可以產(chǎn)生硬件濾波器所達(dá)不到的功效。在測量精度要求方面，溫度、壓力、差壓變送器傳感元件選用優(yōu)于0.2級的元件，測溫元件選用A級Pt1000鉑電阻。對測量速度要求，采用美國MAXIM公司生產(chǎn)的一種16位、高精度、高性能低功耗的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，以提高數(shù)據(jù)采集速度，最終確保數(shù)據(jù)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)束語

在工業(yè)領(lǐng)域中，隨著工業(yè)現(xiàn)場流量計(jì)量的深入，功能齊全、性能優(yōu)越、高精度、高可靠性的新型智能化、網(wǎng)絡(luò)化智能積算儀越來越多得到廣泛的應(yīng)用。本文所述多功能體積修正儀正是沿著目前形式所趨，企業(yè)自身發(fā)展需要的前提下，并結(jié)合企業(yè)現(xiàn)有產(chǎn)品優(yōu)勢基礎(chǔ)上進(jìn)行研制的。該產(chǎn)品不但能滿足與企業(yè)生產(chǎn)的渦輪、羅茨、旋進(jìn)漩渦等一系列氣體流量計(jì)配套使用，也可以與孔板差壓流量計(jì)配合使用，還可以與其他外置變送器配套組合分體式流量計(jì)量系統(tǒng)。計(jì)量準(zhǔn)確、性能優(yōu)越、功能齊全的多功能體積修正儀在工業(yè)計(jì)量領(lǐng)域?qū)絹碓降玫秸J(rèn)可和廣泛推廣使用。

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Research and Development of the Multifunctional Volume Correction Instrument

In order to meet the multiple requirements for metering on energy in industrial fields，and to achieve accuracy and science of on-site flow measurement，the multifunctional volume correction instrument has been researched and developed.In this instrument，the micro-power and powerful processors，high-speed analog-digital conversion chip and reasonable software design are adopted to improve measurement accuracy and timeliness.In further，improvements are realized by integrating the technologies of short-distance wireless communication，long-distance communication，and highly efficient power supply，to make the metering on energy more accurate and more scientific.The practice indicates that this multifunctional volume correction instrument features fully functions and superior performance;it offers wide applicable values.

MSP4430F5438 Correction instrumentWireless communication Low power consumption Flow measurementAnalog signal

TH814

A

修改稿收到日期:2011-01-17。

林新霞，女，1973年生，1993年畢業(yè)于上海理工大學(xué)機(jī)電一體化專業(yè)，工程師;主要從事流量儀表的研究。