用于流量標準裝置的具有多通道脈沖計數功能的計時器設計

王新

（中煤科工集團唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012）

液體流量計的計量性能常用靜態容積法/靜態質量法或標準表法進行檢定。靜態容積法/靜態質量法的檢定方法為：計量一段時間內標準容器或標準衡器的液體體積或質量，通過計算得出該段時間標準裝置的平均體積流量或質量流量，同時記錄該段時間被檢表的脈沖計數（脈沖頻率與被檢表瞬時流量成比例關系或脈沖數值代表一定的累計流量），通過計算得出被檢表的平均體積流量或質量流量，計算標準值和被檢值之間的誤差，從而判定被檢表是否合格。標準表法檢定方法為：計量一段時間內標準表（標準流量計）和被檢表的脈沖計數，通過計算得出標準流量值和被檢流量值，計算兩者之間誤差來判定被檢表是否合格。氣體流量計的計量性能常用臨界流文丘里噴嘴法進行檢定，檢定方法為：通過控制音速噴嘴的開閉調整標準流量，計量一段時間內被檢表的脈沖計數，計算得出被檢表的平均流量，計算標準流量和被檢表流量之間的誤差，判定被檢表是否合格。企業在建造流量檢定裝置時，常采用多臺被檢表同時檢定的方法來提高檢定效率。裝置在建造時，計時器為單一設備，脈沖則通過可編程邏輯控制器（PLC）或脈沖計數器進行采集，設備啟停不同步存在一定時間差，可能會產生測量誤差，脈沖計數設備的抗干擾能力也決定脈沖計數的準確性，同時設備眾多，也增加了系統的復雜性和建造成本。為了解決這一問題，設計一種具有10 通道脈沖信號計數功能的計時器，可自動計算每通道的平均流量及與標準流量的相對示值誤差，具有RS485 通信功能，在非檢定狀態下可顯示每通道脈沖頻率和流量值。

1 方案設計

根據JJG164-2000《液體流量標準裝置檢定規程》、JJG643-2003《標準表法流量標準裝置檢定規程》和JJF1240-2010《臨界流文丘里噴嘴法氣體流量標準裝置校準規范》的規定，計時器應有晶振信號輸出口，晶振8h 穩定度一般不低于裝置不確定度的1/10（JJF1240-2010 校準規范要求優于1×10-5），計時器的分辨力需不大于0.001s。流量計的脈沖輸出信號分為有源輸出和無源輸出兩種類型，為了增加計時器的適用性，計時器設計24V 直流電源輸出功能，方便給無源脈沖信號及啟?？刂齐娐饭╇?，同時考慮各儀表輸出信號之間可能引起串擾，各通道采用隔離方式與其他通道分開。計時器設計LCD 液晶顯示功能及按鍵功能，方便計時器設參。計時器的啟動、停止、清零可通過按鍵、RS485 或控制信號三種方式進行觸發。其基本功能框圖如圖1 所示。

圖1 基本功能框圖

2 硬件電路設計

設計選用德州儀器公司的MSP430F5438A 單片機作為主處理器，采用最高25MHz 系統時鐘，具有兩組共16個中斷能力的IO 端口，3個定時器共15個捕獲/比較端口，具有4個通用串行通信接口（USCI），具有1個32位硬件乘法器，能夠滿足高精度計時、10 通道脈沖信號采集、啟動/停止/清零信號的控制輸入、RS485 通信和按鍵等功能的要求。為了保證時間測量的穩定性，選擇型號為TCXO25.000000MHz 帶溫度補償功能的有源晶體振蕩器作為主處理器的系統時鐘源，晶振采用3.3V 供電，-40 ～85℃溫度范圍內的頻率溫度特性≤±1.5PPM，10年老化率≤5PPM，頻率穩定性≤±0.2PPM（3.3V±5%，25℃）。該晶振滿足晶振8h 穩定度一般不低于裝置不確定度的1/10（優于1×10-5）的要求。顯示屏選擇JLX256128G 液晶模塊，能夠同屏顯示檢定時間及10 通道脈沖計數值，方便查看。

硬件電路的設計重點在于檢定啟動、停止控制信號以及流量計輸出的脈沖信號的噪聲抑制來保證脈沖信號的準確性。本質上來說，啟動、停止控制信號也是脈沖信號，其噪聲抑制方法與流量計輸出的脈沖信號噪聲抑制方法基本相同，只是按鈕按下時產生的抖動較大，濾波電容的選擇略有不同。電路原理如圖2 所示。

圖2 脈沖信號輸入電路原理圖

脈沖輸入信號通過F1 自恢復保險，經C1、C2 低通濾波電路濾除高頻噪聲，D1 為瞬態抑制二極管，能有效濾除信號中的尖峰脈沖，由R1、R2 電阻、Q1、Q2 三極管和D3 齊納二極管組成限流電路，使流入U1 雙通道高速光耦的電流限定在7mA，同時能夠承受3.5 ～24V 的脈沖電壓，可有效抑制脈沖信號的電流波動。D2 為低壓降二極管，防止回流。U1 具有2500V 電壓隔離能力，將輸入信號和后級電路有效隔離。U1 輸出信號經上拉電阻R3 和低通濾波電容C4 進入U2 施密特觸發反相器，將信號轉換成清晰、無抖動的輸出信號，同時使最終信號和初始輸入信號的相位保持一致。C3、C5 為電源濾波電容，保證U1、U2 集成電路工作的穩定性。U3 為雙通道常開型光耦繼電器，由主處理的信號控制光耦通斷，可以給無源脈沖信號提供24V 電源來供電，R4 為上拉電阻，起到限流作用。當采用24V 供電時，脈沖信號采用單獨地回路，避免與其他回路產生共地干擾。

3 軟件設計

計時器的啟動、停止、清零信號及對應按鍵采用中斷方式觸發，脈沖計數通過主處理器定時器的中斷捕獲模式實現。軟件設計的重點在于如何快速響應控制信號的啟動、停止操作，并且無誤差的記錄脈沖計數，保證不丟數。該設計中，設定一個代表啟動、停止和清零的狀態變量，在控制信號和按鍵的中斷程序中，通過改變這個狀態變量值或通過RS485 命令直接改變該狀態變量值，來表示計時器當前狀態，定時器捕獲到脈沖信號，根據狀態變量值來決定是否增加脈沖計數，可以實現計時器的快速響應。計時器的分辨力為0.00001s，采用25MHz 時鐘，為250個時鐘周期，每通道脈沖計數的處理周期為16個時鐘周期，能夠保證計時的同時，10 通道脈沖計數不丟數。其基本邏輯為，在復位狀態下，接收到啟動信號或啟動按鍵按下或接收到RS485 啟動命令，改變狀態變量為運行狀態，開始計時和脈沖計數，接收到停止信號或停止按鍵按下或接收到RS485 停止命令，改變狀態變量為停止狀態，停止計時和脈沖計數，計算平均流量和相對示值誤差，接收到清零信號或清零按鍵按下或接收到RS485 清零命令，清除計時和脈沖計數值，改變狀態變量為復位狀態，等待下一次啟動。在程序運行過程中，設置保護機制保證邏輯的正確性，如在啟動狀態下只接受停止信號，在停止狀態下只接受清零信號，在清零信號后計時器進入復位狀態只接受啟動信號。其程序流程如圖3 所示。

圖3 程序流程圖

計時器RS485 通信采用MODBUS-RTU 協議，通信速率支持1200 ～115200bps，支持03、06 和16 功能碼，03功能碼可以讀取檢定時間、脈沖計數值和儀表參數等信息，06 功能碼可以控制計時器的啟動、停止、清零操作和設置計時器單寄存器參數，16 功能碼可以設置計時器多寄存器參數。通過RS485 通信，可以實現對計時器的完全操作。

4 試驗效果

在流量檢定實驗室內，被檢流量計頻率輸出端子與計時器脈沖輸入端子之間連接50m 信號線，信號線與其他信號線、控制線及動力電纜布置在線纜槽內，由于受到噪聲、電磁干擾及信號線分布電容、分布電感的影響，計時器輸入端的信號受到一定的干擾，波形如圖4 所示，經計時器電路濾波、整型后進入主處理器的波形如圖5所示。圖中可以看出處理后的波形更加平直，濾除了高頻噪聲，跳變沿陡峭，波形穩定性得到提升。

圖4 脈沖輸入波形

圖5 處理后脈沖波形

采用串口調試軟件周期發送啟動、停止、清零命令，測試計時器啟停時間，能夠得出計時器的響應時間，數據收發如圖6 所示，測試數據如表1 所示。由測試數據可以得出計時器的響應時間≤0.03s。

表1 RS485 命令控制啟、停時間測試（單位：s）

圖6 RS485 通信測試

采用信號發生器輸出1200Hz、占空比50%的標準方波，并聯至計數器的4 條通道，計時器進行長時間運行，測試脈沖計數的準確性。測試數據顯示，4 條通道計數相同，經計算頻率為1200.0009Hz，與信號發生器一致。

5 結語

設計了一種具有10 通道脈沖信號計數功能的計時器，具有晶振信號輸出端口，晶振8h 穩定度達到1×10-6，計時分辨力0.00001s，滿足0.2 級標準表法液體流量標準裝置的要求，已在唐山大方匯中儀表有限公司液體流量檢定實驗室成功應用，可同時對實驗室DN250mm 管道上的4 臺外夾式超聲波流量計和2 臺插入式超聲波流量計通過標準表法液體流量標準裝置進行檢定。

圖7 計時及脈沖計數測試