PAGE19基于hart協(xié)議的液體渦輪流量計摘要流量測量在工業(yè)生產(chǎn)、能源計量、環(huán)境保護、交通運輸、生物技術、軍事工程和科學研究等領域占據(jù)重要位置，因此，流量測量儀表的研究和開發(fā)應用有著深遠的意義。渦輪流量計是流量測量儀表中不可缺少的一員，隨著現(xiàn)代計算機技術的發(fā)展而不斷發(fā)展和完善。按照模塊化設計方法，將系統(tǒng)硬件部分分為不同的功能模塊分別進行設計。本著小型化、智能化的原則，設計中采用TI公司的高性能、微功耗單片機作為控制核心，實現(xiàn)了氣體流量的實時補償，提高了儀表的測量精度。在外圍器件選型和軟件編制過程中進行低功耗設計，極大地降低了儀表的功耗，使流量計具有較高的可靠性。通訊方面可以選擇HART總線方式，方便了儀表與上位機的連接。LCD顯示和鍵盤方便了用戶的操作。軟件部分采用了模塊化的編程，介紹了各模塊的實現(xiàn)方法，最后組合起來進行調試。關鍵詞：渦輪流量計；Hart;流量補償LiquidturbineflowmeterbasedonHARTProtocolAbstractFlowmeasurementinthefieldofindustrialproduction,energymetering,environmentalprotection,transportation,biologytechnology,militaryengineeringandscientificresearchoccupiesanimportantposition.Therefore,theresearchandapplicationofflowmeasuringinstrumenthasafar-reachingsignificance.Turbineflowmeterisoneoftheindispensableflowmeasurementinstruments,withthedevelopmentofmoderncomputertechnologyandcontinuousdevelopmentandimprovement.Accordingtothemodulardesignmethod,thehardwarepartsofthesystemaredividedintodifferentfunctionmodules.Basedontheprincipleofminiaturizationandintelligence,thedesignofhighperformanceandmicropowerMCUofTIcompanyasthecontrolcore,realizethereal-timecompensationofgasflow,andimprovethemeasuringaccuracyoftheinstrument.Inperipheraldeviceselectionandsoftwaredesignprocessforlowpowerdesign,greatlyreducingthepowerconsumptionoftheinstrument,sothattheflowmeterhasahighreliability.Communicationaspectscanchoose8485andHARTbusmode,whichisconvenientfortheconnectionbetweentheinstrumentandthehostcomputer.LCDdisplayandkeyboardtofacilitatetheuser'soperation.Thesoftwarepartadoptsthemodularprogramming,introducestheimplementationmethodsofeachmodule,andfinallycombinedtodebug.Keywords:turbineflowmeter;Hart;flowcompensation

1緒論 11.1引言 11.2流量計的分類 1第二章渦輪流量硬件電路設計 22.1渦輪流量計硬件整體結構 22.2單片機的選取 22.3電源電路 32.4流量測量電路 42.4.1霍爾開關工作原理 42.4.2流量測量原理及電路 42.5溫壓檢測電路 52.5.1溫壓傳感器的選擇 52.5.2MS5535B的特性與功能 62.5.3模塊圖與連接 72.6實時時鐘 82.7顯示部分 92.8按鍵設計 92.9HART通訊部分 103渦輪流量計積算儀系統(tǒng)軟件設計 133.1軟件總體構成 133.2軟件開發(fā)環(huán)境 133.3流量計系統(tǒng)總體概述 143.4渦輪脈沖采集部分 173.54-HART通訊模塊程序 184流量計的測試數(shù)據(jù) 18結語 20參考文獻 20致謝 211緒論1.1引言在物資量計量領域中，流體流量的檢測與控制是各行各業(yè)加強物料管理、能源管理，進行物資交接、財務結算，經(jīng)濟核算，效益分析與評價及至決策的重要依據(jù);也是企業(yè)監(jiān)控生產(chǎn)過程，使其保護優(yōu)質、高效、安全、平穩(wěn)運行和改善環(huán)境的重要手段。從某種意義上講:計量就是眼睛，計量就是金錢，計量就是效益。現(xiàn)代企業(yè)對流量計量的要求越來越高，主要反映在滿足準確性、可靠性、及時性和自動化水平的程度等方面，計量的準確可靠性愈來愈受到社會各界的關注。流量計是一種速度式儀表。它具有壓力損失小、精確度高、始動流量低，抗振與抗脈動流性能好等特點。廣泛使用于石油、化工、電力工業(yè)鍋爐等燃氣計量和燃氣調壓站、輸配氣管網(wǎng)天然氣、城市天然氣計量等領域并可廣泛用于貿(mào)易計量。目前，國內渦輪流量計的設計、制造與鑒定技術及設備裝備水平方面遠遠落后于歐美國家。而且國內所生產(chǎn)的渦輪流量計產(chǎn)品大多只有簡單的計數(shù)顯示器，客戶無法直接從管路中氣體流動狀況了解流量計實際運行情況，同時性能與質量也不能與國外氣體流量計相比。隨著中國與國際市場接軌的步伐加快，低精度流量計的使用會受到越來越大的限制，而高精度流量計將需求旺盛。1.2流量計的分類為了滿足各種測量的需要，凡百年來人們根據(jù)不同的測量原理，研究開發(fā)制造出了數(shù)十種不同類型的流量計，大致分為容積式、速度式、差壓式、面積式、質量式等。各種類型的流量計量原理、結構不同既有獨到之處又存在局限性。為達到較好的測量效果，需要針對不同的測量領域，不同的測量介質、不同的工作范圍，選擇不同種類、不同型號的流量計。工業(yè)計量中常用的幾種流量計有:差壓式流量計、容積式流量計、渦輪流量計、渦街流量計、旋進渦輪流量計、時差式超聲波流量計、科式質量流量計等。

第二章渦輪流量硬件電路設計2.1渦輪流量計硬件整體結構本課題設計的渦輪流量計由流量傳感器、溫度傳感器、微處理器、LCD顯示、HART模塊、按鍵等組成。該系統(tǒng)以MSP430F147單片機為核心，配合外圍器件，實現(xiàn)了信號采集，數(shù)據(jù)處理，現(xiàn)場顯示，累計存儲，通訊，按鍵設置的人機界面等功能。原理圖如圖2.1所示。圖2.1渦輪流量計原理圖2.2單片機的選取在低功耗電子系統(tǒng)設計中，首先要考慮的是單片機型號的選擇。選擇單片機除了要考慮的功能和開發(fā)環(huán)境外，在低功耗系統(tǒng)設計中，特別要關注的是單片機本身的功耗和它所能提供的節(jié)能措施?？紤]到流量計系統(tǒng)低功耗方面的要求，我們采用了TI公司的MSP430單片機芯片，它是專門為低功耗而設計的新型16位單片機。選擇所用單片機為MSP430系列單片機后，對單片機的片內資源進行需求分析，最后選擇了MSP430F413單片機，它具有如下特點：低工作電壓：1.8-3.6V超低功耗：活動模式220uA@1MHz，2.2V待機模式0.7uA掉電模式（RAM數(shù)據(jù)保持）：0.1uA有5種節(jié)電模式從待機道喚醒的響應時間不超過6us片內頻率鎖相環(huán)FLL+，可使系統(tǒng)工作在穩(wěn)定的頻率上16位精簡指令結構（RISC)，150ns指令周期具有3個捕獲/比較寄存器的16位定時器集成96段液晶驅動器片內比較器配合其它器件可以構成斜邊A/D轉換器可在線串行編程可編程的保密熔絲保護設計者代碼Flash存儲器2.3電源電路作為一個系統(tǒng)的原動力，電源常常被認為是整個系統(tǒng)的心臟。電源配置時應充分考慮到干擾的隔離與抑制。因此，應根據(jù)電路配置狀況很好地解決電源供給問題。DC-DC變換器是信號拾取通道中的理想化固體電源，它們可以為信號拾取通道的各種模擬電路提供隔離電源，并可以將電路浮置起來而與其它地線無關。DC-DC變換器的輸入回路與輸出回路是隔離的，這樣通過選用DC-DC變換器就切斷了系統(tǒng)主電源與信號拾取通道電源間的干擾渠道，有效地實現(xiàn)了電源隔離。對于用電池供電的系統(tǒng)來說，最大的問題是隨著電池的使用，其儲存的能量逐漸消耗，將產(chǎn)生電壓不穩(wěn)的問題，不但會引起系統(tǒng)工作不正常，嚴重時甚至可能導致元器件的損壞。在電池供電系統(tǒng)中選擇開關型DC-DC轉換器可以獲得較高的效率和較低的熱耗，從而可有效延長電池的使用壽命，同時通過在輸出級添加適當?shù)臑V波電路，還能夠將輸出電壓紋波降至較小的范圍。電源電路的作用主要是給測量系統(tǒng)供電，本測量系統(tǒng)主要是靠3.6V的鋰電池供電，為了最大限度降低功耗，單片機及所有的外圍芯片在選型時的工作電壓都是3.3V，所以系統(tǒng)電源必須滿足兩點要求：1.在電池電壓高于3.3V的時候必須起到將高電壓降至3.3V的作用。2.使用一段時間后由于電池電量的下降，電壓也隨之下降，勢必低于3.3V。這時電源必須起到把低電壓升壓到3.3V的作用。為了達到以上性能要求，在設計電源時選擇了austriamicrosystems公司的AS1325穩(wěn)壓片。AS1325是集成了同步整流器的高效升壓DC-DC轉換器，其效率為96°%。在輸出電壓為3.3V的條件下，該器件可提供1.5至5V的供電電壓。當輸入電壓低于2V，輸出電壓為3.3V時，輸出電流可達185mA。完全可以滿足系統(tǒng)的供電需求。另外本系統(tǒng)采用理光R3111H301C3.0V電壓檢測芯片，當電壓低于3.0V時，P1.0輸出低電平，P1.0下降沿中斷有效，進入中斷處理，顯示“換電池”同時蜂鳴器發(fā)出報警聲。電源電路的連接如圖2.2所示。圖2.2電源模塊原理圖2.4流量測量電路2.4.1霍爾開關工作原理當一塊通有電流的金屬或半導體薄片垂直地放在磁場中時，薄片的兩端就會產(chǎn)生電位差，這種現(xiàn)象就稱為霍爾效應。兩端具有的電位差值稱為霍爾電勢U，其表達式為：Ｕ＝ＫＸＩＸＢ/d其中K為霍爾系數(shù)，I為薄片中通過的電流，B為外加磁場（洛倫慈力Lorrentz)的磁感應強度，d是薄片的厚度。由此可見，霍爾效應的靈敏度高低與外加磁場的磁感應強度成正比的關系?；魻栭_關就屬于這種有源磁電轉換器件，它是在霍爾效應原理的基礎上，利用集成封裝和組裝工藝制作而成，它可方便的把磁輸入信號轉換成實際應用中的電信號，同時又具備工業(yè)場合實際應用易操作和可靠性的要求。2.4.2流量測量原理及電路按圖2.3所示的各種方法設置磁體，將它們和霍爾開關電路組合起來可以構成各種旋轉傳感器?；魻栯娐吠姾?，磁體每經(jīng)過霍爾電路一次，便輸出一個電壓脈沖。圖2.3旋轉傳感器磁體設置由此，可對轉動物體實施轉數(shù)、轉速、角度、角速度等物理量的檢測。在轉軸上固定一個葉輪和磁體，用流體去推動葉輪轉動，便可構成流速、流量傳感器。本流量傳感器由霍爾開關元件A3210,帶磁渦輪及電平轉換電路組成，構成如圖2.4所示。將A3210固定在距渦輪所在平面約1?3mm處。永磁鐵經(jīng)過霍爾元件附近一次，即產(chǎn)生一個計量脈沖；如果一個渦輪有8個葉片，且每一轉對應0.01TO3流量，那么傳感器的一個脈沖就對應0.01m3/12的流量。根據(jù)這一原理，我們可確定流量的計算公式為；Q=KxM式中，Q為流量m3;K為基表系數(shù)，0.01m3/r；N為轉數(shù)。根據(jù)這一原理，只要通過MSP430的捕獲功能計算A3210產(chǎn)生的脈沖的頻率，就能實時的計算出氣體或液體在標況下的流量了。2.5溫壓檢測電路2.5.1溫壓傳感器的選擇本設計的關鍵是選用合適的溫度和壓力傳感器，使硬件電路最大限度的簡化，而且與所選MSP430單片機相匹配，達到預期的精度和超低功耗要求[3]。方案1:采用普通溫度傳感器加壓力傳感器的方法目前，市場上大部分流量計的溫壓補償均采用溫度傳感器加壓力傳感器的方法，如圖3.5所示，而且每個傳感器均需要各自的濾波放大電路，電路結構較復雜。圖2.5方案1的溫壓補償結構框圖方案2：米用集成壓力傳感器芯片MS5535B本設計采用的MS5535B是一種集成度高、功能強大的集成芯片。集成傳感器近年發(fā)展很快，和經(jīng)典的傳感器相比，集成傳感器具有體積小、成本低、功耗小、速度快、可靠性高、精度高以及功能強大等優(yōu)點。一般的傳感器多為一個傳感器測量一個參數(shù)，而傳感器的多功能與集成化則是在芯片上制作出多個傳感器來測量多個參數(shù)。傳感器的集成化是指將多個功能相同或不同的敏感器件制作在同一個芯片上構成傳感器陣列，主要有三個方面的含義：一是將多個功能完全相同的敏感單元集成制造在同一個芯片上，用來測量被測量的空間分布信息，例如壓力傳感器陣列或我們熟知的CCD器件；二是對多個結構相同、功能相近的敏感單元進行集成，例如將不同氣敏傳感元集成在一起組成電子鼻，利用各種敏感元對不同測試環(huán)境的交叉敏感效應，采用神經(jīng)網(wǎng)絡模式識別等先進數(shù)據(jù)處理技術，可以對不同環(huán)境狀態(tài)同時監(jiān)測，得到所需測量環(huán)境的信息，同時提高氣敏傳感器的測量精度；這層含義上的集成還有一種情況是將不同量程的傳感元集成在一起，可以根據(jù)待測量的大小在各個傳感元之間切換，在保證測量精度的同時，擴大傳感器的測量范圍；三是指對不同類型的傳感器進行集成，例如集成有壓力、溫度、濕度、流量、加速度、化學等敏感單元的傳感器，能同時測到環(huán)境中的物理特性或化學參量，用來對環(huán)境進行監(jiān)測。MS5535B完全體現(xiàn)了傳感器集成化的發(fā)展趨勢，是設計的首選。2.5.2MS5535B的特性與功能MS5535B由一個硅壓阻傳感器和一個集成傳感器接口電路組成，其主要特性有：測壓范圍為0-14bar;供電電壓2.2V?3.6V，工作溫度-40?+125°C;內含六組軟件補償系數(shù)，無需外部補償；內含3線串行數(shù)據(jù)口和一個32.768kHZ的主時鐘；15位分辨率的模數(shù)轉換，是一種低電壓、低功耗、可以自動進行開/關切換的SMD器件。將壓力傳感器與集成傳感器接口電路結合在一起是為了節(jié)省其他外部元件和實現(xiàn)超低功耗。為了降低能量損耗，在轉換過程中傳感器不斷被啟動和關閉，在一次變換中總的工作時間為2ms。當MS5535B處于待命狀態(tài)時，可通過關閉母機降低功耗。同時，因為該裝置對震動非常敏感，必須使用晶體震蕩器，時鐘波形必須是方波。MS5535B的主要功能是將硅壓阻式傳感器輸出的未補償?shù)膲毫δM信號轉換成16位的數(shù)字量，同時還可輸出16位的溫度值。被測壓力（16位）由D1輸出，被測溫度（16位）由D2輸出。MS5535B和各種單片機之間的通訊通過三線串行口實現(xiàn)。此外，為了對傳感器有一個非常精確的軟件標定，該模塊設置了6組可讀的補償系數(shù)。2.5.3模塊圖與連接MemDry64咖MS5535B是集成芯片，它的模塊結構如圖MemDry64咖圖2.6MS5535B的模塊圖由于壓力傳感器的輸出電壓受溫度的影響很大，所以必須對其進行補償，而補償必須通過軟件由一個外部微處理器完成。電路連接如圖2.7所示。圖2.7MS5535B與單片機的連接2.6實時時鐘在智能儀表中需要隨時查看當前時間或歷史記錄，這就需要系統(tǒng)有一個實時時鐘單元。實現(xiàn)實時時鐘有兩個方案：一是使用CPU自身資源方便地構造時鐘單元。二是使用外圍時鐘芯片。本系統(tǒng)選擇的是后者，主要原因有兩點。1、由于儀表是電池供電對功耗的要求非?？量?，而整個系統(tǒng)中CPU是耗電大戶，如果使用CPU自身運算時鐘勢必消耗大量的CPU資源。這樣就會使CPU進入休眠模式的時間縮短，功耗上升，大大降低了電池的使用壽命。2.在氣體流速平緩時CPU不需要重復的測量，只需定時測量一次即可，其它時間處于休眠狀態(tài)。時鐘芯片可以在規(guī)定時間內周期性的產(chǎn)生中斷喚醒CPU，而在不需要讀取時間的時候，時鐘芯片本身工作不需要CPU的參與，延長了電池使用壽命。本系統(tǒng)選擇的是PHILIPS公司的PCF8563，這是一款工業(yè)級內含I2C總線接口功能的具有極低功耗的多功能時鐘/日歷芯片。PCF8563的多種報警功能定時器功能時鐘輸出功能以及中斷輸出功能能完成各種復雜的定時服務，甚至可為單片機提供看門狗功能。內部時鐘電路，內部振蕩電路，內部低電壓檢測電路（1.0V)以及兩線制I2C總線通訊方式不但使外圍電路及其簡潔而且也增加了芯片的可靠性同時每次讀寫數(shù)據(jù)后內嵌的字地址寄存器會自動產(chǎn)生增量。PCF8563與單片機的電路連接如圖2.8所示：圖2.8時鐘模塊電路圖其中電容C3的取值范圍為1?20pF，備用電池可選用3V紐扣電池。當系統(tǒng)意外斷電時，備用電池給PCF8563供電，使其繼續(xù)工作。上電后單片機讀出的時間就不會因為斷電而發(fā)生錯誤。2.7顯示部分顯示模塊是人機接口的一個重要組成部分，友好的顯示界面能夠方便操作者的讀數(shù)和進行參數(shù)設定。本測量系統(tǒng)的顯示屏需要完成顯示測得的瞬時流量與累計流量，系統(tǒng)時間，并提供用戶簡單的參數(shù)設置界面。選用的顯示模塊為金鵬電子有限公司的低功耗OCMJ4X8C-3液晶顯示模塊，其主要顯示參數(shù)如下：電源：40－20mA;顯示內容：128列X64行；顯示角度：6點鐘直視；LCD類型：STN;與MCU接口：8位并行/3位串行；配置有LED背光顯示功能；帶有自動啟動復位按鈕（reset);一般來說采用并行連接方式具有速度快，CPU消耗低的特點，但是連線較串行復雜?？紤]到課題設計的渦輪流量計中MSP430單片機的外圍模塊比較多，占用了較多的接口，而MSP430F149的接口有限，所以顯示屏與單片機的連接方法選用為串行接口的連接方法。如圖2.9所示：圖2.9LCD與單片機的連接在設計中用單片機的三個普通I/O口與液晶模塊相連即可。CS為片選端，平時在LCD不用時可以置低，以降低功耗。SCLK為串行時序的輸入端，SID為數(shù)據(jù)輸入端，通過這兩個端口的配合，單片機就可以把要顯示的數(shù)據(jù)寫入LCD了。2.8按鍵設計按鍵電路考慮到設計的儀表主要用來測量流量，所以鍵盤并不需要很多按鍵。本系統(tǒng)設計了四個按鍵的鍵盤，即↑、↓、Cancel、Enter四個鍵，最多可完成8種任務。其中，各個鍵的功能為：(1)↑和↓鍵的功能相似，在菜單狀態(tài)時可以上下移動光標，選擇需要進入的功能。在進入某個功能后↑和↓起的作用主要是調整參數(shù)的大小，按一次↑鍵參數(shù)加一，而按一次↓鍵則參數(shù)減一。(2) Ente鍵為選擇功能鍵。按下Ente鍵，系統(tǒng)將進入某個選定的功能狀態(tài)。此時↑和鍵可以選擇需要修改的參數(shù)，按一次Ente鍵，進入修改參數(shù)狀態(tài)，狀態(tài)改完后按Cancel鍵則可推出。(3)Cancel鍵和Ente鍵功能相反。按下Cancel鍵可以推到當前菜單的上一級。系統(tǒng)采用中斷的方法來設計鍵盤，由于MSP430F147單片機的P口具有中斷功能，所以采用P1.0、P1.1、P1.2、P1.3四個端口作為按鍵的輸入接口。按鍵與單片機之間連接的原理圖如下圖2.10所示。圖2.10按健電路原理圖2.9HART通訊部分HART(Highway

Addressable

Remote

Transducer)，可尋址遠程傳感器高速通道的開放通信協(xié)議，是美國Rosement公司于1985年推出的一種用于現(xiàn)場智能儀表和控制室設備之間的通信協(xié)議。

HART裝置提供具有相對低的帶寬，適度響應時間的通信，經(jīng)過10多年的發(fā)展，HART技術在國外已經(jīng)十分成熟，并已成為全球智能儀表的工業(yè)標準。

HART協(xié)議采用基于Bell202標準的FSK頻移鍵控信號，在低頻的4-20mA模擬信號上疊加幅度為0.5mA的音頻數(shù)字信號進行雙向數(shù)字通訊，數(shù)據(jù)傳輸率為1.由于FSK信號的平均值為0，不影響傳送給控制系統(tǒng)模擬信號的大小，保證了與現(xiàn)有模擬系統(tǒng)的兼容性。在HART協(xié)議通信中主要的變量和控制信息由4-20mA傳送需要的情況下，另外的測量、過程參數(shù)、設備組態(tài)、校準、診斷信息通過HART協(xié)議訪問。

HART通信采用的是半雙工的通信方式，其特點是在現(xiàn)有模擬信號傳輸線上實現(xiàn)數(shù)字信號通信，屬于模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉變過程中過渡性產(chǎn)品，因而在當前的過渡時期具有較強的市場競爭能力，得到了較快發(fā)展。HART

規(guī)定了一系列命令，按命令方式工作。它有三類命令，第一類稱為通用命令，這是所有設備都理解、都執(zhí)行的命令；第二類稱為一般行為命令，所提供的功能可以在許多現(xiàn)場設備（盡管不是全部）中實現(xiàn)，這類命令包括最常用的現(xiàn)場設備的功能庫；第三類稱為特殊設備命令，以便于工作在某些設備中實現(xiàn)特殊功能，這類命令既可以在基金會中開放使用，又可以為開發(fā)此命令的公司所獨有。在一個現(xiàn)場設備中通?？砂l(fā)現(xiàn)同時存在這三類命令。

HART采用統(tǒng)一的設備描述語言DDL?，F(xiàn)場設備開發(fā)商采用這種標準語言來描述設備特性，由HART基金會負責登記管理這些設備描述并把它們編為設備描述字典，主設備運用DDL技術來理解這些設備的特性參數(shù)而不必為這些設備開發(fā)專用接口。但由于這種模擬數(shù)字混合信號制，導致難以開發(fā)出一種能滿足各公司要求的通信接口芯片。HART能利用總線供電，可滿足本質安全防爆要求，并可組成由手持編程器與管理系統(tǒng)主機作為主設備的雙主設備系統(tǒng)。流量計除了具有RS485通信功能以外，還嵌入了HART總線接口技術，進一步提高了通信的距離，實現(xiàn)更為復雜、精確的控制。如圖2.12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及其外圍電路實現(xiàn)。圖2.12HART通信模塊結構圖其中AD421通過串行接口接收現(xiàn)場儀表內部MCU傳送的數(shù)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行載波接測，如果檢測到FSK頻移鍵控信號，則將1200Hz的信號解調為“1”，2200Hz信號解調為“0”，并通過串口通信傳輸給MSP430，MSP430接收命令幀并作相應的數(shù)據(jù)處理。之后，MSP430產(chǎn)生要發(fā)回的應答幀，應答幀的數(shù)字信號由A5191HRT調制成相應的1200Hz和2200Hz的FSK頻移鍵控信號，并經(jīng)過發(fā)送信號整型電路進行波形整形后，經(jīng)AD421疊加在環(huán)路上發(fā)送。本設計中當A5191HRT接收時，從4?20mA環(huán)路上接收信號，經(jīng)過帶通濾波、放大整形后提取出FSK信號并解調為數(shù)字信號，傳送給MSP430;發(fā)送時，從MSP430接收數(shù)據(jù)，進行調制和波形整形后耦合到AD421內部，通過AD421疊加到環(huán)路上。A5191HRT和MSP430通過后者的通用串行通信接口連接。電路圖如圖2.13所示。圖2.13HART通信模塊電路圖AD421是ADI公司推出的單片高性能數(shù)模轉換器，主要由電壓調整器、數(shù)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可選擇的供電電壓。數(shù)模轉換器采用E—ADAC結構，將16位數(shù)字碼轉換為4?20mA模擬電流。數(shù)字碼是通過和MSP430的三線接口CLOCK、DATA和LATCH從MSP430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、來自UART的HART調制輸入ITXD和請求發(fā)送INRTS;Loop十為4?20mA環(huán)路輸入，經(jīng)過外部電阻電容和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(shù)據(jù)經(jīng)過內部整形電路處理后由管腳OTXA輸出，通過電容耦合到AD421內部，然后疊加到環(huán)路上傳輸；HART調制解調的時鐘信號源于外接的460.8kHz晶體產(chǎn)生的振蕩。其中Loop十和Loop—分別是電流環(huán)路的兩個端口；從MSP430輸入DAC的數(shù)字碼是通過三線接口實現(xiàn)的，分別是時鐘線CLOCK、數(shù)據(jù)線DATA和鎖存線LATCH。在智能流量計中存儲單元用來存儲系統(tǒng)的配置信息、運行狀態(tài)信息等。包括流量總量、歷史流速、氣體溫度、壓力等。當用戶或管理人員需要查看流量表的信息時，MCU從存儲單元中讀取相關信息并將其顯示在LCD上。AT24C01是ATMEL公司出品的采用I2C總線接口的串行E2PROM，內建128x8存儲序列，最高可達1MHz串行時鐘頻率，電壓范圍寬（1.8V-5.5V)。芯片在低壓的工業(yè)與商業(yè)應用中進行了最優(yōu)化，每字節(jié)擦寫次數(shù)可達10萬次、數(shù)據(jù)可保存100年。具體電路圖如圖2.14所示。圖2.14串行存儲器電路AT24C01的第7管腳（寫保護管腳）接地，使該芯片始終處于可以進行寫的狀態(tài)。A0、A1和A2都接地，表示該器件的地址為000。由于I2C是總線工作方式，該總線上還掛有PCF8563時鐘芯片，所以總線上的每個器件都應該有相應的地址，這樣才能實現(xiàn)尋址操作。3渦輪流量計積算儀系統(tǒng)軟件設計3.1軟件總體構成在編制程序時，采用了“自頂向下”的程序設計方法，即從整體到局部，最后到細節(jié)。這種程序設計思路將注意力集中到程序的總體邏輯結構上面，只要總體邏輯結構正確，再復雜的程序也可以按劃分出來的邏輯功能模塊逐個設計出來。整個程序設計分如下三個步驟：1.總體規(guī)劃。包括設計軟件整體結構，劃分子程序模塊。2.具體實現(xiàn)。即模塊化編程，用程序語言把子程序模塊一一實現(xiàn)。把每個子程序模塊設計成只有一個入口和一個出口。這樣一來，各個程序模塊可分別設計，從而使程序的調試、修改和維護都變得比較容易。3.總體組合。即結構化編程，使用結構良好的轉移和調用，將子程序模塊有效地組合成一個整體，使流程明確地從一個程序模塊轉移到下一個程序模塊。3.2軟件開發(fā)環(huán)境渦輪流量計系統(tǒng)軟件主要用C語言編制。目前單片機C語言編程是單片機開發(fā)中比較流行的語言。這是由于C語言有其內在的優(yōu)點，與匯編語言相比，C有以下的優(yōu)點：1.對單片機的指令系統(tǒng)不需要太了解2.寄存器分配、不同存貯器的尋址及數(shù)據(jù)類型等細節(jié)可由編譯器管理3.程序有規(guī)范的結構，可分為不同的函數(shù)，這種方式可使程序結構化4.具有將可變的選擇與特殊操作組合在一起的能力，改善了程序的可讀性5.編程及調試時間顯著縮短，從而提高效率6.已編好的程序可容易地植入新程序，因為它具有方便的模塊化編程技術輕易的完成復雜的數(shù)學運算MSP430系列單片機使用IARWorkbench系統(tǒng)，它的編譯器提供C語言的標準特性，還具有許多為MSP430單片機專門設計的開發(fā)工具。IARWorkbench是一款集編輯、編譯、調試、下載于一體的集成開發(fā)環(huán)境。它提供以下特性[:1.語言工具與ANSI規(guī)格一致可應用于嵌入式系統(tǒng)的標準函數(shù)庫具有可選用的源代碼IEEE兼容的浮點算法對MSP430特殊性能的有力擴展包括高效的I/0用戶代碼與匯編子程序連接長識別符多達255個有效字符多達32000個外部符號2.性能快速編譯避免暫時文件或覆蓋的overlays基本存儲器的設計編譯時嚴格的模塊接口類型檢查程序源的LINT-like檢查3.代碼產(chǎn)生可選擇的代碼速度或大小的最佳化易于理解的出錯和警告消息與C-SPY高級調試器兼容4.目標支持靈活的變量分配不需要匯編語言的中斷函數(shù)使用處理器專用擴展時保持可移植性的#Pragma偽指令3.3流量計系統(tǒng)總體概述C語言支持結構化編程，它的模塊化結構給編程帶來了極大的方便。智能流量計系統(tǒng)的應用程序主要是由主程序和中斷處理程序組成，其中主程序又由多個子程序所組成。主程序包括：系統(tǒng)初始化子程序、配置運行參數(shù)子程序、LCD顯示子程序等；中斷處理子程序包括：流量檢測子程序、溫度壓力檢測子程序、流量補償算法子程序、按鍵輸入子程序、存儲配置數(shù)據(jù)子程序、通訊子程序等。主程序完成儀表的整個管理和控制工作，流程圖如圖3.1所示。流量計初次上電時系統(tǒng)初始化，顯示當前時間，歷史流量數(shù)據(jù)，壓力、溫度和電池電量。用戶可以選擇數(shù)據(jù)清零或保持不變。若是時鐘信號喚醒CPU，則通過渦輪轉速、溫度、壓力值計算出標況下的氣體流量，并將流量值和當前時間存入FLASH中，然后流量表重新進入低功耗模式。若是有按鍵按下，則通過中斷喚醒CPU后調用按鍵子程序，根據(jù)按下的功能鍵顯示當前的瞬時流量、累積流量、溫度、壓力、運行時間等信息。若在一段時間內無按鍵按下則又進入低功耗模式。完畢后進入低功耗模式。若是用戶通過菜單選擇了R485或HART通訊，系統(tǒng)將調用相應的通訊子程序自動將當前或是歷史流量信息發(fā)送給上位機。若是流量傳感器報警，流量計報警并關閉電動閥，存儲報警標志，延時一段時間后進入低功耗模式。若流量計電池能量不足，LCD顯示“電量不足”符號，提示用戶更換電池。圖3.1主程序流程圖睡眠及喚醒智能流量計系統(tǒng)時用了兩個不同的工作模式：活動模式、低功耗模式3。通過狀態(tài)寄存器的4位控制位：CPUOff，OSCOff，SCG0,SCG1控制CPU的工作模式。CPUOff=0，OscOff=〇，SCG0=〇，SCG1=0時系統(tǒng)處于活動模式中。CPUOff=1，〇sc〇ff=〇，SCGO=1，SCG1=1時系統(tǒng)處于低功耗模式3(LPM3)中。系統(tǒng)進入低功耗模式3的指令很簡單：LPM3;然而從低功耗模式3返回到活動模式就比較復雜了。這是因為如果一個允許的中斷喚醒CPU后，就會進入中斷服務程序，開始以下處理：SR和PC保存入堆棧，保存了中斷事件發(fā)生時的現(xiàn)場而后SR中的工作模式控制位CPUOff，OscOff，SCGO，SCG1自動被復位從中斷返回后，PC指向下一條指令。這時候保存的SR將被恢復，系統(tǒng)又將處于低功耗模式，禁止了CPU的活動，PC所指的指令無法執(zhí)行。為了使程序從SR中的CPUOff或OscOff置位的指令之后的地址繼續(xù)執(zhí)行，中斷服務程序必須將保存在堆棧中CPUOff，OscOff，SCGO，SCG1位清除。這樣，當執(zhí)行RETI指令后，SR從堆棧推出，CPU就又進入了活動模式。例：；主程序……；初始化操作開始；初始化完畢BIS#GIE+CPU〇ff，SR；主程序中設置低功耗模式0L1操作1L2操作2；中斷子程序；中段處理結束BIC#CPUOff，0(SP)；設置SR為活動模式RETI；中斷返回，系統(tǒng)進入活動模式主程序執(zhí)行到低功耗模式0處，停止操作。L1，L2語句不執(zhí)行。之后中斷事件保存PC(L1指令地址）和SR(低功耗模式0)，中斷喚醒CPU，執(zhí)行中斷處理子程序，由于在中斷處理子程序中將堆棧的SR設置為活動模式，所以中斷返回指令RETI執(zhí)行后，CPU處于活動狀態(tài)，可以從PC指向的L1指令處開始繼續(xù)執(zhí)行除此之外，中斷服務程序還負責判斷中斷源，即是時鐘喚醒還是有按鍵按下，并作相應的處理。3.4渦輪脈沖采集部分渦輪脈沖的數(shù)量和頻率是氣體流量和流速的反映，本測量儀表利用MSP430單片機的捕獲/比較模塊方便準確的完成了采集工作，簡化了外圍電路，提高了可靠性。MSP43單片機有多個相同的捕獲/比較模塊，當捕獲事件發(fā)生時將引起中斷。每個捕獲/比較寄存器都能被軟件用于時間標記，可用于各種目的，例如：①測量軟件程序所用時間②測量硬件事件之時間③測量系統(tǒng)頻率本測量系統(tǒng)的軟件設計思路是當捕獲模塊捕獲到霍爾傳感器發(fā)出的脈沖后進入中斷程序，在中斷程序中設置變量N,每次進入中斷程序N便加1,N即為脈沖數(shù)；每次進入中斷同時讀取定時器A的值，并用檔次A的值減去上一次的值，即可得到兩次脈沖的間隔時間；把累計100個脈沖間隔時間相加便得到這100個脈沖的總時間，進而可以方便的求出渦輪的轉速。3.54-HART通訊模塊程序數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定HART協(xié)議幀的格式，實現(xiàn)建立、維護、終結鏈路通信的功能。HART協(xié)議根據(jù)冗余檢錯碼信息，采用自動重復請求發(fā)送機制，消除由于線路噪聲或其他干擾引起的數(shù)據(jù)誤碼，實現(xiàn)數(shù)據(jù)無差錯傳送。HART協(xié)議信息幀的格式如表4.2所示?，F(xiàn)場儀表要執(zhí)HAR指令，操作數(shù)必須合乎指定的大小。每個獨立的字符包括：1個起始位、8個數(shù)據(jù)位、1個奇偶校驗位和1個停止位。由于數(shù)據(jù)的有無和長短不恒定，所以HART數(shù)據(jù)的長度也不一樣，最長的HART數(shù)據(jù)包含25字節(jié)。應用層即為HART命令集，用于實現(xiàn)HART指令。命令分為三類，即通用命令、普通命令和專用命令。HART協(xié)議通信中，主要的變量或控制信息一般由4?20mA傳送，另外的諸多的測量數(shù)據(jù)、設備參數(shù)、校準信息、診斷信息等通過HART協(xié)議傳輸，采用半雙工通信方式。表3.1HART協(xié)議信息幀的幀格式PreambleSDADCDBCStatusDataParity序文定界符地址命令號數(shù)據(jù)長度響應碼數(shù)據(jù)校驗和HART協(xié)議通信模塊的通信過程首先由主機（上位機）發(fā)送命令幀發(fā)起，現(xiàn)場儀表作為從設備使用中斷調用子程序的方法完成接收和應答?，F(xiàn)場儀表在上電或看門狗復位后，主程序首先對HART協(xié)議通信模塊進行初始化，例如設定UART的工作方式、串行通信波特率、數(shù)據(jù)幀格式、清通信緩沖區(qū)、開中斷等，之后將其設置為等待狀態(tài)。上位機發(fā)送命令時，A5191HRT的載波檢測輸出OCD變?yōu)榈碗娖剑|發(fā)UART中斷，程序進入接收過程。MCU完成主機命令的接收、解釋并執(zhí)行相應的操作后，按一定格式生成應答幀并送入發(fā)送緩沖區(qū)，完成發(fā)送后再次將HART協(xié)議通信模塊設置為等待狀態(tài)。圖4.6為HART協(xié)議通信模塊接收主機幀、回復應答幀的程序流程圖。HART協(xié)議通信模塊通過上圖所示的中斷調用子程序的方法，完成現(xiàn)場儀表和主機之間的通信，