基于DSP的两相流计量系统二次仪表的研制

　　0　引言

　　目前,我国油气田开发重点向西部和海上转移,在对开采过程中凝析天然气的气相和液相进行计量的环节中,考虑到交通不便、周围电力设施缺乏等条件,由计算机进行数据采集和数据处理显得十分不便,因此开发出一种单口气井两相流在线实时计量的体积小、功耗低的计量系统就十分必要,采用二次仪表代替计算机进行数据的采集和处理实现了这一要求。随着性价比的提高,DSP芯片将在仪器仪表等领域得到广泛的应用,采用DSP作为二次仪表数据采集和数据处理的核心可以提高系统的性能。

　　1　二次仪表硬件设计

　　由于测量的是两相流体,气相和液相相互影响,系统的一次仪表以差压式流量计为基础,采用双节流元件进行测量,相应变送器测得的4路模拟量p、p₁、p₂、T送入二次仪表。二次仪表功能框图如图1所示,该仪表以DSP为核心,扩展外围器件,包括A/D转换器、各种存储器、键盘、液晶显示器等,主要功能为将输入A/D转换器的4路模拟量转换为数字量,通过流量程序计算出气相和液相的流量,实时显示出来,并提供用户操作界面。系统DSP芯片选用TMS320VC5402,它是一款低功耗的16位定点数字信号处理器, CPU最高工作频率可达100 MHz,可以实现高效的数字信号处理,其片内外设包括定时器、主机接口、多通道缓冲串口(McBSP)、直接存储器访问(DMA)控制器、软件可编程的等待状态发生器等。[1]

　　1. 1　串口数据采集电路

　　系统A/D转换器选用ADS8341,ADS8341具有4个输入通道,精度为16位,属于同步串行接口(SPI),供电电压为2.7~5 V,在3.3 V供电和100 kHz采样速率的条件下,功率损耗低于8 mW.系统ADS8341工作电压为3.3 V,参考电压为3.3 V,与DSP的连接如图2所示。ADS8341的CH0~CH4输入模拟信号为4~20 mA的标准电流信号,而参考电压为3.3 V,所以选用150Ω的标准电阻,将输入电流信号转换成0.6~3.0 V的电压信号.

McBSP时钟停止模式与SPI协议兼容,系统利用McBSP0与A/D通信,并将McBSP0作为主设备。时钟停止模式是指时钟会在每次数据传输结束时停止,并在下次数据传输开始时启动。McBSP0的数据发送端BDX被用作SPI协议的主出从入信号(MOSI),数据接收端BDR被用作主入从出信号(MISO),发送帧同步信号BFSX用作从设备使能信号(SS),发送时钟信号BCLKX用作串行时钟(SCK), BCLKR和BFSR在内部与BFSX和BCLKX相连,外部可以不连接[2]。串行接口方式不仅充分利用了DSP片上资源,而且由于采用较少的信号线,降低了功耗。

　　1. 2　灵活利用DSP资源实现人机交互

　　人机交互包括键盘和液晶显示,以便用户察看系统运行过程中的相关信息并设计相关参数。这部分的设计充分利用了DSP片上资源,以降低总线占用率,提高系统整体性能。为满足系统小型化的需要,键盘采用3×3的矩阵贴膜按键,实现各种参数的设定和系统的控制, DSP的McBSP1配置为通用I/O口来检测键盘行列线的状态,采用行扫描法识别按键,结合片内定时器Timer0定时扫描按键。液晶显示器采用C12864,用于显示系统工作过程中的各种信息,它是一种图形点阵液晶显示器,可显示8×4个汉字,工作电压为+5 V.为了与DSP接口电平兼容,两者通过SN74LVC4245实现电平的转换,并将LCD配置在DSP的IO空间。DSP的主机接口HPI配置为通用IO口,与LCD的8位数据线通讯, DSP的A0-A4地址线分别与LCD的RS、CS1、CS2、R /W、E脚相连,用于模拟LCD7种指令的操作时序。