一种新型液体涡轮流量计的设计
0 引言
涡轮流量计具有精度高、重复性好、测量范围广和结构紧凑等优点,但工业现场的环境比较恶劣,干扰严重,且国内现有的大量智能流量计采用传统的C51系列单片机,在电路设计上需要扩充大量的功能芯片,使抗干扰能力下降,影响了测量精度[1-2]。现利用C8051F020单片机设计的智能型涡轮流量计,不但保证了较高的脉冲测量与脉冲输出精度,而且满足HART通信与4~20 mA输出的低功耗要求。
HART协议是在现有模拟信号传输线上实现数字信号的通信,是可寻址远程传感器高速通道的开放的通信协议,已在很多智能仪表中得到应用。为满足用户的使用需要,系统增加了HART模块,并设计了现场显示、仪表系数与累计流量存储和键盘管理的人机交互界面,以完成对液体的瞬时和累积流量的计量和监控。
1 硬件设计
流量计采用总线供电,即流量计仪表表头的工作电流要从4~20 mA的总线上截取,且流量计仪表表头的工作电流必须小于4 mA,否则无法调整仪表的零点输出。
功耗问题是流量计仪表表头设计的难点之一。解决这一问题的主要方法是用两个隔离的电源对流量计表头进行供电,即采用DC/DC模块,使两个电源在4~20 mA的总线上串联工作,由DC/DC模块隔离输出端分担部分功耗负载,确保4~20 mA总线环路上的电流功耗小于3.5 mA。这样不仅解决了功耗问题,而且还提高了流量计的工作稳定性。此外,流量计表头均选用低功耗的核心元器件,以降低整机功耗。流量计仪表表头设计的难点之二是流量计仪表表头HART通信信号的稳定性和可靠性问题。要解决这一问题,首先,在功耗允许的情况下提高CPU的运行速度,有效利用CPU的资源,从而提高软件的运行效率;其次是采用HART成熟的通信滤波电路,确保HART通信的稳定性、可靠性和抗干扰能力。因此,CPU选用C8051F020。
C8051F020系统功耗低,工作电压范围为2. 7~3.6 V,具有多种节电和停机模式; C8051F020具有与高速流水线结构8051兼容的CIP-51内核(运算速度可达25MIPS),在同等条件下C8051F020的运行速度比C51的运行速度快20倍;而且, C8051F020具有可同时使用的SMBus(I2CTM兼容)、SPITM和两个UART串口,其SPI口与外设交换数据能大大减少软件开销,提高CPU的工作效率[3]。另外,可充分利用C8051F020丰富的片内资源,使整个流量计表头电路更加简洁可靠。C8051F020内含可编程增益和可编程转换速率的12位快速A/D,可用于采集温度和压力信号;C8051F020还具有可编程的16位计数器/定时器阵列,可用于当量脉冲的输出;另外,它还具有64 kB的Flash存储器、4 352 B的RAM、片内JTAG调试和边界扫描,软件调试十分方便。
涡轮流量计表头主要包括核心控制器件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。
相关文章
- 2023-01-16基于边缘特征的工件图像匹配
- 2022-12-27齿轮结构智能化几何建模方法研究
- 2024-05-06基于ARM的超磁致伸缩微驱动器的偏置与驱动电路设计
- 2024-01-10汽车采样系统与汽车衡系统联网的实现过程
- 2024-03-15涡街流量计在蒸汽流量测量中的应用
请自觉遵守互联网相关的政策法规,严禁发布色情、暴力、反动的言论。