两线制低功耗流量显示仪设计

　　1　引言

　　现场过程检测仪表一般都要求两线制4~20 mA环路供电,也就是供电直流电压为12~48 V,而环路中的电流为工业用标准4~20 mA,因此整个仪表必须保证4 mA供电,如果考虑10%的波动,即在3·6 mA供电的情况下都能正常工作,则整个系统的低功耗设计是关键和难点。如果传感器电路所需的供电电流为1·5 mA左右,那么二次显示仪表的消耗电流不能超过2·1 mA.为了使流量显示仪工作在低功耗状态,无论在单片机型号、硬件电路芯片、显示器等的选取上,还是在系统的工作方式和芯片的供电方式等方面都要进行严格的设计、计算和实验。

　　2　工作原理

　　以二线制智能涡街流量计为例,二次仪表通过测量涡街传感器的频率信号和温度、压力补偿信号,计算流体的流量,保存并显示瞬时流量和累计流量。由于显示仪要与不同的传感器配套,需要进行参数设置,所以有人机接口要求,包括按键和串口通讯等。瞬时流量计算公式如下:

　　式中:Q为瞬时流量值,或kg;f为频率测量值,Hz;K为仪表系数,可输入参数;P为压力测量值,kPa;T为温度测量值,℃。每s测量1次频率,完成1次瞬时流量和累计流量计算,并刷新显示;每min测量1次压力和温度;每10 min记录1次累计流量(含时间标签),保存在EEPROM中,要求保存1~3个月。

　　3　硬件电路低功耗设计

　　图1所示为流量显示仪硬件结构图。微处理器选用PIC16LC67型单片机。当采用32 kHz晶振、3 V工作电压时,其典型工作电流只有15μA.液晶显示器耗电流约50μA.设计的硬件电路中各主要器件所耗电流如表1所示。

　　4　软件设计

　　硬件系统采用PIC单片机的I/O口给某些元器件供电(I/O口最大供电电流可达20 mA),这样可以通过控制I/O口的输出,有效控制硬件系统的功耗,使之达到最低状态。有关电路设计的耗电流计算如下:

　　(1)在对EEPROM进行读写操作时,不允许通讯和进行温

度、压力测量,因此断开相关器件的供电,即断开MAX3232和LTC1594L的电源,此时整个电路所耗电流约为1·93 mA;

　　(2)EEPROM处于待命状态。其他电路处于正常工作时,其整个电路所耗电流为1·495 mA.从理论计算看,该电路满足要求。

　　通过最后实际电路的测试,整个电路的功耗小于2 mA,因此设计的电路满足低功耗两线制供电要求。

　　除了在设计方面、元器件型号的选取和系统的工作方式等方面考虑低功耗的因素外,在印刷线路板的设计、布线及元器件的布放等方面也应考虑,如图1。

　　图2所示为流量显示仪软件编制的框图。该显示仪的软件和接口调试是在具有PIC单片机的C编译器功能的仿真开发机上进行的。软件全部用CPIC语言编写成模块式的子函数,这样利于软件集成和调试。在接口调试过程中解决的难点主要是数据采集、显示和I2C总线上数据发送与接收的时序匹配与单片机寄存器的设置问题,因为基本上全用串行方式,这有利于减少接口芯片,降低功耗。必须注意I2C总线上上拉电阻的匹配问题,否则它会影响数据的读写。