智能差压式流量计由一次仪表和二次仪表组成        根据流量计的结构原理,流量计大致上可归纳为容积式流量计、叶轮式流量计、差压式流量计、变面积式流量计、动量式流量计、冲量式流量计、电磁流量计、超声波流量计、流体震荡式流量计、质量式流量计等类型.其中,差压式流量计由一次仪表和二次仪表组成,一次仪表称为流量测量元件,它安装在被测流体的管道中,产生与流量（流速）成比例的压力差,供二次装置进行流量显示.二次装置称显示仪表.它接收测量元件产生的差压信号,并将其转换为相应的流量进行显示.利流量计设计技术需要不断的更新以适应微电子技术、计算机技术等的发展.以华邦单片机W77E58为核心,使用新型的模数转换芯片AD7714,设计了智能差压式流量计二次仪表.仪表具有流量检测、累积流量计算、数码管显示、按键控制、数据存、HART通讯等功能.测试表明,二次仪表具有精度高、功耗低、响应迅速的特点. 用差压测量流量的方法历史悠久,比较成熟,世界各国一般都用在比较重要的场合,约占各种流量测量方式的70%.发电厂里蒸汽、给水、凝结水等的流量测量都采用这种表计.我国的差压式流量计设计起步较晚[1].本文讨论该类流量计二次仪表的开发.     1 系统原理     差压式流量计主要由感受压差的差压电容传感器、产生将电容转化为电压的振荡信号的振荡器和解调器,对微弱电压信号进行采集后数字显示和实现通讯的二次仪表部分等环节构成.差压式流量计的结构如图1所示[2-3].     图中虚线左侧部分包括传感器和实现电容到电压转化的振荡器和解调器,通常称为一次仪表（在有些场合,一次仪表还包括将微弱电信号放大的前置放大器）.虚线右侧部分主要包括模数转换、显示、存储、通信等功能模块,通常称为二次仪表.     2 硬件设计     图1中的单片机选用与标准8051相兼容的华邦单片机W77E58.它具有执行指令快、功耗低等优点.内置了32k的EEPROM程序段和1k的外部SRAM.以及可用于同时和HART协议芯片（HT2012）以及PC进行通信的两个串口.选用了MAXIM公司带隔离的232协议芯片MAX252提高抗干扰能力.为满足显示、存储等功能的接口控制需要,选用ALTRA公司CPLD芯片EPM7128实现端口的扩展及系统涉及的其他逻辑功能.     2.1 存储模块 存储器芯片选用DALLAS公司的日历时钟芯片DS1644,这是64kbyte的SRAM存储芯片,不需专门的烧写器便可进行读写操作.内部有专门的字节用来记录当前的年月日时分秒,在初始化后日历时钟启动,之后可在任何时间读取当前日期时间,这样可方便地在记录数据的同时记录时间.在没有外部电源的情况下,数据可保持10a以上.     2.2 显示控制     系统采用7个7段LED数码显示管实时显示瞬时流量,并设置了多个按键可以根据需要显示累计流量、温度、日期等不同参数.     7个数码管采用动态显示方式,数码管的位选信号和段选信号由CPLD的扩展端口提供,作为段选信号的8位CPLD输出端口与LED数码管之间用74HC245作驱动,作为位选信号的7位CPLD输出端口与LED数码管之间用ULN2003作驱动,原理框图如图3所示.     2.3 模数转换模块 一次仪表的输出信号为直流量,并叠加高频分量,AD7714的片内数字滤波器可以滤除高频分量,消除其对测量值的影响.另外它的输出阻抗小,因此不需作阻抗匹配.二次仪表中的模数转换器采用的是AD7714,它使用Σ2Δ（和2差）转换技术实现最高可达24位精度的优良性能.片内的具有可编程增益的前端使它可以直接从传感器接收低电平信号并输出串行数字.它适用于较低频测量应用,最低转换频率为5Hz,此时若增益值为1,则转换精度可达到22.5位[4]. AD7714与单片机的连接示意图如图2所示. AD7714的模数转换基准源使用了AD421提供的+2.5V基准电压,从而可省去外接基准电压源电路.     2.4 HART（HighAddressableRemoteTransducer可寻址远程传感器高速通道）通信协议是一种过渡性协议,其特点是现有模拟信号传输线上实现数字通信,属于模拟系统向数字系统转变过程中工业过程控制的过渡性产品,因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争能力,得到了较好的发展.HART通信模型由3层组成.物理层、数据链路层和应用层.物理层采用FSK（FrequencyShiftKeying）技术在4～20mA模拟信号上迭加一个频率信号,频率信号采用Bell202国际标准.数据传输速率为1200bit/s,逻辑“0”的信号频率为2200Hz,逻辑“1”的信号传输频率为1200Hz.如图5所示[3]. 4～20mA电流与HART协议     4～20mA信号是国际通用标准信号,常用于远距离模拟信号传送.在工业现场采用长线模拟电压传送会产生以下问题.第一,由于传输的信号是电压信号,传输线会受到噪声的干扰.第二,传输线的分布电阻会产生电压降.第三,在现场如何提供仪表放大器的工作电压也是个问题.为了解决上述问题和避开相关噪声的影响,常采用电流来传输信号,因为电流对噪声并不敏感.4～20mA的电流环便是用4mA表示零信号,用20mA表示信号的满刻度,而低于4mA高于20mA的信号用于各种故障的报警.基于AD421产生4～20mA电流环的电路如图4所示[9].     随着计算机技术的发展,数字化传输成为趋势,但是基于4～20mA电流传送的仪表普遍存在,因此产生了与4～20mA电流相兼容的HART协议.         HT2012正常工作要求外部460.8kHz的振荡频率信号,用1.8432MHz的有源晶振经由4040分频器4分频得到,原理如图8所示. 由于正弦信号的平均值为0,因此HART信号不会影响4～20mA直流信号的平均值,使HART通讯信号和4～20mA直流信号并存而不相互干扰.     SMAR公司生产的HT2012是专门为HART产品而设计生产的.解调器通过IRXA获得FSK信号,FSK信号经解调后在ORXD输出数字信号,ORXD直接与CPU的异步串行输入口相连.调制器通过ITXD获得CPU异步串行输出口的数字信号,该信号经调制后在OTXA输出FSK信号,FSK信号经整形后加载到4～20mA输出回路上.IN2RTS启动调制解调器输出FSK信号,OCD作为载波侦听输出,在IRXA有FSK信号时变为低电平,启动CPU1读取ORXD处的解调信号.由于HT2012芯片解调部分的输入信号取自4～20mA回路,该信号必须经过带通滤波器以除去环境噪声干扰,并经触发器转换成方波进入IRXA.调制部分的输入信号取自CPU的异步串行输出口,该信号必须在调制后经整形电路加载到4～20mA回路.     带通滤波电路如图6所示,波形整形电路如图7所示.         3 零点漂移与温度漂移补偿 任何仪表都存在初始零漂,另外由于仪表提供的设计温度与实际运行的工作温度有一定的差异或者由于工艺造成流体温度波动较大,致使测出的流量不能真实反映其工作状态下的实际流量.绝大多数流量计,只有在流体工况与设计条件一致的情况下才能保证较高的测量精度,有些流体如气体、蒸汽,流体工况变化对测量精度的影响特别大,必须进行补偿. AD7714的多种校准模式可以解决温度漂移的问题.自校准和零、满刻度校准可以有效校准初始的零漂.对于长时间的测量可以使用背景校准模式,当环境温度或电源发生变化时,不必担心期间失调的重新校准.在背景校准模式下,校准与正常转换交错进行,即数据输出率为设定值的一半,这在需要大量数据等情况下是不允许的,因此比较折中的方法是以一定的时间周期进行自校准. 为了不影响测量的速率,使用软件的方式补偿温漂.使用温度传感器实时采集环境温度,进行软件补偿. 数字温度传感器芯片DALLAS18B20以单线串行输出数字温度值,可直接由单片机接收后转换成相应的温度值进行存储、显示和补偿处理.它的测温范围为-55℃～+100℃,输出9位或12位串行数字,其连接方式如图11所示.图中3号引脚标为空,但在调试系统时发现在此情况下必须接高电平才能正常工作,因此电路中置高. 4 软件设计     程序采用模块化设计,其流程如图9所示.     中断子程序完成数据的采集和发送等工作,其流程如图10所示.     5 测试及结论     当输入端用固定的电容模拟传感器输出时,且AD7714采样频率为5Hz,A/D转换的精度可达15位以上,能满足流量测量的需求.仪表设计完成后进行了相关的测试.通过测试,仪表完成了流量检测、累积流量计算、数码管显示、按键控制、数据存储、与基站通讯的功能.         参考文献.     [1] 翟秀贞等.差压型流量计[M].北京2中国计量出版社.1995.     [2] 杨金岩.武翠琴.张向东.4～20mA电流变送器AD421及其应用[J].现代电子技术,2001,7,76278.杭州哈泰克科技有限公司.HART协议简介及智能化技术[EB/OL].     [3] 王晓明.徐文尚.付言浩等.一种实用智能变送器的设计与实现[J].仪器仪表学报,2005,8,1682170. 辛长宇.吕秀江.张泳AD421与HART调制解调器20C15的接口[J].电子产品世界.2001.9B. 卫敏.HART调制解调器HT2012的原理和应用[J].安徽电子信息职业技术学院学报.2004（5,6）280,277.     [4] 武汉力源电子股份有限公司.AD7714（中文）[DB/OL].ht2tp.//www.p8s.com,1999.     [5] 郭吉祥.郭荣祥.吴星明等.AD42116位串行输入4～20mA电流环路输出数模转换器的原理及其应用[C]//模拟器件应用专文.1997.6.推荐产品.电磁流量计,压力变送器,新型靶式流量计,超声波流量计,涡街流量计,涡轮流量计,热电偶.