流量計的硬件設(shè)計 智能金屬管浮子流量計的硬件采用模塊化設(shè)計，共分為傳感器 單元、微處理器單元、顯示單元、總線通信單元和供電單元等五個 模塊。硬件框圖如圖 1 所示。 基于 HART 協(xié)議的智能金屬管浮子流量計 路宗強(qiáng) （承德石油高等?？茖W(xué)校 , 河北 承德 067000） 摘 要：介紹了智能金屬管浮子流量計的設(shè)計思路，以及系統(tǒng)硬件及軟件設(shè)計。該流量計由于采用了高性能微處理器，一方面將 HART 協(xié)議移 植到金屬管浮子流量計上實現(xiàn)總線通信，另一方面采用 Kalman 濾波方法，提高了流量計的精度。同時在產(chǎn)品的設(shè)計上采用模塊化設(shè)計降低了 系統(tǒng)的運(yùn)行故障。經(jīng)現(xiàn)場測試，流量計在組態(tài)、精度、可靠性等方面都達(dá)到了設(shè)計要求。 關(guān)鍵詞：HART 協(xié)議；智能金屬管浮子流量計；低功耗；Kalman 濾波 單元將從 HART 總線接收到的信號解調(diào)，然后將數(shù)字信號送給微 處理器單元。從而實現(xiàn)了智能金屬管浮子流量計和上位機(jī)之間的 雙向通信。 3 流量計的軟件設(shè)計 智能金屬管浮子流量計的軟件設(shè)計采用模塊化編程結(jié)構(gòu)，主要 包括三個部分：輸入模塊、控制模塊、輸出模塊。所有程序代碼均 現(xiàn)場信號的檢測，由傳感器單元來完成，將磁鋼嵌在流量計的 浮子內(nèi)部，霍爾元件固定在流量計外管壁，當(dāng)流量改變時，浮子位 置改變，磁鋼的磁場隨之改變，霍爾元件輸出的電壓經(jīng)放大調(diào)理后 送入微處理器單元。 微處理器單元的核心選用 TI 公司的 MSP430FE425，其運(yùn)算速度 高、超低功耗的同時，內(nèi)部集成了 AD 轉(zhuǎn)換器和 FLASH 存儲器，因 此可以有效地減少系統(tǒng)的配置，大大簡化了系統(tǒng)的硬件組成，提高 系統(tǒng)的運(yùn)行的可靠性。微處理器單元接收傳感器單元的檢測信號， 經(jīng)濾波、溫度補(bǔ)償后將現(xiàn)場實際流量值送至顯示單元顯示，同時經(jīng) 總線通信單元、HART 總線送至上位機(jī)。 總線通信單元是 HART 協(xié)議物理層的硬件實現(xiàn)。一方面微處 理器單元送出的數(shù)字信號經(jīng)調(diào)制解調(diào)器 HT2012 調(diào)制成 FSK 頻移 鍵控信號，疊加在環(huán)路上發(fā)送到 HART 總線。另一方面總線通信 采用 C 語言編寫。 輸 入 模 塊 主 要 包 括 數(shù) 據(jù) 采 集、 濾 波、 溫 度 補(bǔ) 償、非線性補(bǔ)償和數(shù)值計 算等，總體采用定時器中 斷方式，程序流程圖如圖 2 所示。輸入模塊中的非 線性補(bǔ)償程序采用分段線 性擬合的方式來實現(xiàn)。通 過 采 集 9 組 或 11 組 流 量 信號，作為擬合直線的端 點(diǎn)，當(dāng)前采樣值按數(shù)據(jù)大 小得到擬合曲線段的斜率 和初始數(shù)據(jù)，代入擬合方 程即可得到修正后的流量 數(shù)據(jù)。 控 制 模 塊 包 括 鍵 盤 處 理程序和看門狗程序，鍵 盤處理功能是通過中斷方 式設(shè)置標(biāo)志位在置入?yún)?shù) 子程序中實現(xiàn)的。智能金 屬管浮子流量計在通過總 線組網(wǎng)，實現(xiàn)上位機(jī)組態(tài) 調(diào)試的同時，通過鍵盤， 可以就地調(diào)試。 輸 出 模 塊 包 括 顯 示 程 序和通信中斷服務(wù)程序。 通信中斷服務(wù)程序流程圖 如圖 3 所示。 4 結(jié)論 在設(shè) 計 過 程 中， 我 們 一 方 面 采 用 了 高 性 能、 低 功 耗、 低 成 本的微處理器，在金屬管浮子流量計上實現(xiàn)了 HART 總線通信， 實現(xiàn)了上位機(jī)組態(tài)，連接圖如圖 4 所示。另一方面充分考慮智 能金屬管浮子流量計在現(xiàn)場工作時由于管道機(jī)械振動和磁場不 穩(wěn)定的干擾，微處理器獲得的信號有噪音，采用數(shù)字信號處理 方法結(jié)合現(xiàn)代濾波技術(shù)，采用 Kalman 濾波方法，提高了流量 計的精度。同時由于采取了溫度補(bǔ)償措施，提高了流量計的抗