林新霞 章圣意 殷興景 黃象克

(浙江蒼南儀表廠，浙江 溫州 325800)

多功能體積修正儀的研制

林新霞 章圣意 殷興景 黃象克

(浙江蒼南儀表廠，浙江 溫州 325800)

為滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)能源計(jì)量的多種要求，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)流量測(cè)量的準(zhǔn)確性、科學(xué)性，研制了一款多功能體積修正儀。該修正儀采用微功耗、功能強(qiáng)大的處理器，高速模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片以及合理化軟件設(shè)計(jì)，提高了流量測(cè)量的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確度。同時(shí)，鋪以短距離無(wú)線通信、遠(yuǎn)距離通信、高效率電源等技術(shù)，使得流量計(jì)量更準(zhǔn)確、更科學(xué)。實(shí)際應(yīng)用表明，該款多功能體積修正儀功能齊全、性能優(yōu)越，具有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

MSP430F5438 修正儀 無(wú)線通信 低功耗 流量計(jì)量 模擬信號(hào)

0 引言

隨著能源計(jì)量網(wǎng)絡(luò)的不斷完善和發(fā)展，對(duì)流量計(jì)量多樣化提出了新的要求。為了滿足現(xiàn)場(chǎng)不同類型流量信號(hào)的采集和計(jì)量，需要配備性能優(yōu)越并符合智能化、網(wǎng)絡(luò)化要求的智能積算儀，以組成完善的流量計(jì)量系統(tǒng)。

本文所述多功能體積修正儀(以下簡(jiǎn)稱修正儀)由溫度、壓力檢測(cè)通道、流量檢測(cè)通道以及微處理單元、液晶驅(qū)動(dòng)電路和其他輔助電路組成［1］。從各傳感器送來(lái)的信號(hào)，經(jīng)轉(zhuǎn)換處理后由微處理器按照各自的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)就地顯示數(shù)值和多種信號(hào)遠(yuǎn)傳，并同流量基表組成完善的流量計(jì)量?jī)x表。

1 系統(tǒng)功能需求和設(shè)計(jì)思想

修正儀由3.6 V鋰電池供電，平均功耗小于1.5 mW，8～30 V外電源供電，整機(jī)功耗小于1 W，并隔離處理。當(dāng)接入外電源時(shí)內(nèi)電源自動(dòng)切換，以延長(zhǎng)電池使用壽命。修正儀系統(tǒng)功能需求描述如下。

①能采集并配置高或低頻脈沖流量信號(hào)、阻值或4～20 mA電流溫度信號(hào)、電壓或4～20 mA電流壓力信號(hào)，滿足不同類型的傳感器信號(hào)采集。

②能采集燃?xì)鈭?bào)警器等類型的報(bào)警信號(hào)并進(jìn)行存儲(chǔ)記錄。

③溫度壓力采集間隔時(shí)間可設(shè)置，在休眠狀態(tài)下溫度壓力可檢測(cè)顯示且間隔時(shí)間可設(shè)置。

④可設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下溫度、壓力值。

⑤可記錄流量啟停、流量高低報(bào)警、溫度壓力高低報(bào)警、電池電壓報(bào)警等事件數(shù)據(jù)。

⑥記錄實(shí)時(shí)、月平均、日平均、月最高、日最高等溫度、壓力、流量的歷史數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量增至1 MB，豐富的數(shù)據(jù)記錄信息滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)不同的控制要求。

⑦能配置工況流量上下限、標(biāo)準(zhǔn)流量上下限、壓力上下限、溫度上下限、電池欠壓報(bào)警等多種報(bào)警信號(hào)輸出組合，與IC卡表配套使用的定標(biāo)脈沖輸出。

⑧供儀表標(biāo)定使用的工況脈沖輸出，各輸出端口具有足夠的驅(qū)動(dòng)能力，滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的不同要求。

⑨可在線實(shí)現(xiàn)程序編程和升級(jí)。

⑩設(shè)計(jì)時(shí)考慮過(guò)壓、過(guò)流及靜電保護(hù)措施，以及適當(dāng)?shù)姆览讚?、防浪涌的能力，保證流量計(jì)量?jī)x表的穩(wěn)定性和可靠性以及適應(yīng)惡劣環(huán)境的能力。

修正儀除了滿足流量測(cè)量?jī)x表的功能需求外，測(cè)量精度和范圍方面的考慮也是功能需求的一方面。

修正儀整體設(shè)計(jì)思想采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法，先明確總?cè)蝿?wù)，再分解成為子任務(wù)［3］。將較大、較復(fù)雜、較難的問(wèn)題分解成若干小的、簡(jiǎn)單的、易解決的問(wèn)題，并注意子任務(wù)間的聯(lián)系和互動(dòng)。某些場(chǎng)合也采用自底向上的設(shè)計(jì)方法，配合現(xiàn)有的電路、模塊、器件來(lái)快速高效地解決問(wèn)題。修正儀在軟硬件設(shè)計(jì)上合理分工、相互配合，通過(guò)軟件來(lái)完成復(fù)雜的運(yùn)算、系統(tǒng)的管理和控制，通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)特定的功能模塊。具體分析技術(shù)路線如圖1所示［2］。

圖1 技術(shù)路線Fig.1 Technical strategy

2 系統(tǒng)模塊劃分和硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 CPU選型

系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示［4］。

圖2 電路結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Block diagram of the circuitry structure

由于多功能修正儀采用電池供電方式，因此，CPU的選型應(yīng)著重從低電壓、低功耗、高負(fù)載能力等方面考慮。美國(guó)TI公司的MSP430系列單片機(jī)在這方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，并且可滿足較高速率的通信要求。此外，從性價(jià)比考慮，MSP430F5438是一款超低功耗Flash型、16位RISC指令集單片機(jī)，有豐富的片內(nèi)外設(shè)。該單片機(jī)具有以下特點(diǎn)。

①超低功耗，MSP430F5438具有5種不同的工作模式，工作電流視工作模式不同而不同，最大不超過(guò)400 μA，工作電壓為2.2～3.6 V。數(shù)位控制振蕩器(digital control oscillator，DCO)可在不超過(guò)5 μs的時(shí)間內(nèi)從低功耗模式喚醒至主動(dòng)模式。

②強(qiáng)大的處理能力，具有豐富的尋址方式(源操作數(shù)7種，目的操作數(shù)4種)，采用RISC指令集，核心指令27條。片內(nèi)寄存器數(shù)量多，有高效的查表處理方法，以保證程序編制的高效性。中斷源較多，可以實(shí)現(xiàn)中斷嵌套，使用時(shí)靈活方便。

③豐富的片上外圍模塊，MSP430F5438具有12位的A/D精密模擬轉(zhuǎn)換器、32位硬件乘法器、2組頻率可達(dá)8 MHz的時(shí)鐘模塊、16位定時(shí)器、看門狗、4個(gè)通用串行通信接口、多達(dá)87個(gè)通用I/O引腳;并且端口P1和P2具有中斷能力，每一引腳都可以單獨(dú)選擇中斷觸發(fā)方式、單獨(dú)允許中斷。

④方便高效的開發(fā)方式，MSP430F5438具有JTAG接口，可以方便地通過(guò)JTAG調(diào)試電路實(shí)現(xiàn)程序的下載和調(diào)試。

基于MSP430F5438的這些優(yōu)點(diǎn)，本文選用該款芯片作為多功能體積修正儀微處理器。

2.2 系統(tǒng)組成

2.2.1 電源模塊

系統(tǒng)采用美信公司DC-DC電源管理芯片MAX857內(nèi)電源，通過(guò)調(diào)整設(shè)置輸出符合實(shí)際要求的電壓值［5-6］。當(dāng)輸入端電壓發(fā)生變化時(shí)，MAX857芯片提供穩(wěn)定電壓值，滿足CPU供電要求。8～40 VDC寬范圍的外電源供電電壓，當(dāng)外電源接入時(shí)自動(dòng)切換電池供電。電路采用隔離處理并安裝有防浪涌雷擊、脈沖群等保護(hù)措施，提高儀表現(xiàn)場(chǎng)抗干擾能力。

2.2.2 顯示驅(qū)動(dòng)模塊

多功能體積修正儀的信息(總量、瞬時(shí)流量、溫度、壓力、電池狀態(tài)等)顯示可通過(guò)串行液晶模塊來(lái)完成。該模塊與CPU的接口簡(jiǎn)單，只占用DATA、WR、CS這3條接口線，與并行液晶模塊相比大大節(jié)省了CPU的I/O口資源。另外，采用低功耗液晶驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)滿足整機(jī)低功耗的要求。

2.2.3 流量采集模塊

修正儀在以燃?xì)庥?jì)量為主的基礎(chǔ)上加入差壓流量計(jì)量(以孔板為主)。差壓計(jì)量完全按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2426執(zhí)行，由流量采集模塊進(jìn)行切換處理。修正儀可通過(guò)流量采集模塊不同處理方式的選擇來(lái)滿足液體或氣體流量計(jì)的流量測(cè)量。流量采集模塊可處理多種類型的流量信號(hào)，如低、中、高脈沖信號(hào)，4～20 mA電流，電壓模擬信號(hào)。通過(guò)按鍵操作，實(shí)現(xiàn)流量計(jì)算模式的切換以及對(duì)流量信號(hào)的處理。

2.2.4 溫度壓力采集模塊

溫度壓力采集模塊除了能夠處理電阻值的溫度信號(hào)、電壓值的壓力信號(hào)外，同時(shí)也能夠處理4～20 mA電流模擬信號(hào)。通過(guò)按鍵操作可實(shí)現(xiàn)切換處理。

2.2.5 時(shí)鐘電路模塊

時(shí)鐘電路主要由低功耗的CMOS實(shí)時(shí)時(shí)鐘、日歷芯片PCF8563T來(lái)實(shí)現(xiàn)［7］。PCF863T通過(guò)I2C與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)和地址傳遞。具體的時(shí)鐘電路圖如圖3所示。

圖3 時(shí)鐘電路圖Fig.3 Circuit of the clock

整個(gè)電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，由32 kHz晶體振蕩器、紐扣電池、上拉電阻和二極管組成。在設(shè)計(jì)I2C總線時(shí)將總線2個(gè)管腳拉高，提高總線上數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。此外，使用芯片INT管腳中斷功能，給單片機(jī)提供月中斷信息。為了減少電源受到干擾，在芯片電源輸入管腳加1個(gè)0.1 μF電容來(lái)實(shí)現(xiàn)濾波，以減小輸入端受到的干擾。為了保證供電電源失電情況下芯片正常工作，保持準(zhǔn)確時(shí)鐘信號(hào)，電路配接一紐扣電池以備用。為合理處理2個(gè)電源對(duì)時(shí)鐘芯片的供電關(guān)系，電路上增加了2個(gè)二極管，以確保時(shí)鐘芯片工作的有效性。

2.2.6 通信模塊

隨著通信技術(shù)和IT技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越普遍，流量?jī)x表的網(wǎng)絡(luò)通信是現(xiàn)代能源計(jì)量發(fā)展的必然趨勢(shì)。多個(gè)流量?jī)x表的測(cè)量參數(shù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)監(jiān)視和管理，可大大提高流量計(jì)量的可靠性和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。在修正儀的通信功能模塊上，采用一款隔離型的RS-485收發(fā)器，內(nèi)部集成了ADI專利的磁耦合隔離技術(shù)，并安裝保護(hù)電路，以提高通信接口的防雷擊能力，保證通信接口的高可靠性。作為輔助功能存在的無(wú)線通信模塊，采用的是美國(guó)TI公司的無(wú)線收發(fā)芯片CC1101。該芯片是一款低功耗、多頻段無(wú)線收發(fā)芯片，采用GFSK調(diào)制方式，可以工作在433.05～434.79 MHz的國(guó)際通用ISM頻段，最高調(diào)制速率可達(dá)500 kbit/s，通信采用SPI接口。無(wú)線通信模塊原理如圖4所示。

圖4 無(wú)線通信模塊原理圖Fig.4 Principle of wireless communication module

3 軟件功能設(shè)計(jì)和開發(fā)

3.1 參數(shù)變量設(shè)置

修正儀除了進(jìn)行流量運(yùn)算外，在線參數(shù)變量顯示尤為重要。由于功能多，涉及的參數(shù)變量較復(fù)雜，軟件流程處理上把參數(shù)歸檔成10組并進(jìn)行不同等級(jí)的密碼保護(hù)。密碼設(shè)置在一定程度上能夠保證儀表的正常運(yùn)行，多組分設(shè)置可方便調(diào)試和現(xiàn)場(chǎng)查詢，提高了操作效率。

3.2 溫度、壓力信號(hào)采集處理

在處理溫度、壓力信號(hào)采集上，采用建立校正數(shù)據(jù)表的方法來(lái)修正由溫度、壓力傳感器帶來(lái)的系統(tǒng)誤差［8］。為了減小誤差，在查表的基礎(chǔ)上采用了內(nèi)插計(jì)算的方法，以減小校準(zhǔn)點(diǎn)，從而減少內(nèi)存空間。這些操作不但提高了測(cè)量精度，還解決了傳感器的線性和精度不一致的問(wèn)題。

3.3 主程序軟件設(shè)計(jì)

修正儀能夠處理多樣化輸入和輸出功能，并準(zhǔn)確完成各單元功能模塊的銜接與運(yùn)行，主程序軟件的合理分配及優(yōu)化顯得極為重要。如無(wú)線和有線通信的判斷處理，流量采集類型的判斷以及相關(guān)數(shù)據(jù)的執(zhí)行，然后對(duì)處理后的信息進(jìn)行相關(guān)操作，如顯示、報(bào)警輸出、信息記錄等，還有對(duì)電池電壓檢測(cè)、溫壓采樣時(shí)間處理等一系列操作。

4 技術(shù)措施和裝置測(cè)試

從微功耗考慮，修正儀整機(jī)設(shè)計(jì)成幾種不同工作狀態(tài)，如睡眠狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)、溫壓采樣狀態(tài)等，不同的工作狀態(tài)有其不同的功耗。無(wú)線通信處理方面，為了減少功耗并使得通信穩(wěn)定可靠，流程上合理安排不同工作狀態(tài)下的時(shí)間分配，如靜態(tài)、無(wú)線喚醒和數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間，使幾個(gè)工作達(dá)到平衡。在硬件器件選型方面，把功耗要求作為一個(gè)重要指標(biāo)，如CPU選型、時(shí)鐘芯片選型、存儲(chǔ)芯片選型等。

為了提高修正儀測(cè)量可靠性和精度，修正儀在軟件和硬件方面采取了相應(yīng)措施。在軟件上，利用數(shù)字濾波技術(shù)來(lái)抑制在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)嚴(yán)重的干擾和噪聲［11］，修正儀也相應(yīng)施加了屏蔽和數(shù)字濾波措施。在傳統(tǒng)的儀器儀表中，濾波是靠選用不同類型的硬件濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在智能儀表中，由于微處理器的引入，可以采用不增加硬件設(shè)備的數(shù)字濾波方法。數(shù)字濾波具有硬件濾波器的功效。由于軟件算法靈活性，可以產(chǎn)生硬件濾波器所達(dá)不到的功效。在測(cè)量精度要求方面，溫度、壓力、差壓變送器傳感元件選用優(yōu)于0.2級(jí)的元件，測(cè)溫元件選用A級(jí)Pt1000鉑電阻。對(duì)測(cè)量速度要求，采用美國(guó)MAXIM公司生產(chǎn)的一種16位、高精度、高性能低功耗的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，以提高數(shù)據(jù)采集速度，最終確保數(shù)據(jù)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)束語(yǔ)

在工業(yè)領(lǐng)域中，隨著工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)流量計(jì)量的深入，功能齊全、性能優(yōu)越、高精度、高可靠性的新型智能化、網(wǎng)絡(luò)化智能積算儀越來(lái)越多得到廣泛的應(yīng)用。本文所述多功能體積修正儀正是沿著目前形式所趨，企業(yè)自身發(fā)展需要的前提下，并結(jié)合企業(yè)現(xiàn)有產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)基礎(chǔ)上進(jìn)行研制的。該產(chǎn)品不但能滿足與企業(yè)生產(chǎn)的渦輪、羅茨、旋進(jìn)漩渦等一系列氣體流量計(jì)配套使用，也可以與孔板差壓流量計(jì)配合使用，還可以與其他外置變送器配套組合分體式流量計(jì)量系統(tǒng)。計(jì)量準(zhǔn)確、性能優(yōu)越、功能齊全的多功能體積修正儀在工業(yè)計(jì)量領(lǐng)域?qū)?huì)越來(lái)越得到認(rèn)可和廣泛推廣使用。

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Research and Development of the Multifunctional Volume Correction Instrument

In order to meet the multiple requirements for metering on energy in industrial fields，and to achieve accuracy and science of on-site flow measurement，the multifunctional volume correction instrument has been researched and developed.In this instrument，the micro-power and powerful processors，high-speed analog-digital conversion chip and reasonable software design are adopted to improve measurement accuracy and timeliness.In further，improvements are realized by integrating the technologies of short-distance wireless communication，long-distance communication，and highly efficient power supply，to make the metering on energy more accurate and more scientific.The practice indicates that this multifunctional volume correction instrument features fully functions and superior performance;it offers wide applicable values.

MSP4430F5438 Correction instrumentWireless communication Low power consumption Flow measurementAnalog signal

TH814

A

修改稿收到日期:2011-01-17。

林新霞，女，1973年生，1993年畢業(yè)于上海理工大學(xué)機(jī)電一體化專業(yè)，工程師;主要從事流量?jī)x表的研究。