本文介紹了智能金屬管浮子流量計(jì)的設(shè)計(jì)思路，以及系統(tǒng)硬件及軟件設(shè)計(jì)。該流量計(jì)由于采用了性能微處理器，一方面將HART協(xié)議移植到金屬管浮子流量計(jì)上實(shí)現(xiàn)總線通信，另一方面采用Kalman濾波方法，提高了流量計(jì)的精度。同時(shí)在產(chǎn)品的設(shè)計(jì).上采用模塊化設(shè)計(jì)降低了系統(tǒng)的運(yùn)行故障。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，流量計(jì)在組態(tài)、精度等方面都達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。
1引言
　　早期的流量計(jì)都是模擬式儀表，信息傳輸采用的是4~20mA或1~5V的模擬信號(hào)，進(jìn)行儀表參數(shù)的設(shè)定都需要到現(xiàn)場(chǎng)，通過按鍵來完成。隨著控制技術(shù)，特別是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，智能儀表正逐步取代傳統(tǒng)的模擬儀表，其標(biāo)志主要體現(xiàn)在高可靠性、精度佳和總線通信。在流量測(cè)量方面，智能的差壓流量計(jì)、電磁流量計(jì)都得到廣泛應(yīng)用。而金屬管浮子流量計(jì)雖然在石油、化工、醫(yī)藥等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，但由于大多工作環(huán)境惡劣，金屬管浮子流量計(jì)的智能化改造有著一定的技術(shù)困難，加之金屬管浮子流量計(jì)本身是低成本的儀表，如果改造成本過高，將會(huì)使其喪失本身的成本優(yōu)勢(shì)。
　　智能金屬管浮子流量計(jì)，通過選用性能佳、低功耗、低成本的微處理器，一方面將HART協(xié)議移植到金屬管浮子流量計(jì)上實(shí)現(xiàn)總線通信，另一方面采用Kalman濾波方法，提高了流量計(jì)的精度。
2流量計(jì)的硬件設(shè)計(jì)
　　智能金屬管浮子流量計(jì)的硬件采用模塊化設(shè)計(jì)，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(gè)模塊。硬件框圖如圖1所示。
 
　　現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的檢測(cè)，由傳感器單元來完成，將磁鋼嵌在流量計(jì)的浮子內(nèi)部，霍爾元件固定在流量計(jì)外管壁，當(dāng)流量改變時(shí)，浮子位置改變，磁鋼的磁場(chǎng)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(shí)，內(nèi)部集成了AD轉(zhuǎn)換器和FLASH存儲(chǔ)器，因此可以有效地減少系統(tǒng)的配置，大大簡(jiǎn)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(cè)信號(hào)，經(jīng)濾波、溫度補(bǔ)償后將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際流量值送至顯示單元顯示，同時(shí)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(shí)現(xiàn)。一方面微處理器單元送出的數(shù)字信號(hào)經(jīng)調(diào)制解調(diào)器HT2012調(diào)制成FSK頻移鍵控信號(hào)，疊加在環(huán)路上發(fā)送到HART總線。另一方面總.線通信單元將從HART總線接收到的信號(hào)解調(diào)，然后將數(shù)字信號(hào)送給微處理器單元。從而實(shí)現(xiàn)了智能金屬管浮子流量計(jì)和上位機(jī)之間的雙向通信。
3流量計(jì)的軟件設(shè)計(jì)
　　智能金屬管浮子流量計(jì)的軟件設(shè)計(jì)采用模塊化編程結(jié)構(gòu)，主要包括三個(gè)部分:輸入模塊、控制模塊、輸出模塊。所有程序代碼均采用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(jì)算等，總體采用定時(shí)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(shí)現(xiàn)。通過采集9組或11組流量信號(hào)，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(shí)現(xiàn)的。智能金屬管浮子流量計(jì)在通過總線組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn).上位機(jī)組態(tài)調(diào)試的同時(shí)，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(jì)過程中，一方面采用了性能佳、低功耗、低成本的微處理器，在金屬管浮子流量計(jì)上實(shí)現(xiàn)了HART總線通信，實(shí)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(jì)在現(xiàn)場(chǎng)工作時(shí)由于管道機(jī)械振動(dòng)和磁場(chǎng)不穩(wěn)定的干擾，微處理器獲得的信號(hào)有噪音，采用數(shù)字信號(hào)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(jì)的精度。同時(shí)由于采取了溫度補(bǔ)償措施，提高了流量計(jì)的抗溫度干擾能力。
 
　　經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，該流量計(jì)的瞬時(shí)流量基本誤差為0.8675%，回差為0.725%;累計(jì)精度不超過1.5%，溫度影響0.0019%/℃。

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