智能金属管浮子流量计设计分析

 流量计的硬件设计 智能金属管浮子流量计的硬件采用模块化设计，共分为传感器 单元、微处理器单元、显示单元、总线通信单元和供电单元等五个 模块。硬件框图如图 1 所示。 基于 HART 协议的智能金属管浮子流量计 路宗强 （承德石油高等专科学校 , 河北 承德 067000） 摘 要：介绍了智能金属管浮子流量计的设计思路，以及系统硬件及软件设计。该流量计由于采用了高性能微处理器，一方面将 HART 协议移 植到金属管浮子流量计上实现总线通信，另一方面采用 Kalman 滤波方法，提高了流量计的精度。同时在产品的设计上采用模块化设计降低了 系统的运行故障。经现场测试，流量计在组态、精度、可靠性等方面都达到了设计要求。 关键词：HART 协议；智能金属管浮子流量计；低功耗；Kalman 滤波 单元将从 HART 总线接收到的信号解调，然后将数字信号送给微 处理器单元。从而实现了智能金属管浮子流量计和上位机之间的 双向通信。 3 流量计的软件设计 智能金属管浮子流量计的软件设计采用模块化编程结构，主要 包括三个部分：输入模块、控制模块、输出模块。所有程序代码均 现场信号的检测，由传感器单元来完成，将磁钢嵌在流量计的 浮子内部，霍尔元件固定在流量计外管壁，当流量改变时，浮子位 置改变，磁钢的磁场随之改变，霍尔元件输出的电压经放大调理后 送入微处理器单元。 微处理器单元的核心选用 TI 公司的 MSP430FE425，其运算速度 高、超低功耗的同时，内部集成了 AD 转换器和 FLASH 存储器，因 此可以有效地减少系统的配置，大大简化了系统的硬件组成，提高 系统的运行的可靠性。微处理器单元接收传感器单元的检测信号， 经滤波、温度补偿后将现场实际流量值送至显示单元显示，同时经 总线通信单元、HART 总线送至上位机。 总线通信单元是 HART 协议物理层的硬件实现。一方面微处 理器单元送出的数字信号经调制解调器 HT2012 调制成 FSK 频移 键控信号，叠加在环路上发送到 HART 总线。另一方面总线通信 采用 C 语言编写。 输 入 模 块 主 要 包 括 数 据 采 集、 滤 波、 温 度 补 偿、非线性补偿和数值计 算等，总体采用定时器中 断方式，程序流程图如图 2 所示。输入模块中的非 线性补偿程序采用分段线 性拟合的方式来实现。通 过 采 集 9 组 或 11 组 流 量 信号，作为拟合直线的端 点，当前采样值按数据大 小得到拟合曲线段的斜率 和初始数据，代入拟合方 程即可得到修正后的流量 数据。 控 制 模 块 包 括 键 盘 处 理程序和看门狗程序，键 盘处理功能是通过中断方 式设置标志位在置入参数 子程序中实现的。智能金 属管浮子流量计在通过总 线组网，实现上位机组态 调试的同时，通过键盘， 可以就地调试。 输 出 模 块 包 括 显 示 程 序和通信中断服务程序。 通信中断服务程序流程图 如图 3 所示。 4 结论 在设 计 过 程 中， 我 们 一 方 面 采 用 了 高 性 能、 低 功 耗、 低 成 本的微处理器，在金属管浮子流量计上实现了 HART 总线通信， 实现了上位机组态，连接图如图 4 所示。另一方面充分考虑智 能金属管浮子流量计在现场工作时由于管道机械振动和磁场不 稳定的干扰，微处理器获得的信号有噪音，采用数字信号处理 方法结合现代滤波技术，采用 Kalman 滤波方法，提高了流量 计的精度。同时由于采取了温度补偿措施，提高了流量计的抗