基于C8051与Modbus的液体涡轮流量计设计

　　引言

　　涡轮流量计精度高、重复性好、测量范围广、结构紧凑,但测量信号分布不均匀,所以常规的脉冲式涡轮流量计对脉冲信号的测量精度不高,从而脉冲输出的精度都不尽如人意,误差较大。而利用C8051F020 单片机设计的智能型涡轮流量计,不但保证了较高的脉冲测量与脉冲输出精度,而且满足Modbus协议通信要求。

　　1硬件设计

　　脉冲式流量计仪表表头的设计难点之一就在于脉冲计数要求准确,同时,还要快速地在有限时间内均匀输出脉冲。难点之二就是流量计仪表表头Modbus通讯信号的稳定性和可靠性问题。要解决这两个问题,首先,在脉冲流量计数准确的情况下提高CPU的运行速度,有效利用CP的资源提高软件的运行效率。CPU 选用 C8051f020,它具有高速流水线结构的8051 兼容的CIP-51内核(可达25MIPS),在同等条件C8051f020的运行速度比C51的运行速度快20倍;而且,C8051F020有可同时使用的SMBus(2CTM兼容)、SPITM及PCA、两个UART串口,这样一来,可以大大减少软件开销,提高了CPU的工作效率。其次是,采用磁耦数字隔离器,Modbus通讯的稳定性、可靠性和抗干扰能力能得到保证。C8051F020 还内含可编程增益、可编程转换速率的12位快速A/D,还有64K字节Flash存储器,4352(4K+256)字节RAM,可编程的16位计数器/定时器阵列,有5个捕捉/比较模块,片内JTAG调试和边界扫描,片内资源丰富C8051f020的工作电压范围为2.7~3.6 V,多种节电和停机模式,系统功耗低。

　　涡轮流量计主要包括核心控制器件C8051F020、流量脉冲信号采集模块、电源供电与 4~20 mA 输出模块、RS485 接口模块、脉冲输出模块、累计流量存储模块、显示与键盘处理模块。总体硬件设计框图如图1。

　　1.1流量脉冲信号采集

　　液体流过重庆耐德工业股份有限公司自主研制的涡轮流量传感器,产生脉冲信号,经过信号调理电路的放大整形后,送到单片机的计数器T0口。T0 设置为脉冲下降沿计数方式,对流量脉冲信号计数。用 16 位定时器 T3 设定查询周期,每一个查询周期到就响应中断,在T3中断内取出T0的计数值,从而计算出瞬时流量、单次累计流量和总累计流量。

　　1.2电源供电与4~20 mA输出模块

　　LOOP+和LOOP-是用户外接24V直流电源输入的两个端口,同时也是4~20 mA电流环路的两个端口。AD421 是单片高性能数模转换器,主要由电压调整器、数模转换器和电流放大器组成。电压调整器由运放、带隙基准和外接FET调整管组成。AD421由4~20mA环路主电源供电,为自己和其他器件提供3.0V供电电压。

　　数模转换器采用Σ-ΔDAC结构,将16位数字码转换为4~20 mA模拟电流。从C8051F020输入DAC的数字码是通过三线接口实现的,分别是时钟线CLOCK、数据线DATA和锁存线LATCH。电路图如图2所示。