基于MSP430單片機的標準孔板智能流量積算儀的設計。該儀表克服了傳統(tǒng)孔板流量計計量不**的缺點，并具有功耗低、功能齊全的優(yōu)點。
關(guān)鍵詞 天然氣 標準孔板 流量積算儀 低功耗MSP430
天然氣標準孔板流量計是一種基于伯努利原理的差壓式流量計，它通過測量差壓而達到測量流量的目的。近年來為了提高天然氣計量的準確度，基于不同原理制造了不同的流量計，如渦街流量計、旋進漩渦流量計，但孔板流量計仍以結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉及易于制造、安裝和維護等優(yōu)點得到廣泛使用。據(jù)近年調(diào)查估計，在天然氣流量測量用流量計中利用標準孔板的在國際上約占60％，在國內(nèi)約占90％[1]。
本文所要討論的就是一種用于天然氣標準孔板流量計的智能流量積算儀。它應用低功耗單片機MSP430作為控制器，不僅能夠在線測量流量值和差壓、靜壓、溫度值，同時還能實時進行參數(shù)的溫壓補償，流量計算模型負荷標準[2]規(guī)定，具有功能齊全、計量準確、功耗低的優(yōu)點。
1 工作原理
該智能流量積算儀的工作原理圖如圖1所示。其系統(tǒng)控制器選用美國TI公司生產(chǎn)的單片機MSP430F149。MSP430系列單片機因其低功耗已廣泛應用于儀器儀表行業(yè)，特別適用于市電供給困難的場合，可長期使用干電池供電。
圖1 標準孔板智能流量積算儀
由傳感器檢測到的孔板上游側(cè)氣流**靜壓、氣流流經(jīng)孔板產(chǎn)生的差壓和氣流溫度值經(jīng)模擬開關(guān)選擇放大后，由單片機自帶的12位A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換結(jié)果由CPU按一定的數(shù)學模型[2]進行實時運算和補償，得到瞬時流量值和氣體總量。計算結(jié)果進行保存，并通過液晶屏顯示，也可通過外圍電路按其他方式輸出。本積算儀還可通過485接口與上位機之間進行通信而作為一個較大范圍內(nèi)的流量計量關(guān)系系統(tǒng)的一個節(jié)點。
本系統(tǒng)可采用內(nèi)部3.6V的鋰電池和外部24V電源兩種供電方式。在正常計量時采用內(nèi)部電池供電；當用戶需要輸出標準信號時采用24V的外電源供電。
2 主要特點
2.1 低功耗設計
選用的MSP430系列單片機是一種低電壓(1.8V～3.6V)、低工作電流(在1MHz時為0.1～400 
)、具有5種省電模式的超低功耗微控制器[3][4]；外圍電路基本采用微功耗的貼片式CMOS芯片，使得整機*大工作電流小于380 
,基本保證使用1節(jié)3.6V鋰電池(5Ah)供電儀表就能持續(xù)正常工作1.5~2年。
2.2 計量準確
壓力、差壓傳感器選用的是高靈敏度、高可靠性的壓阻式傳感器，傳感器橋路外帶零點溫度補償電阻；流量的計算模型符合標準[2]規(guī)定，相關(guān)參數(shù)具有相應的實時溫壓補償；計算時全部采用5字節(jié)的浮點數(shù)，計算精度在±0.1％以內(nèi)，即使在極限情況下，其計算精度也能達到≤±0.2％。
2.3 功能齊全，用戶界面友好
可提供4～20mA的標準模擬信號，0～1000Hz的頻率信號或脈沖信號；流量的歷史記錄可查詢；可通過RS－485接口與上位機通信，便于集中管理；或與專用M 
配套，利用電話網(wǎng)絡構(gòu)成自動讀表與管理系統(tǒng)；采用LCD顯示流量、溫度、壓力和差壓值，還能顯示電池余量，具有電池失壓報警功能；4個按鍵可以完成參數(shù)設置、功能切換、實時測量、在線標定等多種功能，操作簡單、直觀。
3 硬件設計
3.1 單片機的選型及說明
MSP430F149是64腳的QFP封裝，具有5種不同的省電模式16；16位RISC指令結(jié)構(gòu)，豐富的尋址方式和強大的運算處理能力；集成了較多的片上外圍資源，比如12位的A/D、精密模擬比較器、硬件乘法器、2組頻率可達8MHz的時鐘模塊、2個帶有大量捕獲/比較寄存器的16位定時器、2個可實現(xiàn)異步和同步及多址訪問的串行通信接口、數(shù)十個可實現(xiàn)方向設置及中斷功能的并行輸入和輸出端口。該型單片機還有2kB的RAM，具有60kB＋256字節(jié)的F1ash存儲器，可利用JTAG接口或片內(nèi)BOOT ROM下載、調(diào)試程序[3][4]。
3.2 單片機系統(tǒng)電路設計
智能流量積算儀的單片機系統(tǒng)電路原理圖如圖2所示?，F(xiàn)將各部分電路的功能簡介如下：
圖2 單片機系統(tǒng)電路原理圖
①時鐘源和時鐘信號
CPU的基礎(chǔ)時鐘模塊含3個時鐘源：一個內(nèi)部集成的DCO振蕩器，一個低頻/高頻時鐘源(LFXT 
)和一個高頻時鐘源( 
。后兩種時鐘源需要外接晶振，在本設計中，外接一個低頻晶振(32.768kHz)和一個高頻晶振(5MHz)。基礎(chǔ)時鐘模塊提供的3種時鐘信號ACLK、MCLK、SMCLK可由軟件選擇不同的時鐘源和不同的分頻因子得到。
②按鍵電路
利用一鍵多用、雙鍵復用技術(shù)，依靠4個按鍵，結(jié)合LCD顯示，可以完成用戶參數(shù)、廠家參數(shù)設置；實時測量傳感器輸出電壓；在線標定壓力和差壓傳感器；并且可以在不同功能之間進行切換。
③信號采樣電路
溫度、壓力、差壓信號通過模擬開關(guān)，由CPU控制在不同的時刻進行采樣。根據(jù)天然氣實際流動情況以及降低功耗的要求，每0.5s采樣一次差壓值，4s采樣一次絕壓和溫度值。采樣得到的信號經(jīng)運放放大后輸入到單片機自帶的A/D轉(zhuǎn)換器。為降低整機的運行功耗，運放的開斷也受CPU的控制，與信號采樣同步。
④LCD顯示及驅(qū)動
表頭采用多段式液晶顯示，選用動態(tài)的4時分割液晶驅(qū)動器。該驅(qū)動器具有50個輸出端，可產(chǎn)生200段的驅(qū)動信號。
⑤ 外圍輸出電路
瞬時流量值可以根據(jù)用戶需要選擇不同的方式輸出：0～1000Hz的頻率信號；每個脈沖代表一定量的脈沖數(shù)；也可以將轉(zhuǎn)換成電壓信號的流量值，通過V/I轉(zhuǎn)換電路變?yōu)?～20mA的標準模擬信號。
⑥在貯與接口電路
為防止掉電時數(shù)據(jù)丟失，選用32k×8位的EEP-ROM來存貯用戶和廠家設置的參數(shù)以及流量累積值。通過485接口芯片實現(xiàn)串口通信。
4 軟件設計
4.1 軟件模塊
①初始化模塊
當系統(tǒng)啟動后，需要對時鐘源進行分配；對輸入輸出端口進行定義；對定時器、異步通信模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換器的控制寄存器進行初始化；對內(nèi)部RAM和外部的EEPROM進行清零；對一些中斷允許寄存器和中斷標志寄存器進行初始化；選擇CPU的低功率模式。
②按鍵和顯示模塊
顯示模塊包括正常情況下的顯示子程序和配合按鍵功能的顯示子程序，后者和按鍵子程序一道作為中斷服務子程序。通過按鍵可以設定數(shù)字和字符、移動光標、功能切換、狀態(tài)保存；可以實現(xiàn)用戶和廠家參數(shù)的設置，實時測量不同傳感器的輸出電壓，在線標定壓力和差壓傳感器。在用戶參數(shù)中，可以設置一些流量計算所需的參數(shù)值，如天然氣組分、孔板和測量管的材料和直徑，以及頻率、脈沖輸出所對應的流量值；在廠家參數(shù)中可以設定傳感器的一些參數(shù)值。
③信號采集模塊
單片機按每0.5s采樣一次差壓值、4s采樣一次壓力和溫度值打開模擬開關(guān)，同時打開運算放大器。12位的ADC轉(zhuǎn)換器得到的是經(jīng)過放大的數(shù)字量，需按照放大倍數(shù)進行還原。
④流量計算模塊
天然氣的流量計算模型[2]由于設計參數(shù)多，公式復雜，并且引入了相關(guān)參數(shù)的實時溫壓補償，因此計算量較大?？梢詫⒉煌瑓?shù)的計算設計成子程序的形式，由主程序按不同的進程調(diào)用。流量每2s計算一次。由于MSP430單片機具有較大的內(nèi)存單元和程序存儲區(qū)，因此為了提高計算的**度，對參與運算的變量全部采用了5字節(jié)浮點數(shù)的編碼方式。階碼采用1字節(jié)移碼，尾數(shù)采用4字節(jié)原碼。浮點數(shù)的基本運算和浮點數(shù)與其他制式定點數(shù)之間的相互轉(zhuǎn)換也可采用子程序的形式，由計算程序在運算過程中調(diào)用。
⑤流量輸出模塊
流量的輸出可以根據(jù)用戶的設定，通過外接的24V電源按不同方式輸出?？梢暂敵?~1000Hz的頻率信號、4～20mA的模擬信號和每個脈沖代表不同流量值的脈沖數(shù)。
⑥通信模塊
定義串口之間的通信接口協(xié)議：儀表向上位機傳送的數(shù)據(jù)內(nèi)容、數(shù)據(jù)包的形式，以及上位機對儀表發(fā)送的指令格式。通信子程序作為中斷服務子程序響應串口的中斷請求。
⑦定時器子程序
兩個16位的定時器T 
均有多種時鐘源和4種工作模式可供選擇，根據(jù)需要產(chǎn)生不同的定時中斷信號。
4.2 主程序流程圖
主程序流程圖如圖3所示。
圖3 主程序流程圖
5 結(jié)束語
本智能流量積算儀作為天然氣標準孔板流量計的二次儀表，由于完全采用了符合國家標準的流量計算模型，具有實時的溫壓補償，很好地克服了傳統(tǒng)孔板流量計計量不**的弊端，并且設計了功耗低，功能齊全，已開始在實際天然氣生產(chǎn)過程中使用。