摘要:針對渦輪流量計的工作要求和CAN現(xiàn)場總線的應(yīng)用狀況,介紹了以STC89C52RD單片機為核心,采用渦輪流量計、壓力和溫度傳感器及CAN總線控制器等構(gòu)成的CAN總線型智能渦輪流量計的軟硬件設(shè)計。這種CAN總線型智能渦輪流量計能通過溫壓補償實現(xiàn)對氣體流量的準確測量與現(xiàn)場顯示,可方便地與CAN總線網(wǎng)絡(luò)進行掛接,實現(xiàn)基于CAN總線的遠程監(jiān)測。

1、智能流量計硬件設(shè)計：
 系統(tǒng)硬件可分為流量信號采集、壓力信號采集、溫度信號采集、CAN通信接口、鍵盤與顯示等5大模塊,見圖1。硬件電路以單片機STC89C52RD為核心進行外部接口擴展設(shè)計。由于STC89C52RD為增強型51系列單片機,內(nèi)部集成EEPROM、看門狗和電源監(jiān)控復(fù)位電路等功能模塊,特別適合于工控領(lǐng)域應(yīng)用[1]。

圖1　流量計硬件組成框圖
1.1、流量信號采集模塊：
 智能流量計采用渦輪流量計作為傳感檢測裝置,測量的為體積流量,輸出為與流速成正比的脈沖信號。此信號比較微弱,要與單片機進行接口實現(xiàn)流量信號的采集,必須要進行信號的處理與轉(zhuǎn)換。圖2為流量信號檢測電路。渦輪流量計輸出的微弱電壓信號先進行低通濾波,去除干擾,再進行適當(dāng)?shù)姆糯?***后通過比較電路轉(zhuǎn)換成具有正負極性的方波信號送入單片機的P3.5(T1)端,實現(xiàn)頻率計數(shù),采集到流量信號。
 為了獲取準確的質(zhì)量流量,必須要在體積流量基礎(chǔ)上,實時進行氣體密度的測量,而要得到它就要對壓力與溫度進行實時測量,然后通過單片機計算處理得出氣體密度,實現(xiàn)溫壓補償功能。

圖2　流量檢測電路原理圖

1.2、壓力信號采集模塊：
 系統(tǒng)中壓力信號的檢測選用壓阻式半導(dǎo)體壓力傳感器,其接口為兩輸入端口和兩輸出端口,輸出信號為與壓力成比例的微小電壓。圖3為壓力信號處理電路原理圖,恒流源LM334為壓力傳感器提供恒定的電流。AD620為差動式儀表放大器,具有高差模增益、高共模抑制比及低輸出漂移等特性,特別適合對壓力傳感器微小信號的放大處理,只需外部的電位器VR1就可實現(xiàn)增益的調(diào)節(jié)。

圖3　壓力信號處理電路原理圖
 經(jīng)過處理的信號必須進行A/D轉(zhuǎn)換才能送入單片機。圖4為信號的采集接口電路,12位的A/D轉(zhuǎn)換器AD1674在單片機控制下,通過模擬開關(guān)的配合實現(xiàn)壓力和溫度信號的采集[2]。

圖4　信號的采集接口電路原理圖
1.3、溫度信號采集模塊：
 溫度的測量采用Pt100鉑電阻溫度傳感器,其信號檢測電路如圖5所示,Pt100兩端的電壓值是溫度的函數(shù)。LM334對Pt100和電位器VR2提供恒定電流,LM258實現(xiàn)Pt100兩端的電壓取樣與放大,輸出的電壓送入儀表放大器AD620進行差動放大,電位器VR3實現(xiàn)增益的調(diào)節(jié),輸出信號送入信號采集接口電路實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。

圖5　溫度信號檢測電路原理圖

1.4、CAN通信接口模塊：
 CAN通信接口硬件電路如圖6所示。CAN通信接口模塊使用CAN總線控制器SJA1000和驅(qū)動器PCA82C250[3]。

圖6　CAN總線接口電路原理圖
 為了保證SJA1000與STC89C52RD之間時鐘同步,SJA1000的可編程CLKOUT時鐘輸出信號作為單片機的時鐘輸入。單片機通過控制SJA1000實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送等通信任務(wù)。高速光電耦合器6N137為CAN控制器與82C250之間建立光電隔離,以實現(xiàn)總線上各節(jié)點間的電氣隔離。82C250的CANH和CANL引腳各通過1個5Ψ電阻與CAN總線相連,電阻可起到一定限流作用,保護82C250免受過流沖擊。CANH和CANL與地之間并聯(lián)了2個30pF的小電容,起到濾除總線上的高頻干擾和一定的防電磁輻射的能力。在2根CAN總線輸入與地之間分別接了一個防雷擊管,當(dāng)兩輸入端與地之間出現(xiàn)瞬變干擾時,通過防雷擊管的放電可起到一定的保護作用[4]。

1.5、現(xiàn)場人機交互模塊：
 現(xiàn)場人機交互模塊包括鍵盤輸入與LCD顯示部分接口設(shè)計。鍵盤輸入模塊主要用于儀表和CAN總線節(jié)點地址等系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置;LCD顯示模塊主要用于現(xiàn)場各種測量數(shù)據(jù)的顯示。

2、智能流量計軟件設(shè)計：
 智能流量計軟件設(shè)計采用了事件驅(qū)動和模塊化的編程思想,通過主程序?qū)讉€關(guān)鍵標(biāo)志位進行不斷查詢,根據(jù)具體情況調(diào)用相應(yīng)的子程序,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、計算與通信的功能。
 主要的子程序為:初始化子程序用于對系統(tǒng)I/O口、定時/計數(shù)器、SJA1000及液晶顯示等的初始化工作;定時器T0中斷服務(wù)子程序用于對流量檢測信號進行頻率計數(shù)采集;A/D轉(zhuǎn)換子程序用于對AD1674的控制實現(xiàn)壓力與溫度信號采集;計算子程序根據(jù)采集到的流量、壓力與溫度信號實現(xiàn)質(zhì)量流量的實時計算功能;外部中斷0服務(wù)子程序用于中斷接收CAN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)傳送子程序?qū)崿F(xiàn)流量等數(shù)據(jù)的CAN網(wǎng)絡(luò)上傳。

3、結(jié)束語：
 以STC89C52RD單片機為核心,用渦輪流量計、壓力和溫度傳感器、CAN總線控制器等設(shè)計了CAN總線型智能渦輪流量計。該流量計不僅能通過溫壓補償實現(xiàn)對現(xiàn)場氣體流量的準確計量與顯示,而且能方便地與CAN總線網(wǎng)絡(luò)進行掛接,實現(xiàn)基于CAN總線的遠程監(jiān)測。這種CAN總線型智能渦輪流量計的開發(fā),適合工業(yè)生產(chǎn)測控領(lǐng)域的現(xiàn)狀,對CAN現(xiàn)場總線的廣泛應(yīng)用具有推動作用。