多功能体积修正仪的研制

林新霞 章圣意 殷兴景 黄象克

(浙江苍南仪表厂，浙江 温州 325800)

多功能体积修正仪的研制

林新霞 章圣意 殷兴景 黄象克

(浙江苍南仪表厂，浙江 温州 325800)

为满足工业现场对能源计量的多种要求，实现现场流量测量的准确性、科学性，研制了一款多功能体积修正仪。该修正仪采用微功耗、功能强大的处理器，高速模数转换芯片以及合理化软件设计，提高了流量测量的实时性和准确度。同时，铺以短距离无线通信、远距离通信、高效率电源等技术，使得流量计量更准确、更科学。实际应用表明，该款多功能体积修正仪功能齐全、性能优越，具有很好的推广应用价值。

MSP430F5438 修正仪 无线通信 低功耗 流量计量 模拟信号

0 引言

隨着能源计量网络的不断完善和发展，对流量计量多样化提出了新的要求。为了满足现场不同类型流量信号的采集和计量，需要配备性能优越并符合智能化、网络化要求的智能积算仪，以组成完善的流量计量系统。

本文所述多功能体积修正仪(以下简称修正仪)由温度、压力检测通道、流量检测通道以及微处理单元、液晶驱动电路和其他辅助电路组成［1］。从各传感器送来的信号，经转换处理后由微处理器按照各自的数学模型进行运算，实现就地显示数值和多种信号远传，并同流量基表组成完善的流量计量仪表。

1 系统功能需求和设计思想

修正仪由3.6 V锂电池供电，平均功耗小于1.5 mW，8～30 V外电源供电，整机功耗小于1 W，并隔离处理。当接入外电源时内电源自动切换，以延长电池使用寿命。修正仪系统功能需求描述如下。

①能采集并配置高或低频脉冲流量信号、阻值或4～20 mA电流温度信号、电压或4～20 mA电流压力信号，满足不同类型的传感器信号采集。

②能采集燃气报警器等类型的报警信号并进行存储记录。

③温度压力采集间隔时间可设置，在休眠状态下温度压力可检测显示且间隔时间可设置。

④可设置标准状态下温度、压力值。

⑤可记录流量启停、流量高低报警、温度压力高低报警、电池电压报警等事件数据。

⑥记录实时、月平均、日平均、月最高、日最高等温度、压力、流量的历史数据，数据存储量增至1 MB，丰富的数据记录信息满足工业现场不同的控制要求。

⑦能配置工况流量上下限、标准流量上下限、压力上下限、温度上下限、电池欠压报警等多种报警信号输出组合，与IC卡表配套使用的定标脉冲输出。

⑧供仪表标定使用的工况脉冲输出，各输出端口具有足够的驱动能力，满足工业现场的不同要求。

⑨可在线实现程序编程和升级。

⑩设计时考虑过压、过流及静电保护措施，以及适当的防雷击、防浪涌的能力，保证流量计量仪表的稳定性和可靠性以及适应恶劣环境的能力。

修正仪除了满足流量测量仪表的功能需求外，测量精度和范围方面的考虑也是功能需求的一方面。

修正仪整体设计思想采用自顶向下的设计方法，先明确总任务，再分解成为子任务［3］。将较大、较复杂、较难的问题分解成若干小的、简单的、易解决的问题，并注意子任务间的联系和互动。某些场合也采用自底向上的设计方法，配合现有的电路、模块、器件来快速高效地解决问题。修正仪在软硬件设计上合理分工、相互配合，通过软件来完成复杂的运算、系统的管理和控制，通过硬件实现特定的功能模块。具体分析技术路线如图1所示［2］。

图1 技术路线Fig.1 Technical strategy

2 系统模块划分和硬件电路设计

2.1 CPU选型

系统硬件电路结构框图如图2所示［4］。

图2 电路结构框图Fig.2 Block diagram of the circuitry structure

由于多功能修正仪采用电池供电方式，因此，CPU的选型应着重从低电压、低功耗、高负载能力等方面考虑。美国TI公司的MSP430系列单片机在这方面具有独特的优势，并且可满足较高速率的通信要求。此外，从性价比考虑，MSP430F5438是一款超低功耗Flash型、16位RISC指令集单片机，有丰富的片内外设。该单片机具有以下特点。

①超低功耗，MSP430F5438具有5种不同的工作模式，工作电流视工作模式不同而不同，最大不超过400 μA，工作电压为2.2～3.6 V。数位控制振荡器(digital control oscillator，DCO)可在不超过5 μs的时间内从低功耗模式唤醒至主动模式。

②强大的处理能力，具有丰富的寻址方式(源操作数7种，目的操作数4种)，采用RISC指令集，核心指令27条。片内寄存器数量多，有高效的查表处理方法，以保证程序编制的高效性。中断源较多，可以实现中断嵌套，使用时灵活方便。

③丰富的片上外围模块，MSP430F5438具有12位的A/D精密模拟转换器、32位硬件乘法器、2组频率可达8 MHz的时钟模块、16位定时器、看门狗、4个通用串行通信接口、多达87个通用I/O引脚;并且端口P1和P2具有中断能力，每一引脚都可以单独选择中断触发方式、单独允许中断。

④方便高效的开发方式，MSP430F5438具有JTAG接口，可以方便地通过JTAG调试电路实现程序的下载和调试。

基于MSP430F5438的这些优点，本文选用该款芯片作为多功能体积修正仪微处理器。

2.2 系统组成

2.2.1 电源模块

系统采用美信公司DC-DC电源管理芯片MAX857内电源，通过调整设置输出符合实际要求的电压值［5-6］。当输入端电压发生变化时，MAX857芯片提供稳定电压值，满足CPU供电要求。8～40 VDC宽范围的外电源供电电压，当外电源接入时自动切换电池供电。电路采用隔离处理并安装有防浪涌雷击、脉冲群等保护措施，提高仪表现场抗干扰能力。

2.2.2 显示驱动模块

多功能体积修正仪的信息(总量、瞬时流量、温度、压力、电池状态等)显示可通过串行液晶模块来完成。该模块与CPU的接口简单，只占用DATA、WR、CS这3条接口线，与并行液晶模块相比大大节省了CPU的I/O口资源。另外，采用低功耗液晶驱动芯片来满足整机低功耗的要求。

2.2.3 流量采集模块

修正仪在以燃气计量为主的基础上加入差压流量计量(以孔板为主)。差压计量完全按照标准GB/T 2426执行，由流量采集模块进行切换处理。修正仪可通过流量采集模块不同处理方式的选择来满足液体或气体流量计的流量测量。流量采集模块可处理多种类型的流量信号，如低、中、高脉冲信号，4～20 mA电流，电压模拟信号。通过按键操作，实现流量计算模式的切换以及对流量信号的处理。

2.2.4 温度压力采集模块

温度压力采集模块除了能够处理电阻值的温度信号、电压值的压力信号外，同时也能够处理4～20 mA电流模拟信号。通过按键操作可实现切换处理。

2.2.5 时钟电路模块

时钟电路主要由低功耗的CMOS实时时钟、日历芯片PCF8563T来实现［7］。PCF863T通过I2C与单片机进行数据和地址传递。具体的时钟电路图如图3所示。

图3 时钟电路图Fig.3 Circuit of the clock

整个电路设计简单，由32 kHz晶体振荡器、纽扣电池、上拉电阻和二极管组成。在设计I2C总线时将总线2个管脚拉高，提高总线上数据传输的稳定性。此外，使用芯片INT管脚中断功能，给单片机提供月中断信息。为了减少电源受到干扰，在芯片电源输入管脚加1个0.1 μF电容来实现滤波，以减小输入端受到的干扰。为了保证供电电源失电情况下芯片正常工作，保持准确时钟信号，电路配接一纽扣电池以备用。为合理处理2个电源对时钟芯片的供电关系，电路上增加了2个二极管，以确保时钟芯片工作的有效性。

2.2.6 通信模块

随着通信技术和IT技术的发展，计算机的应用越来越普遍，流量仪表的网络通信是现代能源计量发展的必然趋势。多个流量仪表的测量参数通过网络进入计算机，由计算机监视和管理，可大大提高流量计量的可靠性和数据的实时性。在修正仪的通信功能模块上，采用一款隔离型的RS-485收发器，内部集成了ADI专利的磁耦合隔离技术，并安装保护电路，以提高通信接口的防雷击能力，保证通信接口的高可靠性。作为辅助功能存在的无线通信模块，采用的是美国TI公司的无线收发芯片CC1101。该芯片是一款低功耗、多频段无线收发芯片，采用GFSK调制方式，可以工作在433.05～434.79 MHz的国际通用ISM频段，最高调制速率可达500 kbit/s，通信采用SPI接口。无线通信模块原理如图4所示。

图4 无线通信模块原理图Fig.4 Principle of wireless communication module

3 软件功能设计和开发

3.1 参数变量设置

修正仪除了进行流量运算外，在线参数变量显示尤为重要。由于功能多，涉及的参数变量较复杂，软件流程处理上把参数归档成10组并进行不同等级的密码保护。密码设置在一定程度上能够保证仪表的正常运行，多组分设置可方便调试和现场查询，提高了操作效率。

3.2 温度、压力信号采集处理

在处理温度、压力信号采集上，采用建立校正数据表的方法来修正由温度、压力传感器带来的系统误差［8］。为了减小误差，在查表的基础上采用了内插计算的方法，以减小校准点，从而减少内存空间。这些操作不但提高了测量精度，还解决了传感器的线性和精度不一致的问题。

3.3 主程序软件设计

修正仪能够处理多样化输入和输出功能，并准确完成各单元功能模块的衔接与运行，主程序软件的合理分配及优化显得极为重要。如无线和有线通信的判断处理，流量采集类型的判断以及相关数据的执行，然后对处理后的信息进行相关操作，如显示、报警输出、信息记录等，还有对电池电压检测、温压采样时间处理等一系列操作。

4 技术措施和装置测试

从微功耗考虑，修正仪整机设计成几种不同工作状态，如睡眠状态、运行状态、温压采样状态等，不同的工作状态有其不同的功耗。无线通信处理方面，为了减少功耗并使得通信稳定可靠，流程上合理安排不同工作状态下的时间分配，如静态、无线唤醒和数据传输的时间，使几个工作达到平衡。在硬件器件选型方面，把功耗要求作为一个重要指标，如CPU选型、时钟芯片选型、存储芯片选型等。

为了提高修正仪测量可靠性和精度，修正仪在软件和硬件方面采取了相应措施。在软件上，利用数字滤波技术来抑制在工业现场严重的干扰和噪声［11］，修正仪也相应施加了屏蔽和数字滤波措施。在传统的仪器仪表中，滤波是靠选用不同类型的硬件滤波器来实现的。在智能仪表中，由于微处理器的引入，可以采用不增加硬件设备的数字滤波方法。数字滤波具有硬件滤波器的功效。由于软件算法灵活性，可以产生硬件滤波器所达不到的功效。在测量精度要求方面，温度、压力、差压变送器传感元件选用优于0.2级的元件，测温元件选用A级Pt1000铂电阻。对测量速度要求，采用美国MAXIM公司生产的一种16位、高精度、高性能低功耗的数模转换器，以提高数据采集速度，最终确保数据结果的准确性。

5 结束语

在工业领域中，随着工业现场流量计量的深入，功能齐全、性能优越、高精度、高可靠性的新型智能化、网络化智能积算仪越来越多得到广泛的应用。本文所述多功能体积修正仪正是沿着目前形式所趋，企业自身发展需要的前提下，并结合企业现有产品优势基础上进行研制的。该产品不但能满足与企业生产的涡轮、罗茨、旋进漩涡等一系列气体流量计配套使用，也可以与孔板差压流量计配合使用，还可以与其他外置变送器配套组合分体式流量计量系统。计量准确、性能优越、功能齐全的多功能体积修正仪在工业计量领域将会越来越得到认可和广泛推广使用。

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Research and Development of the Multifunctional Volume Correction Instrument

In order to meet the multiple requirements for metering on energy in industrial fields，and to achieve accuracy and science of on-site flow measurement，the multifunctional volume correction instrument has been researched and developed.In this instrument，the micro-power and powerful processors，high-speed analog-digital conversion chip and reasonable software design are adopted to improve measurement accuracy and timeliness.In further，improvements are realized by integrating the technologies of short-distance wireless communication，long-distance communication，and highly efficient power supply，to make the metering on energy more accurate and more scientific.The practice indicates that this multifunctional volume correction instrument features fully functions and superior performance;it offers wide applicable values.

MSP4430F5438 Correction instrumentWireless communication Low power consumption Flow measurementAnalog signal

TH814

A

修改稿收到日期:2011-01-17。

林新霞，女，1973年生，1993年毕业于上海理工大学机电一体化专业，工程师;主要从事流量仪表的研究。