用于流量标准装置的具有多通道脉冲计数功能的计时器设计

王新

（中煤科工集团唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012）

液体流量计的计量性能常用静态容积法/静态质量法或标准表法进行检定。静态容积法/静态质量法的检定方法为：计量一段时间内标准容器或标准衡器的液体体积或质量，通过计算得出该段时间标准装置的平均体积流量或质量流量，同时记录该段时间被检表的脉冲计数（脉冲频率与被检表瞬时流量成比例关系或脉冲数值代表一定的累计流量），通过计算得出被检表的平均体积流量或质量流量，计算标准值和被检值之间的误差，从而判定被检表是否合格。标准表法检定方法为：计量一段时间内标准表（标准流量计）和被检表的脉冲计数，通过计算得出标准流量值和被检流量值，计算两者之间误差来判定被检表是否合格。气体流量计的计量性能常用临界流文丘里喷嘴法进行检定，检定方法为：通过控制音速喷嘴的开闭调整标准流量，计量一段时间内被检表的脉冲计数，计算得出被检表的平均流量，计算标准流量和被检表流量之间的误差，判定被检表是否合格。企业在建造流量检定装置时，常采用多台被检表同时检定的方法来提高检定效率。装置在建造时，计时器为单一设备，脉冲则通过可编程逻辑控制器（PLC）或脉冲计数器进行采集，设备启停不同步存在一定时间差，可能会产生测量误差，脉冲计数设备的抗干扰能力也决定脉冲计数的准确性，同时设备众多，也增加了系统的复杂性和建造成本。为了解决这一问题，设计一种具有10 通道脉冲信号计数功能的计时器，可自动计算每通道的平均流量及与标准流量的相对示值误差，具有RS485 通信功能，在非检定状态下可显示每通道脉冲频率和流量值。

1 方案设计

根据JJG164-2000《液体流量标准装置检定规程》、JJG643-2003《标准表法流量标准装置检定规程》和JJF1240-2010《临界流文丘里喷嘴法气体流量标准装置校准规范》的规定，计时器应有晶振信号输出口，晶振8h 稳定度一般不低于装置不确定度的1/10（JJF1240-2010 校准规范要求优于1×10-5），计时器的分辨力需不大于0.001s。流量计的脉冲输出信号分为有源输出和无源输出两种类型，为了增加计时器的适用性，计时器设计24V 直流电源输出功能，方便给无源脉冲信号及启停控制电路供电，同时考虑各仪表输出信号之间可能引起串扰，各通道采用隔离方式与其他通道分开。计时器设计LCD 液晶显示功能及按键功能，方便计时器设参。计时器的启动、停止、清零可通过按键、RS485 或控制信号三种方式进行触发。其基本功能框图如图1 所示。

图1 基本功能框图

2 硬件电路设计

设计选用德州仪器公司的MSP430F5438A 单片机作为主处理器，采用最高25MHz 系统时钟，具有两组共16个中断能力的IO 端口，3个定时器共15个捕获/比较端口，具有4个通用串行通信接口（USCI），具有1个32位硬件乘法器，能够满足高精度计时、10 通道脉冲信号采集、启动/停止/清零信号的控制输入、RS485 通信和按键等功能的要求。为了保证时间测量的稳定性，选择型号为TCXO25.000000MHz 带温度补偿功能的有源晶体振荡器作为主处理器的系统时钟源，晶振采用3.3V 供电，-40 ～85℃温度范围内的频率温度特性≤±1.5PPM，10年老化率≤5PPM，频率稳定性≤±0.2PPM（3.3V±5%，25℃）。该晶振满足晶振8h 稳定度一般不低于装置不确定度的1/10（优于1×10-5）的要求。显示屏选择JLX256128G 液晶模块，能够同屏显示检定时间及10 通道脉冲计数值，方便查看。

硬件电路的设计重点在于检定启动、停止控制信号以及流量计输出的脉冲信号的噪声抑制来保证脉冲信号的准确性。本质上来说，启动、停止控制信号也是脉冲信号，其噪声抑制方法与流量计输出的脉冲信号噪声抑制方法基本相同，只是按钮按下时产生的抖动较大，滤波电容的选择略有不同。电路原理如图2 所示。

图2 脉冲信号输入电路原理图

脉冲输入信号通过F1 自恢复保险，经C1、C2 低通滤波电路滤除高频噪声，D1 为瞬态抑制二极管，能有效滤除信号中的尖峰脉冲，由R1、R2 电阻、Q1、Q2 三极管和D3 齐纳二极管组成限流电路，使流入U1 双通道高速光耦的电流限定在7mA，同时能够承受3.5 ～24V 的脉冲电压，可有效抑制脉冲信号的电流波动。D2 为低压降二极管，防止回流。U1 具有2500V 电压隔离能力，将输入信号和后级电路有效隔离。U1 输出信号经上拉电阻R3 和低通滤波电容C4 进入U2 施密特触发反相器，将信号转换成清晰、无抖动的输出信号，同时使最终信号和初始输入信号的相位保持一致。C3、C5 为电源滤波电容，保证U1、U2 集成电路工作的稳定性。U3 为双通道常开型光耦继电器，由主处理的信号控制光耦通断，可以给无源脉冲信号提供24V 电源来供电，R4 为上拉电阻，起到限流作用。当采用24V 供电时，脉冲信号采用单独地回路，避免与其他回路产生共地干扰。

3 软件设计

计时器的启动、停止、清零信号及对应按键采用中断方式触发，脉冲计数通过主处理器定时器的中断捕获模式实现。软件设计的重点在于如何快速响应控制信号的启动、停止操作，并且无误差的记录脉冲计数，保证不丢数。该设计中，设定一个代表启动、停止和清零的状态变量，在控制信号和按键的中断程序中，通过改变这个状态变量值或通过RS485 命令直接改变该状态变量值，来表示计时器当前状态，定时器捕获到脉冲信号，根据状态变量值来决定是否增加脉冲计数，可以实现计时器的快速响应。计时器的分辨力为0.00001s，采用25MHz 时钟，为250个时钟周期，每通道脉冲计数的处理周期为16个时钟周期，能够保证计时的同时，10 通道脉冲计数不丢数。其基本逻辑为，在复位状态下，接收到启动信号或启动按键按下或接收到RS485 启动命令，改变状态变量为运行状态，开始计时和脉冲计数，接收到停止信号或停止按键按下或接收到RS485 停止命令，改变状态变量为停止状态，停止计时和脉冲计数，计算平均流量和相对示值误差，接收到清零信号或清零按键按下或接收到RS485 清零命令，清除计时和脉冲计数值，改变状态变量为复位状态，等待下一次启动。在程序运行过程中，设置保护机制保证逻辑的正确性，如在启动状态下只接受停止信号，在停止状态下只接受清零信号，在清零信号后计时器进入复位状态只接受启动信号。其程序流程如图3 所示。

图3 程序流程图

计时器RS485 通信采用MODBUS-RTU 协议，通信速率支持1200 ～115200bps，支持03、06 和16 功能码，03功能码可以读取检定时间、脉冲计数值和仪表参数等信息，06 功能码可以控制计时器的启动、停止、清零操作和设置计时器单寄存器参数，16 功能码可以设置计时器多寄存器参数。通过RS485 通信，可以实现对计时器的完全操作。

4 试验效果

在流量检定实验室内，被检流量计频率输出端子与计时器脉冲输入端子之间连接50m 信号线，信号线与其他信号线、控制线及动力电缆布置在线缆槽内，由于受到噪声、电磁干扰及信号线分布电容、分布电感的影响，计时器输入端的信号受到一定的干扰，波形如图4 所示，经计时器电路滤波、整型后进入主处理器的波形如图5所示。图中可以看出处理后的波形更加平直，滤除了高频噪声，跳变沿陡峭，波形稳定性得到提升。

图4 脉冲输入波形

图5 处理后脉冲波形

采用串口调试软件周期发送启动、停止、清零命令，测试计时器启停时间，能够得出计时器的响应时间，数据收发如图6 所示，测试数据如表1 所示。由测试数据可以得出计时器的响应时间≤0.03s。

表1 RS485 命令控制启、停时间测试（单位：s）

图6 RS485 通信测试

采用信号发生器输出1200Hz、占空比50%的标准方波，并联至计数器的4 条通道，计时器进行长时间运行，测试脉冲计数的准确性。测试数据显示，4 条通道计数相同，经计算频率为1200.0009Hz，与信号发生器一致。

5 结语

设计了一种具有10 通道脉冲信号计数功能的计时器，具有晶振信号输出端口，晶振8h 稳定度达到1×10-6，计时分辨力0.00001s，满足0.2 级标准表法液体流量标准装置的要求，已在唐山大方汇中仪表有限公司液体流量检定实验室成功应用，可同时对实验室DN250mm 管道上的4 台外夹式超声波流量计和2 台插入式超声波流量计通过标准表法液体流量标准装置进行检定。

图7 计时及脉冲计数测试