CN105181032B - 抗高温数字式两线制hart智能涡街流量计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及流量检测领域，为一种抗高温数字式两线制HART智能涡街流量计，包括抗高温涡街流量传感器、第一级电荷放大器、第二级电荷放大器、第一级低通滤器、第二级低通滤波器、电压跟随器、稳压管、数字电源管理电路、模拟电源管理电路、电流环及HART电路、数字隔离电路、单片机、时钟管理、复位电路、电源监测、键盘、液晶显示、温压补偿单元。采用两级电荷放大器再加两级低通滤波器的信号调理电路，解决抗高温涡街流量传感器灵敏度低的问题。采用两路平行电源分别给模拟电路和数字电路供电，解决单片机进行FFT运算时功耗较大与两线制HART智能涡街流量计要求系统消耗电流低于3.5mA之间的矛盾。本发明在量程比、测量精度和抗干扰能力方面均有大幅度提高。

Description

抗高温数字式两线制HART智能涡街流量计

技术领域

本发明涉及流量检测领域，为一种两线制HART智能涡街流量计，特别是一种以单片机（MCU）为核心、采用FFT（快速傅里叶变换）算法进行涡街流量信号处理、用于输出信号幅值较小、灵敏度低的、采用温度特性非常好的材料制作的抗高温涡街流量传感器的抗高温数字式两线制HART智能涡街流量计。

背景技术

在工业应用中，当被测介质温度较高或者温度变化较大时，普通的涡街流量计由于涡街流量传感器的温度特性较差，随着温度的升高，流量计的测量误差越来越大。采用温度特性非常好的材料制作的涡街流量传感器，可以在高温下工作。但是，传感器输出信号存在幅值较小、灵敏度低的问题。

中国发明专利公布了一种改进的低功耗两线制涡街流量计（徐科军，刘三山，刘家祥等.改进的低功耗两线制涡街流量计,申请发明专利，200810246107.9,申请日：2008.12.22.）。这种流量计由压电传感器、差分电荷放大器、电压放大器、程控放大器、低通滤波器、电压跟随器、带通滤波器组、带通选择开关电路、峰值检测电路、整形电路、单片机、人机接口电路、4-20mA输出与电源管理电路、恒流源、温度传感器、压力传感器、差分放大器、16位模数转换器组成。采用少点数FFT频谱分析与模拟带通滤波器组相结合的方式处理涡街流量信号，采用多周期等精度的频率测量方法。该技术克服了现有技术不能在有效测量小流量、扩展量程比、提高测量精度的同时实现低功耗的问题。在保证有效测量小流量、扩展量程比和提高测量精度的同时实现了低功耗两线制工作，输出代表流量的4-20mA直流电流、工作电流小于4mA。但是，这种改进的低功耗两线制涡街流量计存在以下不足：（1）采用少点数FFT频谱分析与模拟带通滤波器组相结合的方式处理涡街流量信号，仍然采用的是时域脉冲计数的方法来计算涡街流量信号频率。因此，系统存在抗干扰能力差、量程下限较高和测量精度低等问题。（2）系统的信号调理电路包含差分电荷放大器、电压放大器、程控放大器、低通滤波器、电压跟随器、带通滤波器组、带通选择开关电路、峰值检测电路、整形电路等，电路较复杂。因此，增加了系统的功耗、成本和设计的复杂性。为此，中国发明专利公布了一种基于快速傅里叶变换的低功耗两线制涡街流量计（徐科军，刘三山，罗清林等.基于快速傅里叶变换的低功耗两线制涡街流量计,申请发明专利，200910117174.5,申请日：2009.6.29.）。这种流量计由压电传感器、限幅放大器、低通滤波器、电压跟随器、单片机、DA转换器、4-20mA输出和隔离和非隔离DC/DC（直流/直流变换器）、LDO（低压差线性稳压器）、时钟管理、复位电路、电源监测、按键输入、液晶显示电路。采用汇编语言实现实数FFT算法，用周期图法处理涡街流量传感器信号，进行幅值和频率校正，计算瞬时和累积流量，输出4～20mA直流电流、两线制工作。但是，这种改进的低功耗两线制涡街流量计存在以下不足：（1）采用的信号调理电路适用于普通的涡街流量传感器，对于采用温度特性非常好的材料制作的抗高温涡街流量传感器，由于传感器输出信号幅值较小、灵敏度低，难以取得很好的效果。（2）该系统并没有在两线制仪表的基础上引入HART通讯功能，因此，减小了该系统应用的场合。（3）采用直接从电流环上取24V电源、通过LDO、DC/DC和隔离型DC/DC进行处理、从而为系统其它部分供电的电源管理方式，可以满足两线制仪表的要求。但是，在应用于两线制HART智能涡街流量计时，直接从电流环上取24V电源进行系统供电，将使电流环上的HART通讯信号产生畸变，从而对HART通讯产生影响，使其不能正常工作。

发明内容

本发明要解决已经申请专利中存在的一些关键技术问题，提供一种用于抗高温涡街流量传感器的抗干扰能力强、测量精度高、量程下限低的抗高温数字式两线制HART智能涡街流量计。

本发明的技术方案是：采用两级电荷放大器再加两级低通滤波器的信号调理电路，结合完全数字信号处理方法；同时，对信号线以及信号调理电路进行屏蔽，减小环境中电磁辐射干扰特别是工频干扰的影响，解决采用温度特性非常好的材料制作的抗高温涡街流量传感器由于输出信号幅值较小、灵敏度低所带来的量程下限较高、抗干扰能力差、测量精度低等问题。通过在电流环上串联一个稳压管，将稳压管两端的电压通过隔离型DC/DC转换之后给数字电路供电；将电流环控制芯片内置的电压调节器输出电压通过LDO和隔离型DC/DC转换之后给模拟电路供电。采用稳压管和隔离型DC/DC相结合的方法从电流环上取电，不影响电流环上HART通讯的正弦波信号，保证了HART通讯的正常工作；采用两路平行电源分别给数字电路和模拟电路供电，提高了电源的负载能力，解决了单片机（MCU）进行FFT运算时功耗较大与两线制HART智能涡街流量计要求系统消耗电流低于3.5mA之间的矛盾，从而将FFT算法成功用于两线制HART智能涡街流量计，扩展了量程下限，提高了系统的抗干扰能力和测量精度；采用隔离的两线制HART仪表设计方案，通过数字隔离电路与两路电源管理电路，将数字电路和模拟电路部分与电流环及HART电路进行隔离，使电流环及HART电路处于浮地状态，使得两线制仪表与远端的接收装置两个地电势之间形成高阻抗，形成两个设备间的电气隔离，从而消除了共模干扰的隐患，提高了HART通讯的稳定性，并保证能够通过EMC测试。

抗高温数字式两线制HART智能涡街流量计包括单片机、时钟管理、复位电路、电源监测、键盘、液晶显示、温压补偿单元；

还包括抗高温涡街流量传感器、第一级电荷放大器、第二级电荷放大器、第一级低通滤器、第二级低通滤波器、电压跟随器、稳压管、电流环及HART电路、数字隔离电路、数字电源管理电路、模拟电源管理电路；其中第一级电荷放大器和第二级电荷放大器组成一个两级电荷放大器，第一级低通滤器和第二级低通滤波器组成一个两级低通滤波器。所述两级电荷放大器、两级低通滤波器和电压跟随器构成信号调理电路；

所述稳压管串联在电流环上，通过稳压管和隔离型DC/DC从电流环上取电，不影响电流环上HART通讯的正弦波信号，保证了HART通讯的正常工作；

所述数字电源管理电路和模拟电源管理电路产生两路平行电源，分别给模拟电路和数字电路供电，提高了电源带负载的能力，满足了采用数字信号处理方法的两线制HART智能涡街流量计对功耗的要求；

工作时，抗高温涡街流量传感器输出的电荷信号经过第一级电荷放大器转变为电压信号；由于抗高温涡街流量传感器输出信号的幅值比普通涡街流量传感器输出信号的幅值小两个以上数量级，所以，采用再经过一级电荷放大器的方法，将信号再次放大。然后，经过两级低通滤波器和电压跟随器后由单片机（MCU）的ADC采样和转换，变成数字量；单片机（MCU）对信号进行FFT运算，得到准确的涡街流量信号频率值和流量值。单片机根据计算结果，在液晶上显示出流量信息，并由单片机（MCU）的SPI（串行外设接口）总线和UART（串行通信接口）总线，通过数字隔离电路连接到电流环及HART电路，将计算出来的流量信息转换成相应的4-20mA电流信号输出以及与上位机进行HART通讯。

本发明专利的优点是：设计了两级电荷放大器再加两级低通滤波器的信号调理电路，结合数字信号处理方法以及对信号线和信号调理电路进行屏蔽的方法，解决采用温度特性非常好的材料制作的抗高温涡街流量传感器由于输出信号小、灵敏度低而造成的量程下限较高、抗干扰能力差、测量精度低等问题；设计了更加合理的电源模块，通过采用两路平行电源分别给模拟电路和数字电路供电，提高了电源带负载的能力，并保证HART通讯的正常工作。同时，解决了单片机进行FFT运算时功耗较大与两线制HART智能涡街流量计要求系统消耗电流低于3.5mA之间的矛盾，从而将FFT算法成功用于两线制HART智能涡街流量计进行涡街流量信号处理，提高了测量精度和抗干扰能力，扩展了量程下限；通过数字隔离电路与两路电源管理电路相结合，将系统的数字电路和模拟电路部分与电流环及HART电路进行隔离，使得两线制仪表与远端的接收装置两个地电势之间形成高阻抗，从而消除了共模干扰的隐患，提高了HART通讯的稳定性，并保证能够通过EMC测试；增加了温压补偿单元，提高了系统测量气体流量的精度。

附图说明

图1是本发明系统的硬件框图。

图2是本发明系统中两级电荷放大器的电路原理图。

图3是利用Multisim软件仿真得到的电荷放大器的幅频特性。

图4是本发明系统中两级低通滤波器和电压跟随器的电路原理图。

图5 是偏置电压电路原理图。

图6是单片机芯片管脚接线示意图。

图7是电流环及HART电路以及数字电源管理电路和模拟电源管理电路原理框图。

图8是本发明系统中电流环及HART电路以及数字电源管理电路的电路原理图。

图9是本发明系统中模拟电源管理电路的电路原理图。

图10是本发明系统中数字隔离电路的电路原理图。

图11是温压补偿单元的原理框图。

图12是本发明系统中恒流源电路原理图。

图13是压力传感器差分放大器的电路原理图。

图14是16位模数转换器（ADC）的电路原理图。

图15是本发明系统中键盘接口电路示意图。

图16是本发明系统中液晶显示接口电路示意图。

图17是本发明系统软件框图。

图18是本发明系统中主监控程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

本发明的设计思想是：采用两级电荷放大器再加两级低通滤波器的信号调理电路设计方法，结合完全数字信号处理方法以及对信号线和信号调理电路进行屏蔽的方法，解决采用温度特性非常好的材料制作的抗高温涡街流量传感器由于输出信号幅值较小、灵敏度低而造成的量程下限较高、抗干扰能力差、测量精度低等问题；采用两路平行电源分别给模拟电路和数字电路供电的电源设计方法，提高了电源带负载的能力，满足了采用数字信号处理方法的两线制HART智能涡街流量计对功耗的要求。将数字信号处理方法成功用于两线制HART智能涡街流量计，扩展了系统的量程下限，提高了系统的抗干扰能力和测量精度等；通过数字隔离电路与两路电源管理电路相结合，使电流环及HART电路处于浮地状态，消除了共模干扰的隐患，提高了HART通讯的稳定性，并保证能够通过EMC测试；通过电流环及HART电路，将测量得到的流量信息转换成4-20mA电流输出，并与上位机进行HART通讯。

本发明系统的总体结构如图1所示。本发明系统由单片机、时钟管理、复位电路、电源监测、键盘、液晶显示、温压补偿单元、抗高温涡街流量传感器、第一级电荷放大器、第二级电荷放大器、第一级低通滤器、第二级低通滤波器、电压跟随器、稳压管、电流环及HART电路、数字隔离电路、数字电源管理电路和模拟电源管理电路组成。

本发明系统采用TI公司的单片机MSP430F5418A为处理核心，如图6所示。MSP430F5418A单片机是TI公司生产的一款16位超低功耗单片机（MCU），具有超低功耗、强大的处理能力以及丰富的片内外围模块，包括时钟系统、看门狗、模拟比较器、16位定时器、基本定时器、实时时钟、USCI、硬件乘法器、ADC、DAC、DMA、GPIO等，为实现本发明系统中的数字信号处理算法提供了保证，并满足了本发明系统对单片机（MCU）各种外围模块的要求。

HART通信采用的是半双工的通信方式，其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中过渡性产品。通过在4-20mA模拟信号上叠加幅值为0.5mA、频率为1200Hz和2200Hz的正弦波音频数字信号进行双向数字通信，其中1200Hz代表逻辑“1”，2200Hz代表逻辑“0”，而数据传输波特率为1.2 kbps(bps是位/每秒)。由于HART信号的平均值为0，不影响系统中所传送的模拟信号大小，从而保证了与现有模拟系统的兼容性。

第一级电荷放大器和第二级电荷放大器组成一个两级电荷放大器，第一级低通滤器和第二级低通滤波器组成一个两级低通滤波器，所述两级电荷放大器、两级低通滤波器和电压跟随器构成信号调理电路。

所述信号调理电路中：

参见图2，两级电荷放大器中的第一级电荷放大器由放大器U1A、电容C1、C2、C6、电阻R1、R2、R3、R6、R7、退耦电容C5、C8组成，其中电容C1、C2是反馈电容，决定第一级电荷放大器的放大倍数；

第二级电荷放大器由放大器U1B、电容C3、C4、C7、电阻R4、R5、R8组成，其中电容C3、C4是反馈电容，决定第二级电荷放大器的放大倍数。第二级电荷放大器和第一级电荷放大器虽然采用相同的拓扑结构，但是，其参数存在很大的差异。第二级电荷放大器等效为一个有源带通滤波器，第二级电荷放大器主要对第一级电荷放大器输出信号中的涡街流量信号进行放大，特别是对小流量时的涡街流量信号进行最大倍数的放大；

参见图4，两级低通滤波器中的第一级低通滤波器由放大器U2A、电容C9、C12、电阻R9、R11、R12、R15、退耦电容C14组成；

第二级低通滤波器由放大器U2B、电容C10、C13、电阻R10、R13、R14、R16组成；

电压跟随器由放大器U2C构成。

参见图7和图8，电流环及HART电路、数字电源管理电路、模拟电源管理电路由调制解调器单元、电流环4-20mA控制单元、稳压管、数字电源管理电路、模拟电源管电路组成；

电流环4-20mA控制单元由电流环控制芯片U4、DMOS管T1、电容C16、C17、C18、C19、C20、C24、C25、电阻R28、R29、R30、R31、R32、磁珠L1、L2、肖特基二极管D2组成，将接收到的来自单片机的代表流量的数字量转换成相应的4-20mA直流电流输出；

调制解调器单元由调制解调器芯片U6、晶振Y1、电容C21、C22、C27、C28、C29、C30、C31、C32、C33、C34、C35、电阻R33、R34、R35、R36组成，完成单片机（MCU）与上位机之间的HART通讯；调制解调器芯片U6的供电电源HV3.3由电流环控制芯片U4的第8管脚数字电源输出DVDD提供；

稳压管为7.5V稳压管D1，串联在电流环正端；将稳压管两端的电压通过数字电源管理电路转换成3V隔离电压给数字电路部分供电；所述数字电源管理电路由隔离型DC/DCU5、电容C23、C26组成；

通过设置使电流环控制芯片U4内置的电压调节器输出9V电压，此9V电压通过模拟电源管理电路转换成3V、-3V和5V隔离电压给模拟电路供电；参见图9，模拟电源管理电路由LDO芯片 U7、U10、隔离型DC/DC U8、U9、电容C36、C37、C38、C39、C40、C41、C42、C43、C44、C45、246、C47、电阻R37、R38、R39、R40组成。

参见图10，数字隔离电路由数字隔离芯片U11、U12、U13、电容C48、C49、C50、C51、C52、C53、电阻R41、R42、R43、R44、R45、R46、R47、R48、R49组成；通过数字隔离电路与两路电源管理电路相结合，使电流环及HART电路处于浮地状态，从而消除了共模干扰的隐患，提高了HART通讯的稳定性，并保证通过EMC测试。

参见图11和图12，温压补偿单元包括恒流源电路、温度传感器、压力传感器、差分放大器和16位数模转换器U18（ADC）；恒流源电路由1.2V基准电压源U14、运算放大器U15A、三极管Q1、Q2、电容C54、C55、C56、电阻R50、R51、R52、R53组成；参见图13，差分放大器由放大器U17A、U17B、电容C57、C59、C60、C61、C62、电阻R54、R55、R56、R57、R58、R59、R60组成。

参见图15和图16，人机接口电路主要由键盘接口电路和液晶接口电路组成。

本发明系统的工作过程为：采用温度特性非常好的材料制作的抗高温涡街流量传感器输出的微弱电荷信号，首先经过第一级电荷放大器将其转变为电压信号，由于信号幅值比普通的涡街流量传感器输出信号的幅值小大约两个数量级，所以，再经过一级电荷放大器，将信号再次放大。放大后的信号经过第一级低通滤波器，滤除信号中的高频干扰噪声，并对低频流量信号进行放大。为了达到单片机（MCU）内部ADC采样的电压要求，将滤波后的信号通过第二级低通滤波器，再次进行放大和滤除高频干扰。第二级低通滤波器的输出信号经过一个电压跟随器后，由单片机（MCU）内部的ADC采样，转换成数字信号，并采用FFT算法进行频谱分析，通过幅值比较的方法得到准确的流量信息。单片机根据计算的结果，将流量信息显示在液晶上，并通过电流环及HART电路转换成4-20mA电流输出以及与上位机进行HART通讯。

本发明的具体工作过程详细说明如下：

如图2所示，抗高温涡街流量传感器输出的电荷信号首先经第一级电荷放大器放大，其中R1、R2、R3为反馈电阻，C1、C2是反馈电容，其大小应根据实际的气体、液体和仪表口径的不同而进行调整。之所以采用多个电阻或者电容串联或者并联的方式是为了得到各种大小的电阻和电容值，从而满足各种实际情况下对电阻、电容值的要求。然后经第二级电荷放大器放大，其中，C3、C4为反馈电容，决定第二级电荷放大器的放大倍数。第二级电荷放大器和第一级电荷放大器虽然采用的是相同的拓扑结构，但是，其参数存在很大的差异。第二级电荷放大器主要是对第一级电荷放大器输出信号中的涡街流量信号进行放大，特别是对小流量时的涡街流量信号进行最大倍数的放大。图3是利用Multisim软件仿真得到的电荷放大器的幅频特性。可以看出，电荷放大器等效为一个有源带通滤波器。通过调整参数，使第二级电荷放大器的最大放大倍数所处频带刚好处于小流量对应涡街流量信号频带内，从而可以对小流量时的涡街流量信号进行最大倍数的放大。图2 中，电阻R4、R5、 R8、电容C3、C4、C7的取值大小决定着电荷放大器的下限截止频率和上限截止频率。

经两级电荷放大器放大后的信号通过隔直电容C11去除直流成分后，送至第一级低通滤波器，如图4所示。第一级低通滤波器由一个截止频率较低的RC低通滤波器和一个有源低通滤波器组成。其中，RC低通滤波器可以对高频噪声信号进行滤波。同时，可以对幅值较大的高频涡街流量信号进行幅值的衰减。有源低通滤波器可以对高频干扰噪声做进一步的衰减，并对低频流量信号进行放大。图4中的偏置电压Vref由图5所示的偏置电路提供。偏置电路由放大器U2D、电容C15、电阻R17、R18组成，可提供1.5V直流电压。为了达到单片机（MCU）内部ADC采样的电压要求，需要对前面放大滤波后的信号再次进行放大和低通滤波。为此，将经过第一级低通滤波器后的输出信号，经第二级低通滤波器再次放大和滤波，如图4所示。第二级低通滤波器采用的是巴特沃斯二阶低通滤波器。两级低通滤波器的截止频率和放大倍数需要根据实际测量的气体、液体和仪表口径的不同而进行调整。

经过滤波后的信号送至由放大器U2C构成的电压跟随器，如图4所示。

最后，将电压跟随器的输出信号送入单片机（MCU）的第4管脚P6.7/A7，如图6所示，供单片机ADC采样转换后进行基于FFT的频谱分析，通过幅值比较得到准确的涡街流量信号频率，进而得到相应的流量值。

为了进一步减小采用温度特性非常好的材料制作的抗高温涡街流量传感器，由于输出信号幅值较小、灵敏度低而对仪表的量程下限、抗干扰能力和测量精度等的影响，对传感器输出信号线以及信号调理电路进行屏蔽，以防止外部环境中的电磁辐射干扰特别是工频干扰耦合到电荷放大器的输入端，并通过信号调理电路进行放大，与涡街流量信号叠加在一起，影响涡街流量信号特别是小流量时的涡街流量信号的准确测量。

参见图7和图8，单片机通过SPI总线输出代表流量的数字量给电流环4-20mA控制单元，电流环4-20mA控制单元将接收到的代表流量的数字量转换成4-20mA直流电流输出。肖特基二极管D2是为了防止外部24V电源正负端接反。磁珠L1、L2的作用是为了提升系统的EMC性能。当单片机（MCU）需要向上位机发送信息时，单片机（MCU）首先将调制解调器芯片的第8管脚拉低，此时调制解调器芯片工作在调制状态。然后发送相关的数字信号给调制解调器芯片的第7管脚TXD。调制解调器芯片将TXD管脚接收到的数字信号调制成1200Hz和2200Hz的HART正弦波信号，其中，数字信号“0”被调制为2200Hz的正弦波信号，数字信号“1”被调制为1200Hz的正弦波信号，调制后的HART正弦波信号由调制解调器芯片的第14管脚HART_OUT输出，经电容C14耦合到电流环控制芯片U4的第21管脚CIN，U4将此信号叠加在4-20mA的电流环路上与上位机进行通讯；当上位机需要向单片机（MCU）发送信息时，上位机发送的HART正弦波信号叠加在电流环上。此时，调制解调器芯片检测到电流环上存在有效载波，其第6管脚CD输出高电平信号给单片机（MCU），单片机（MCU）根据CD管脚处于高电平状态，将调制解调器芯片的第8管脚置高，使调制解调器工作在解调状态，将来自电流环上的HART正弦波信号解调为数字信号“0”和“1”，其中2200Hz的正弦波信号解调为逻辑“0”，1200Hz的正弦波信号解调为逻辑“1”。解调后的数字信号通过调制解调器芯片的第10管脚RXD送人单片机（MCU），完成与单片机（MCU）的通讯。

调制解调器芯片U6的供电电源HV3.3由电流环控制芯片U4的第8管脚数字电源输出DVDD提供，此电压大小为3.3V。

通过在电流环正端串联一个7.5V稳压管D1，将稳压管两端的电压通过由隔离型DC/DC U5、电容C23、C26组成的数字电源管理电路转换成3V隔离电压给数字电路部分供电。采用稳压管加隔离型DC/DC相结合的数字电路电源设计方法，保证了在电流环上取电而不对HART通讯信号产生影响，保证了HART通讯的正常工作。

如图9所示是模拟电源管理电路原理图，通过设置使电流环控制芯片U4上内置的电压调节器输出9V电压，此电压通过模拟电源管理电路转换成3V、-3V和5V隔离电压给模拟电路供电。首先，将电流环控制芯片U4上内置的电压调节器输出的9V电压通过由LDO芯片U7、电容C36、C37、C38、C39、电阻R37、R38组成的降压电路转换成7V电压，再将此7V电压同时作为两个隔离型DC/DC U8、U9的输入电压，并将隔离型DC/DC U8的正输出引脚与系统的模拟地相接，而将其输出端的接地引脚作为电源输出，从而可以转换成一个-3V和一个5V隔离电压。将5V电压作为模拟电路中的温压补偿单元的电源，并将5V电压经过由LDO芯片U10、电容C44、C45、C46、C47、电阻R39、R40组成的降压电路转换成3V电压，将±3V电压给模拟电路其他部分供电。模拟地和数字地之间通过磁珠连接，这样减小了模拟地和数字地之间的公共阻抗，并保证模拟电路部分与数字电路电平匹配。

在没有做信号隔离的两线制信号传输中，两线制仪表与远端接收装置的地电势间存在电势差，从而引入共模干扰。这种干扰会引起4-20mA电流信号的传输误差，会影响HART总线的正常通讯；如果共模干扰过大，超过了内部器件的共模电压允许范围，甚至会造成两线制仪表内部的器件损坏。此外，对于没有做信号隔离的系统，由于电流环及HART电路的地与系统的模拟地和数字地之间是通过磁珠相连的。同时，由于采用的抗高温涡街流量传感器输出信号的一端是通过表壳与大地相接的。这样，在进行EMC测试时，在24V输入和大地之间施加的浪涌电压等效于直接施加于系统电源和系统地之间，这会损坏仪表内部的各种器件。因此，需采用隔离方式的两线制HART仪表设计方案。

参见图10，数字隔离电路完成单片机与电流环及HART电路之间的SPI通讯和UART通讯信号的隔离。通过数字隔离电路与两路电源管理电路相结合，将数字电路和模拟电路部分与电流环及HART电路进行隔离，电流环及HART电路处于浮地状态，使得两线制仪表与远端接收装置两个地电势之间形成高阻抗，降低地线之间的回路电流，形成两个设备间的电气隔离，从而消除共模干扰的隐患。同时，在进行EMC测试时，由于系统的数字地和模拟地与电流环及HART电路的地之间进行了隔离。这样，在24V输入和大地之间施加的浪涌电压等效于施加在数字隔离芯片以及隔离型DC/DC两端，而数字隔离芯片和隔离型DC/DC的耐压值非常高，从而可以很好地避免仪表内部各种器件的损坏，保证通过EMC测试。同时，提高了HART通讯的稳定性。

参见图11和图12，恒流源电路提供一个恒定的电流，该电流流经温度传感器和压力传感器；温度传感器为铂电阻，两端Temp+和Temp-接至ADC U18的输入端；压力传感器的输出信号Press+和Press-，先经过差分放大器放大。然后，接至16位数模转换器U18的输入端；参见图14，16位数模转换器U18（ADC）将温度传感器和压力传感器输出的模拟信号进行放大并转换成数字信号，通过I²C总线送入单片机，为流量测量特别是气体流量测量提供温度和压力补偿信息。

本发明键盘采用简单的非编码键盘，共安排了四个键：确认、递增、移位和返回，如图15所示。键盘由单片机的通用I/O口中的P2口定时扫描，四个键分别占用P2.3，P2.2，P2.1，P2.0。当有键被按下时,相应的I/O口输入高电平。本发明系统的液晶电路如图16所示。选用定制的液晶显示器，可双排显示，并具有字母提示符显示。

本发明系统软件总体框图如图17所示，由主监控程序、看门狗模块、铁电保护模块、外部中断模块、初始化模块、HART通讯模块、数字信号处理模块、人机接口模块和输出模块。其中，人机接口模块包括键盘设置模块和液晶显示模块。输出模块包括脉冲输出模块和4-20mA输出模块。

图17中的主监控程序模块是整个软件系统的总调度程序，调用各个模块中的子程序，实现本发明系统的所要求的功能。主监控程序的软件流程图如图18所示。它是一个循环程序，系统一上电，主监控程序自动运行，进行初始化和相应的处理操作，并等待响应中断。其基本处理过程为：(1)首先进行初始化，配置各个需要的模块，主要包括系统时钟管理初始化、DMA初始化、GPIO初始化、ADC初始化、定时器初始化、SPI初始化、UART初始化和液晶显示初始化等；(2)开启液晶显示和中断模块，包括ADC中断、URAT中断、GPIO中断和定时器中断，等待采集调理电路输出数据，采集并传输完成2100点后，进入系统循环；(3)调用计算模块，首先进行2048点的FFT频谱分析，找出频谱图中幅值最大点所对应的频率，即为涡街流量信号的频率。并将两级平均后所得到的频率值作为最终的涡街流量信号频率。然后，根据计算得到的涡街流量信号频率计算相应的瞬时流量。最后，根据瞬时流量值计算相应的电流环4-20mA控制信号的大小；(4)刷新液晶显示，显示当前涡街流量信号的频率、幅值、瞬时流量和累计流量等信息；(5)根据实际情况要求，通过电流环及HART电路进行流量信息的传输、仪表参数的读取和设置、工作模式的设置等；(6)根据实际输出的需要，向外输出流量对应的标准4-20mA的电流信号，完成一个循环；(7)主监控程序进入下一轮新的循环，实时地更新流量信息并显示。

Claims (4)

1.抗高温数字式两线制HART智能涡街流量计,包括单片机、时钟管理、复位电路、电源监测、键盘、液晶显示、温压补偿单元，还包括抗高温涡街流量传感器、第一级电荷放大器、第二级电荷放大器、第一级低通滤器、第二级低通滤波器、电压跟随器、稳压管、电流环及HART电路、数字隔离电路、数字电源管理电路、模拟电源管理电路，其特征在于：

所述第一级电荷放大器和第二级电荷放大器组成一个两级电荷放大器，第一级低通滤器和第二级低通滤波器组成一个两级低通滤波器；所述两级电荷放大器、两级低通滤波器和电压跟随器构成信号调理电路；

所述信号调理电路中：

所述两级电荷放大器中的第一级电荷放大器由放大器U1A、电容C1、C2、C6、电阻R1、R2、R3、R6、R7、退耦电容C5、C8组成，其中电容C1、C2是反馈电容，决定第一级电荷放大器的放大倍数；

第二级电荷放大器由放大器U1B、电容C3、C4、C7、电阻R4、R5、R8组成，其中电容C3、C4是反馈电容，决定第二级电荷放大器的放大倍数；

第二级电荷放大器和第一级电荷放大器虽然采用相同的拓扑结构，但是其参数存在很大的差异；第二级电荷放大器等效为一个有源带通滤波器，第二级电荷放大器主要对第一级电荷放大器输出信号中的涡街流量信号进行放大，对小流量时的涡街流量信号进行最大倍数的放大；

所述两级低通滤波器中的第一级低通滤波器由放大器U2A、电容C9、C12、电阻R9、R11、R12、R15、退耦电容C14组成；第二级低通滤波器由放大器U2B、电容C10、C13、电阻R10、R13、R14、R16组成；电压跟随器由放大器U2C构成；所述稳压管串联在电流环上，通过稳压管和隔离型DC/DC从电流环上取电，不影响电流环上HART通讯的正弦波信号，保证了HART通讯的正常工作；

所述数字电源管理电路和模拟电源管理电路产生两路平行电源，分别给模拟电路和数字电路供电；

工作时，抗高温涡街流量传感器输出的电荷信号经过第一级电荷放大器转变为电压信号；由于抗高温涡街流量传感器输出信号的幅值比普通涡街流量传感器输出信号的幅值小两个以上数量级，所以，采用再经过一级电荷放大器的方法，将信号再次放大；然后，经过两级低通滤波器和电压跟随器后由单片机(MCU)的ADC采样和转换，变成数字量；单片机(MCU)对信号进行FFT运算，得到准确的涡街流量信号频率值；单片机(MCU)根据频率计算结果，在液晶上显示出流量信息，并由单片机(MCU)的SPI(串行外设接口)总线和UART总线通过数字隔离电路连接到电流环及HART电路，将计算出来的流量信息转换成相应的4-20mA电流信号输出以及与上位机进行HART通讯。

2.根据权利要求1所述的抗高温数字式两线制HART智能涡街流量计，其特征在于：所述单片机的型号为MSP430F5418A。

3.根据权利要求1所述的抗高温数字式两线制HART智能涡街流量计，其特征在于：电流环及HART电路、数字电源管理电路、模拟电源管理电路由调制解调器单元、电流环4-20mA控制单元、稳压管、数字电源管理电路、模拟电源管理电路组成；

所述电流环4-20mA控制单元由电流环控制芯片U4、DMOS管T1、电容C16、C17、C18、C19、C20、C24、C25、电阻R28、R29、R30、R31、R32、磁珠L1、L2、肖特基二极管D2组成，将接收到的来自单片机的代表流量的数字量转换成相应的4-20mA直流电流输出；

所述调制解调器单元由调制解调器芯片U6、晶振Y1、电容C21、C22、C27、C28、C29、C30、C31、C32、C33、C34、C35、电阻R33、R34、R35、R36组成，完成单片机(MCU)与上位机之间的HART通讯；调制解调器芯片U6的供电电源HV3.3由电流环控制芯片U4的第8管脚数字电源输出DVDD提供；

所述稳压管为7.5V稳压管D1，串联在电流环正端；将稳压管两端的电压通过数字电源管理电路转换成3V隔离电压给数字电路部分供电；所述数字电源管理电路由隔离型DC/DCU5、电容C23、C26组成；

通过设置使流环控制芯片U4内置的电压调节器输出9V电压，此9V电压通过模拟电源管理电路转换成3V、-3V和5V隔离电压给模拟电路供电，所述模拟电源管理电路由LDO芯片U7、U10、隔离型DC/DC U8、U9、电容C36、C37、C38、C39、C40、C41、C42、C43、C44、C45、246、C47、电阻R37、R38、R39、R40组成。

4.根据权利要求1所述的抗高温数字式两线制HART智能涡街流量计，其特征在于：所述数字隔离电路由数字隔离芯片U11、U12、U13、电容C48、C49、C50、C51、C52、C53、电阻R41、R42、R43、R44、R45、R46、R47、R48、R49组成；通过数字隔离电路与两路电源管理电路相结合，使电流环及HART电路处于浮地状态，从而消除了共模干扰的隐患，提高了HART通讯的稳定性，并保证能够通过EMC测试。