文方哲 郝少飛 尚永爽

摘要：為滿足不同應(yīng)用場所和情境的計(jì)量需要，探討基于磁電傳感器的智能流量儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。首先，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)著手，闡述系統(tǒng)架構(gòu)、軟硬件和功能板塊的具體設(shè)計(jì)內(nèi)容；其次，針對系統(tǒng)軟硬件和電路說明設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方式；最后，評估分析所設(shè)計(jì)的智能流量儀是否能夠維持穩(wěn)定工作狀態(tài)，就穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度予以測試。

關(guān)鍵詞：磁電傳感器；智能流量儀；設(shè)計(jì)

一、前言

流量儀是計(jì)量石化產(chǎn)品的高精度儀器，傳統(tǒng)儀器設(shè)備受到外部物質(zhì)進(jìn)入管道的影響，常出現(xiàn)數(shù)據(jù)計(jì)量誤差大的問題，精度難以保證。通過引入磁電傳感器，打破光纖渦輪流量傳感器的測量局限，以此設(shè)計(jì)的流量儀量程和峰值信噪比大大提升，切實(shí)滿足寬量程流量的測量需要。與此同時(shí)，可提高結(jié)構(gòu)精度、可靠性，使得功能愈加完善，契合航油市場計(jì)量的要求。為此，研究基于磁電傳感器的智能流量儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)十分必要。

二、基于磁電傳感器的智能流量儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（一）系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的核心處理器為STM32，其中包含藍(lán)牙模塊、NB-IOT、存儲數(shù)據(jù)模塊、流量計(jì)量模塊、LCD液晶顯示模塊以及電源模塊[1]。所設(shè)計(jì)的流量計(jì)屬于螺桿流量計(jì)，由智能流量顯示儀和螺桿計(jì)量腔體構(gòu)成。其中，智能流量顯示儀中將輸入的電訊號處理為數(shù)據(jù)的器件為放大器和感應(yīng)器，其能夠計(jì)算調(diào)整規(guī)定的數(shù)據(jù)模型，并顯示出標(biāo)準(zhǔn)體積量、壓強(qiáng)和水溫等被測介質(zhì)相關(guān)技術(shù)參數(shù)。設(shè)計(jì)與RS485標(biāo)準(zhǔn)通信接口、模擬信號輸入輸出的裝置。藍(lán)牙接口負(fù)責(zé)收集流量計(jì)數(shù)據(jù)和進(jìn)行參數(shù)配置與修改，連接平板電腦以及NB-IOT網(wǎng)絡(luò)后與服務(wù)器形成通路，以此將測得的相關(guān)數(shù)據(jù)顯示在WEB界面上[2]。

（二）軟件設(shè)計(jì)

軟件架構(gòu)由應(yīng)用層、功能模塊層、設(shè)備列表層、驅(qū)動層和硬件抽象層構(gòu)成。其中，應(yīng)用層為業(yè)務(wù)邏輯；功能模塊層中是第三方代碼和功能實(shí)現(xiàn)，包含脈沖輸出、按鍵輸出、顯示和計(jì)量等所有功能模塊；設(shè)備列表完成設(shè)備注冊，綁定驅(qū)動和設(shè)備號，根據(jù)設(shè)備號完成對應(yīng)驅(qū)動接口調(diào)用；驅(qū)動層中包含驅(qū)動邏輯、驅(qū)動實(shí)例、初始化和硬件接口[3]。驅(qū)動邏輯中的代碼對應(yīng)控制、關(guān)閉、打開和讀寫，由初始化模塊完成初始化操作，驅(qū)動實(shí)例內(nèi)的元素。IIC、GPIO、SPI是驅(qū)動所應(yīng)用的硬件接口類型。

（三）硬件設(shè)計(jì)

硬件架構(gòu)中設(shè)計(jì)24V DC供電1路24V DC輸出1路5V DC輸出（隔離保護(hù)）、24V輸出（保護(hù)）、4-20mA輸出電路（隔離保護(hù)）、RS232通訊電路（隔離保護(hù) 排線連接 可選模塊）、RS485通訊電路（隔離保護(hù)）、3路開關(guān)量輸入電路（隔離保護(hù)）、2路報(bào)警信號輸出電路（隔離保護(hù)）、3路脈沖開集輸出電路（隔離保護(hù)）、24V-3.3V電源轉(zhuǎn)換電路（LDO 24V保護(hù)）、5V-3.3V電源轉(zhuǎn)換電路（LDO）、I/O端口與I/O冗余、EEPROM（512Byte標(biāo)定數(shù)據(jù)及掉電數(shù)據(jù)保存）、F-RAM（1MB用戶數(shù)據(jù)及報(bào)警數(shù)據(jù)保存）、計(jì)量測量及溫差補(bǔ)償電路（需保護(hù)）、外部RTC（紐扣電池供電）、MCU、顯示控制器（串行接口）、液晶屏幕（背光LED、半反半透、點(diǎn)陣）、光電接口電路（LED限流）、按鍵接口。

DC/DC模塊轉(zhuǎn)換12-24V電壓，使之經(jīng)過濾波變?yōu)榉€(wěn)定的3.3V、5V、24V電壓，分別實(shí)現(xiàn)為主控單元供電、作為DAC基準(zhǔn)電壓和為RS485模塊供電的作用目標(biāo)。經(jīng)過整形濾波操作后，脈沖信號將進(jìn)入主控單元，功能管腳被定時(shí)捕獲[4]。主控單元與SPI口相連，接收經(jīng)ADC的4-20mA輸入電流，在輸出控制系統(tǒng)的作用下，系統(tǒng)受外界干擾的可能性大幅降低。經(jīng)過隔離處理后，主控單元與UART和RS485模塊完成連接。

（四）功能板塊設(shè)計(jì)

外部中斷和定時(shí)器讀取脈沖信號的周期脈沖數(shù)和頻率，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，計(jì)數(shù)后存入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，存儲完畢后，繼續(xù)進(jìn)行下一任務(wù)。測量溫度和壓力后，得到工況流量，修正所得結(jié)果，轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)體積，完成流量計(jì)量處理。

顯示功能菜單中的菜單號和頁面號的對應(yīng)關(guān)系是：PO-00、PO-09，能夠顯示出單量、壓力、溫度、流量、總量。用戶參數(shù)中菜單號、頁面號和顯示內(nèi)容的對應(yīng)關(guān)系是：菜單號為P1，頁面號為00-22，完成用戶密碼輸出、工況流量顯示、用戶調(diào)差系數(shù)顯示、設(shè)置ModBus地址、標(biāo)準(zhǔn)脈沖輸出方式與單位顯示、標(biāo)況壓力與溫度顯示設(shè)置等功能。工廠參數(shù)中菜單號、頁面號和顯示內(nèi)容的對應(yīng)關(guān)系是：菜單號P2，頁面號00-12，顯示或修正流量修正點(diǎn)1-10的系數(shù)、顯示設(shè)置排量系數(shù)和工廠密碼；菜單號P3，頁面號00-12，顯示設(shè)置流量修正點(diǎn)1-10的頻率、顯示設(shè)置頻率設(shè)置方式；菜單號P4，頁面號00-11，顯示設(shè)置電池驅(qū)動脈沖輸出方式、反向流量極端方式、壓力補(bǔ)償修正點(diǎn)1x、1y、2x、2y的值。

按鍵功能處理由創(chuàng)建按鍵實(shí)例開始，初始化按鍵按下邏輯電平和觸發(fā)時(shí)間，注冊按鍵事件處理回調(diào)，利用掃描讀取按鈕全部狀態(tài)，而后在事件回調(diào)機(jī)制的支持下，將按鈕事件報(bào)告完畢。按鍵功能支持手動消抖、長按、短按和單連擊。操作界面中包括Enter鍵、Up鍵、Shift鍵、Mode鍵，分別支持參數(shù)設(shè)置確定以及復(fù)位頁面、調(diào)整頁面號及數(shù)字累加、調(diào)整設(shè)置位、放棄參數(shù)設(shè)置以及顯示調(diào)整頁面號。切換菜單的操作包括P0-P4五個(gè)界面，單擊Enter鍵進(jìn)入P0界面；在任意菜單顯示模式下，點(diǎn)擊Shift+Mode鍵進(jìn)入P1界面；點(diǎn)擊Mode+Up鍵切換P2、P3、P4界面（在P2、P3、P4任意界面中）。

脈沖輸出處理流程為：定時(shí)器中斷服務(wù)函數(shù)，判定應(yīng)發(fā)脈沖數(shù)是否大于0，當(dāng)結(jié)果為大于0時(shí)，應(yīng)發(fā)脈沖數(shù)-1，發(fā)送一個(gè)脈沖，完成PWM整個(gè)周期的數(shù)據(jù)更新；若結(jié)果為非大于0，則無法繼續(xù)后續(xù)流程。

電流輸出處理的流程為：計(jì)算流量，由DA控制輸出流量換算結(jié)果，完成輸出任務(wù)。

藍(lán)牙功能操作流程為：由接收器搜索附近藍(lán)牙，匹配成功后連接藍(lán)牙，由藍(lán)牙接口讀取設(shè)備參數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)體積量、壓力、溫度等顯示儀數(shù)據(jù)，顯示出智能流量顯示儀中的各項(xiàng)參數(shù)和數(shù)據(jù)，判斷是否按下設(shè)置鍵，若結(jié)果為Y，則輸入密碼，輸入正確并檢測到硬開關(guān)打開后設(shè)置并應(yīng)答成功；若結(jié)果為N，則無法設(shè)置。同時(shí)，若輸入不正確、硬開關(guān)檢測到并未打開也無法設(shè)置。

三、基于磁電傳感器的智能流量儀系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

（一）軟件結(jié)構(gòu)

軟件功能體現(xiàn)在應(yīng)用層、功能模塊層、設(shè)備列表層、驅(qū)動層和抽象層上，根據(jù)項(xiàng)目間所存在的復(fù)用特點(diǎn)，存放重復(fù)部分，并存儲統(tǒng)一框架中。經(jīng)抽象層抽象的硬件，將硬件接口細(xì)節(jié)隱藏于特定平臺，與此同時(shí)，實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)也在硬件驅(qū)動模塊中被隱藏，并完成硬件訪問服務(wù)目標(biāo)。設(shè)備列表層綁定極驅(qū)動和設(shè)備號，驅(qū)動接口依據(jù)設(shè)備號調(diào)節(jié)調(diào)用。以上五層層層接口相連，相互調(diào)用可用信息。

切換菜單結(jié)構(gòu)中模式中密度清除界面、預(yù)制加確認(rèn)的密度預(yù)置界面、清除單量清除界面、預(yù)支單量預(yù)置界面的個(gè)界面，運(yùn)用手動切換形式，采取向下或者向上的切換操作，完成分界面進(jìn)入確認(rèn)任務(wù)。所設(shè)計(jì)的菜單結(jié)構(gòu)能夠切換設(shè)計(jì)不同頁碼數(shù)的分界面，實(shí)現(xiàn)多界面互切。菜單與頁碼切換利用UP↑或DOWN↓按鍵調(diào)整頁碼，利用UP↑+ENTER?或者DOWN↓+ENTER?調(diào)整菜單。參數(shù)設(shè)置點(diǎn)擊按鍵SHIFT→進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置或調(diào)整設(shè)置位，點(diǎn)擊按鍵UP↑或DOWN↓調(diào)整參數(shù)位，點(diǎn)擊ENTER?確認(rèn)操作，點(diǎn)擊UP↑+DOWN↓放棄操作。在主界面點(diǎn)擊預(yù)置為進(jìn)入單量預(yù)置界面，點(diǎn)擊清除進(jìn)入單量清零界面，點(diǎn)擊模式進(jìn)入歷史數(shù)據(jù)界面，點(diǎn)擊預(yù)置+確認(rèn)進(jìn)入密度預(yù)置界面。

（二）硬件結(jié)構(gòu)

硬件結(jié)構(gòu)中包含用戶接線板、NB模塊板、主板、LCD顯示模塊板和面板。經(jīng)過拓?fù)浜?，圖中將清晰顯示報(bào)警脈沖輸出、低電壓、開關(guān)輸入量、主板、按鍵和模組。提供主板電壓的為電源模塊，通過按鍵切換不同模塊。主板負(fù)責(zé)電壓控制，電壓具體值和控制結(jié)果顯示在顯示模組中。主板中的主要組成零件為電源、用戶端子、顯示器、壓力傳感器、溫度傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、輸入電路、數(shù)據(jù)存儲器和微控制器。使用低能耗微控制器，借助FLASH和FRAM存儲數(shù)據(jù)，與SPI共同使用通訊線。輸入電路接收壓力、溫度和轉(zhuǎn)速信號，經(jīng)雙路輸出的轉(zhuǎn)速傳感器，實(shí)現(xiàn)3.3V供電。硬件結(jié)構(gòu)中可選電源為3.4V-24V，運(yùn)用四線制為壓力傳感器供電。

掉電保護(hù)模塊中借助DC-DC5V隔離模塊將電源轉(zhuǎn)換為2路不同類型，經(jīng)LDO變壓作用，輸出2.5V和3.3V電壓。其中，2.5V是供給模擬信號電壓，如若出現(xiàn)掉電問題，數(shù)據(jù)保存由儲能電容完成。3.3V是供給外部存儲器、脈沖輸出、藍(lán)牙、LCD顯示和主控系統(tǒng)的電壓。電流輸出模塊中的輸出量與實(shí)時(shí)流量相關(guān)，當(dāng)處于4-20mA范圍內(nèi)，流量0與4mA對應(yīng)，最大支持流量與20mA對應(yīng)。以內(nèi)部上拉或推挽形式輸出脈沖，短路電流的最大值為10mA，開路電壓的最大值為40V。運(yùn)用四線制輸出4-20mA電流的方式，實(shí)現(xiàn)電流輸出功能。

溫度補(bǔ)償是在集成電路的作用下，放大熱電偶和熱電阻的信號，并完成電流轉(zhuǎn)換，將電流值控制在4-20mA范圍內(nèi)。熱電偶冷端補(bǔ)償要在環(huán)境溫度測量后實(shí)現(xiàn)。

脈沖信號鏈路模塊功能實(shí)現(xiàn)是在調(diào)試電路作用下，轉(zhuǎn)變電流信號，在轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘柡蟊徊杉苯觽鬏斨罙DC采集模塊中。

四、基于磁電傳感器的智能流量儀系統(tǒng)測試

為綜合測試所設(shè)計(jì)的智能流量儀的性能，需從儀器測定結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性兩個(gè)角度予以展開。

首先，測試流量轉(zhuǎn)換器讀取脈沖信號的準(zhǔn)確度，設(shè)計(jì)驗(yàn)證試驗(yàn)，配備光電發(fā)訊器調(diào)試電機(jī)組、直流電機(jī)及調(diào)速器、EMT1光電發(fā)訊器、12V光電發(fā)訊器、流量轉(zhuǎn)換器、脈沖計(jì)數(shù)器和直流電源。將脈沖計(jì)數(shù)器、流量轉(zhuǎn)換器和EMT1光電發(fā)訊器連接，EMT1光電發(fā)訊器轉(zhuǎn)軸與直流電源連接，通過調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，測定脈沖計(jì)數(shù)器和流量轉(zhuǎn)換器的計(jì)數(shù)值。連接脈沖計(jì)數(shù)器、流量轉(zhuǎn)換器和12V光電發(fā)訊器，調(diào)試電機(jī)組，維持電機(jī)不同轉(zhuǎn)速下工作一定時(shí)間（大氣壓力為2.5MPa），測定脈沖計(jì)數(shù)器和流量轉(zhuǎn)換器具體計(jì)數(shù)值。經(jīng)過試驗(yàn)，在光電發(fā)訊器試驗(yàn)狀態(tài)下，在轉(zhuǎn)速為400r/min時(shí)，脈沖計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值為10497，流量轉(zhuǎn)換器計(jì)數(shù)值為10497；在轉(zhuǎn)速為600r/min時(shí)，脈沖計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值為35478，流量轉(zhuǎn)換器計(jì)數(shù)值為35478。在12V光電發(fā)訊器試驗(yàn)狀態(tài)下，在轉(zhuǎn)速為400r/min時(shí)，脈沖計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值為22189，流量轉(zhuǎn)換器計(jì)數(shù)值為22189；在轉(zhuǎn)速為600r/min時(shí)，脈沖計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值為59621，流量轉(zhuǎn)換器計(jì)數(shù)值為59621?？梢钥闯?，流量轉(zhuǎn)換器的計(jì)數(shù)值準(zhǔn)確度達(dá)標(biāo)。

其次，針對流量精確度進(jìn)行試驗(yàn)，使用4臺流量轉(zhuǎn)換器檢定流量，設(shè)定全溫度范圍內(nèi)的試驗(yàn)環(huán)境，使流量轉(zhuǎn)換器在保持正常運(yùn)行1h后檢查其運(yùn)行情況。經(jīng)過測定，在65℃高溫實(shí)驗(yàn)后，可正常工作。同時(shí)，對4臺流量轉(zhuǎn)換器進(jìn)行不間斷運(yùn)行試驗(yàn)，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間為3000h，檢驗(yàn)其工作情況。經(jīng)檢驗(yàn)，4臺流量轉(zhuǎn)換器均可在3000h時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。

最后，針對智能流量儀脈沖輸出功能、顯示功能、計(jì)量功能和按鍵功能進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)均可按照預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)顯示和設(shè)置數(shù)據(jù)與界面，證明所設(shè)計(jì)的器件良好，能夠正常使用。

五、結(jié)語

綜上所述，文章所給出的一種基于磁電傳感器的智能流量計(jì)具備穩(wěn)定精確計(jì)量壓力、溫度的能力，可在實(shí)際作業(yè)中發(fā)揮切實(shí)作用。文章所得出的結(jié)論如下：

（一）設(shè)計(jì)智能流量計(jì)從系統(tǒng)架構(gòu)出發(fā)，細(xì)化軟硬件結(jié)構(gòu)以及功能模塊的設(shè)計(jì)。針對模塊進(jìn)行選型，將STM32作為核心處理器，包含藍(lán)牙模塊、NB-IOT、存儲數(shù)據(jù)模塊、流量計(jì)量模塊、LCD液晶顯示模塊以及電源模塊；

（二）從智能流量計(jì)的核心著手展開功能測試，設(shè)計(jì)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的流量轉(zhuǎn)換器能夠在大氣壓力為2.5MPa的狀態(tài)下精準(zhǔn)穩(wěn)定計(jì)量有關(guān)數(shù)據(jù)，且整體設(shè)備可連續(xù)工作3000h，證明設(shè)計(jì)具有合理性和可用性。

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作者單位：文方哲，陜西寶成航空儀表有限責(zé)任公司；郝少飛，陜西寶成航空儀表有限責(zé)任公司；尚永爽，中國人民解放軍93184部隊(duì)