专利名称：分体式涡街流量计的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种流量测量仪表，特别是一种以数字信号处理器(DSP)为核心 的分体式涡街流量计。
技术背景涡街流量计是一种应用广泛的流量计。现有涡街式流量计将传感器的调理电路与信 号处理部分集于一体，称为一体化的信号处理系统。这种涡街式流量计不能应用于高温 环境，因为在高温条件下，其信号处理电路无法正常工作。因此，在某些温度较高的工 业现场，为了保证系统工作的稳定性，需要将传感器的调理电路与信号处理部分分开， 将信号处理部分远离高温环境。此外，某些特殊的安装现场也需要分体式仪表，如管道 位置不便于人员靠近，仪表参数设置和流量读取较为困难时，就需要将仪表的人机接口 部分加以延伸以方便使用。发明内容本发明所要解决的技术问题是提供一种可以应用于高温场合和某些需要分 体式仪表场合的分体式涡街流量计。 本发明所采用的技术方案是分体式涡街流量计，由传感器、调理电路模块、数字信号处理模块、屏蔽电缆组成。所述的传感器包括涡街传感器、温度传感器和压力传感器。所述的调理电路模块包括电荷放大、限幅放大和滤波电路，模拟差分转换电路，16 位ADC， RS485电平转换电路，恒流源。所述的数字信号处理模块包括DSP芯片，模拟差分转换电路，有源滤波电路，RS485 电平转换电路，LCD，键盘，SRAM， EEPR0M，欠压检测电路，电流输出电路，脉冲输出 电路。在所述的调理电路模块中，涡街传感器输出的涡街信号经电荷放大、限幅放大和滤波电路送到模拟差分转换电路，模拟差分转换电路的输出经屏蔽电缆远传给数字信号处 理模块。温度传感器和压力传感器信号经16位ADC转换成数字量，再由16位ADC的串口输 出至RS485电平转换电路，转换成符合RS485电平的信号，通过屏蔽电缆传送至数字信 号处理模块；同时，RS485电平转换电路还接收来自数字信号处理模块中DSP对ADC的 控制信号。在所述的数字信号处理模块中，涡街信号经模拟差分转换电路转换成单端信号，经 有源滤波电路滤波后，送至DSP芯片的ADC输入端。调理电路模块送来的温度、压力数字信号通过RS485电平转换电路转换成CMOS电 平，'送到DSP芯片的通用I/O 口 。所述调理电路模块中的电荷放大、限幅放大和滤波电路中，放大器U2A、电容C1、 C2、 C4 、 C9、 CIO、 Cll、 C7、电阻R2、 R9、 R12组成电荷放大器，放大器U1B、电容 C5、 C6、 C3、电阻R4、 R5、 R3、 RIO、 二极管D1、 D2组成限幅放大和有源带通滤波器， 放大器U2B、电容C16、 C17、电阻R14、 R15组成电平偏置电路。所述调理电路模块中的模拟差分转换电路中，放大器U1A、电阻R7、 R6、 Rll、电 容C8组成反相器，放大器U1C、 U1D、电阻R1、 R8组成缓冲器。所述数字信号处理模块中的模拟差分转换电路由放大器U7、电阻R20、 R24、电容 C20、 C27、 二极管D4、 D5、 D6、 D7组成的减法电路构成；TP6处有一个固定的电平。所述数字信号处理模块中的有源滤波电路由放大器U6B、 U6C、电阻R16、 R18、 R19、 R22、电容C25、 C26、 C21、 C22组成。所述温度传感器和压力传感器电路由恒流源、测试电阻R61、 R68、电平偏置电阻 R69组成；由放大器U17A、三极管Q3、 Q4、稳压管Q2、电阻R59、电位器R58、电容C60 组成恒流源，为压力传感器的电桥Ra、 Rb、 Rc、 Rd以及温度传感器的电阻R67提供一 个恒定的电流。所述DSP芯片采用TMS320LF2407A。在所述调理电路模块中，16位ADCU16采用AD7792芯片，RS485电平转换电路由3 片RS485收发器U18、 U19和U20组成，采用ISL4489芯片；AD7792的数据输入引脚DIN 和数据输出引脚D0/^F接至U18; AD7792芯片串口的时钟引脚SCLK接至U19; AD7792
芯片串口的片选引脚CS接至U20。
在所述数字信号处理模块中，RS485电平转换电路由3片RS485收发器U8、 U10和 Ull组成，采用ISL4489芯片；U8第5脚信号SPICLK来自DSP芯片第44管脚PB2，第 9脚信号SPICLK p和第10脚信号SPICLK n通过屏蔽电缆送至调理电路模块；U10第5 脚信号丽来自DSP芯片第37管脚PB7，第9脚信号丽p和第10脚信号丽n通过 屏蔽电缆送至调理电路模块；Ull第5脚信号MOSI来自DSP芯片第47管脚PB1，第9 脚信号MOSI p和第IO脚信号MOSI n通过屏蔽电缆送至调理电路模块；Ull第11脚和 第12脚信号MISO n和MISO p来自所述的调理电路模块中RS485收发器U18的第10脚 DO n和第9脚DO p，第2脚信号MISO送至DSP芯片的第52脚PBO。
本发明的积极效果是1、 整个系统由传感器及调理电路模块和数字信号处理模块两部分组成。三 种传感器及调理电路模块置于高温的被测现场，而数字信号处理模块处于常温环 境下，这样既满足高温环境及一些需要分体式仪表的特殊场合的测量要求，又能 保证仪表的正常工作。
2、 分体式仪表中的模拟信号和数字信号均采用差分传输方案，利用屏蔽电 缆传输差分信号可以获得很好的抗干扰能力。
图l是本发明的总体方框图，图2是调理电路模块中涡街信号处理电路图，图3是数字信号处理模块中涡街信号处理电路图，图4是DSP芯片管脚示意图，图5是压力和温度传感器电路图，图6是16位ADC电路图，图7是调理电路模块中RS485电平转换电路图，图8是数字信号处理模块中RS485电平转换电路图，图9是软件框图，图10是主监控程序流程图。
具体实施例方式
下面结合附图对发明作进一步的说明。本发明的设计思想是将涡街流量传感器、温度和压力传感器及调理电路模块 与数字信号处理模块分开，中间用屏蔽电缆连接。将传感器及调理电路放在被测 现场，而数字信号处理模块放在远离高温的常温处。这是考虑到有的传感器输出 信号非常微弱、输出阻抗高，直接远距离传输会受到噪声干扰，所以，将传感器 和调理电路模块做在一个表头里，放在被测现场。而DSP等器件即使在常温下工作，其本身的温度就会高于环境温度几十度，若工作在摄氏10(TC的环境中，其. 内核将达到极限温度，芯片的可靠性无法保证，所以，将其远离高温的被测现场。本发明总体结构，如图1所示。分体式涡街流量计，由传感器、调理电路模块、 数字信号处理模块、屏蔽电缆组成。所述的传感器包括涡街传感器、温度传感器和压力传感器。所述的调理电路模块包括电荷放大、限幅放大和滤波电路，模拟差分转换电路，16 位ADC， RS485电平转换电路，恒流源。所述的数字信号处理模块包括DSP芯片，模拟差分转换电路，有源滤波电路，RS485 电平转换电路，LCD，键盘，SRAM， EEPROM,欠压检测电路，电流输出电路，脉冲输出 电路。在所述的调理电路模块中，涡街传感器输出的涡街信号经电荷放大、限幅放大和滤 波电路送到模拟差分转换电路，模拟差分转换电路的输出经屏蔽电缆远传给数字信号处 理模块；温度传感器和压力传感器信号经16位ADC转换成数字量，再由16位ADC的串口输 出至RS485电平转换电路，转换成符合RS485电平的信号，通过屏蔽电缆传送至数字信 号处理模块；同时，RS485电平转换电路还接收来自数字信号处理模块中DSP对ADC的 控制信号。在所述的数字信号处理模块中，涡街信号经模拟差分转换电路转换成单端信号，经 有源滤波电路滤波后，送至DSP芯片的ADC输入端；调理电路模块送来的温度、压力数字信号通过RS485电平转换电路转换成CMOS电 平，送到DSP芯片的通用I/O 口。调理电路模块中涡街信号处理电路，如图2所示。涡街流量传感器，即压电传感器
输出的电荷信号经由放大器U2A、电容C1、 C2、 C4 、 C9、 CIO、 Cll、 C7、电阻R2、 R9、 R12组成的电荷放大器，变成电压信号；再通过由放大器U1B、电容C5、 C6、 C3、电阻 R4、 R5、 R3、 RIO、 二极管D1、 D2组成的限幅放大和有源带通滤波器，组成的具有限幅 功能的有源带通滤波器；再通过由放大器U1A、电阻R7、 R6、 Rll、电容C8组成的反相 器，产生一对差分信号，经过放大器U1C、 U1D、电阻R1、 R8组成的缓冲器缓冲后输出， 经屏蔽电缆传送至数字信号处理模块。涡街信号是由频率表征流量而与信号幅值无 关，所以采用差分模拟信号直接远传。放大器U2B、电容C16、 C17、电阻R14、 R15 组成电平偏置电路。
数字信号处理模块中涡街信号处理电路，如图3所示。通过屏蔽电缆传送来的流量 传感器信号经由放大器U7、电阻R20、 R24、电容C20、 C27、 二极管D4、 D5、 D6、 D7 组成的减法电路，将差分信号转换成单端差模信号。经过由放大器U6B、 U6C、电阻R16、 R18、 R19、 R22、电容C25、 C26、 C21、 C22组成的有源滤波器，输出至DSP芯片的第112 个引脚，即DSP内置ADC的通道O。
DSP芯片如图4所示。本发明系统的DSP芯片采用TMS320LF2407A。该DSP芯片运 算能力强，最高运算速度为40MIPS，指令周期25ns，内部带有一个16*16位的硬件乘 法器，足以实时实现FFT算法。更重要的是该芯片内集成有丰富的片上外设，例如，内 部集成了 A/D模块，最多可支持16个通道的信号转换，转换周期最快达375ns， 10位的■ 转换精度。考虑到系统提取的是涡街信号的频率，因此该10位A/D可满足要求。该芯 片还集成有32k的FLASH、 2个事件管理器(包含4个通用定时器，支持比较、PWM发生、 捕获、正交编码和2个外部中断等功能)、看门狗、串行外设接口SPI、串行通讯接口 SCI、 CAN和多功能复用I/O 口等，这样不仅容易实现和扩展仪表的功能，而且关键可减 少系统的外部器件，减小系统电路板设计面积，可提高系统可靠性。
温度、压力信号由于采集精度的要求，其模拟信号难以进行直接远传，将其 进行模数转换后以数字量传输；由于被测现场的温度比较高，表壳中不宜放置微 处理器，所以无法使用较复杂的通信协议，故采用SPI通信接口加RS485电平作 为数字信号的传送方案。
温度传感器和压力传感器电路由恒流源、测试电阻R61、 R68、电平偏置电阻R69 组成，如图5所示。由放大器U17A、三极管Q3、 Q4、稳压管Q2、电阻R59、电位器R58、
电容C60组成恒流源，为压力传感器的电桥Ra、 Rb、 Rc、 Rd以及温度传感器的电阻R67-提供一个恒定的电流。其压力传感器的输出信号Press+和Press-接至模数转换芯片U16 的AIN2+引脚和AIN—引脚；其温度传感器的输出信号Temp+和Temp-接至模数转换芯 片U16的AIN+引脚和AIN—引脚。
模数转换芯片即16位ADC电路，如图6所示。考虑测量现场高温的工作环境，选 用了 ADI公司的AD7792作为模数转换器。AD7792是一种低功耗、高集成度的16位ADC， 工作温度范围可达-40。C 105。C 。内部集成了电压放大倍数最大可达128倍的仪用放大 器和低温漂参考稳压源，以及用于内部数字逻辑的时钟发生器，最大限度地减少了外围 的分立元件。这样，压力传感器和温度传感器的模拟信号经过ADC就变成了数字信号， 由ADC的串口输出。ADC的串口有4个引脚，分别是数据输入DIN、数据输出D0/^ 、' 时钟信号SCLK和片选信号5 。
调理电路模块中RS485电平转换电路，如图7所示。AD7792的数据输入引脚DIN 接至U18，接收经U18电平转换后的数字信号处理模块发送来的控制信号；AD7792的数 据输出引D0/^ 接至U18，经U18电平转换后向数字信号处理模块发送AD7792转 换的数据。AD7792芯片串口的时钟引脚SCLK接至RS485收发器ISL4489芯片U19，通 过屏蔽电缆，接收来自数字信号处理模块的时钟信号；AD7792芯片串口的片选引脚5 接至RS485收发器ISL4489芯片U20，通过屏蔽电缆，接收来自数字信号处理模块的片 选信号。具体地说，来自数字信号处理模块的差分形式的控制信号DINp和DINn通过 U18转换成单极性信号DIN接至U16的第16脚DIN; U16的数据输出引脚DO/^F接至 U18的第5脚D0， U18将U16的数据变成差分信号D0 p和DO n输出；来自数字信号处 理模块的差分形式的时钟信号SCLK p和SCLK n经U19转换成单极性信号SCLK，接至 U16的第1脚；来自数字信号处理模块的差分形式的片选信号5p和5n经U19转换 成单极性信号5，接至U16的第3脚。RS485采用平衡传送、差分接收方式，并不需 要相对于某个参照点来检测信号，其逻辑仅由两线之间的电压决定。其最大传输距离为 4000英尺(约1219米)，最大传输速率为10Mb/s。其传输速率与屏蔽电缆的长度成反 比，在100kb/s速率以下，才可能达到最大传输距离。RS485需要2个终端匹配电阻， 其阻值要求等于传输电缆的特性阻抗。尽管RS485的差分传送方式具有良好的抗共模能' 力，但是，其共模电压承受范围仅是-7V至+12V之间，当连接线路中共模电压超出此范围时就会影响通信的稳定可靠，甚至损坏接口。此外，发送驱动器输出信号中的共模信 号部分需要一个返回通路，如没有一个低阻的返回通道(信号地)，就会以辐射的形式 返回源端，整个总线就会像一个巨大的天线向外辐射电磁波。所以，RS485网络必须有 一条低阻的信号地将两个接口的工作地连接起来，使共模干扰电压短路。这条信号地可 以是屏蔽电缆的屏蔽层。RS485电平转换芯片选用了 ISL4489。它是一款低功耗，全双 工的接口芯片。其接口可承受高达15KV的静电，并具有过电流保护和热保护。内部的 信号斜率限制功能可以有效降低信号反射，减小电磁辐射。差分信号是使用两根信号线 传输一路信号，依靠信号间电压差来传递信息。数字信号处理模块中RS485电平转换电路，如图8所示。在数字信号处理模块中的 3片RS485收发器U8、 U10和Ull将RS485差分电平转换成CMOS电平，送至DSP芯片的 通用I/O 口的PB0、 PB1、 PB2和PB7。 DSP的这4个引脚是基于通用I/O 口、通过软件 来模拟SPI接口与AD7792进行通信，即DSP通过这个SPI接口向AD7792发送各种命令 和读取AD7792寄存器数据。具体地说，数字信号处理模块中RS485电平转换电路由3 片RS485收发器U8、 U10和U11组成，采用ISL4489芯片；U8第5脚信号SPICLK来自 DSP芯片第44管脚PB2，它将DSP芯片用通用I/O 口模拟的SPI 口信号转变成差分信号 一第9脚信号SPICLK p和第10脚信号SPICLK n,通过屏蔽电缆送至调理电路模块；U10 第5脚信号^来自DSP芯片第37管脚PB7，它将DSP芯片发出的片选信号转变成差 分信号一第9脚信号^p和第10脚信号^n，通过屏蔽电缆送至调理电路模块；Ull 第5脚信号M0SI来自DSP芯片第47管脚PB1，它将DSP芯片发出的控制信号M0SI信号 转变成差分信号一第9脚信号M0SI p和第10脚信号M0SI n，通过屏蔽电缆送至调理电 路模块；U11第11脚和第12脚信号MIS0 n和MISO p来自调理电路模块中RS485收发 器U18的第10脚DO n和第9脚DO p，它将调理电路模块送来的差分形式的AD7792转换 的数据转变成由第2脚输出的单极性信号MIS0，送至DSP芯片的第52脚PB0。本发明系统的数字信号处理模块中DSP芯片TMS320LF2407A内集成的ADC模块对涡 街信号进行采样和转换，放进循环缓冲队列中；对采样的涡街信号序列进行数字滤波和 周期图谱分析，得到涡街频率，结合设定的仪表系数，计算瞬时流量和累积流量；根据 被测流体介质及其相应的温度压力补偿方式，对瞬时流量进行温度和压力补偿。在得出 测量结果后，TMS320LF2407A通过集成的SPI 口向模拟输出电路发送数据，输出4 20mA
电流；利用定时器的比较输出功能，向外发送脉冲，以便上位机或其它二次仪表计数； 同时，LCD上显示瞬时流量和累计流量。本发明系统脉冲输出采用DSP芯片TMS320LF2407A内部定时器比较输出功能从DSP 引脚65输出占空比为0.5的PWM方波。所用定时器采用内外部时钟结合的方式，即在 涡街频率较低的时候采用外部时钟，在涡街频率较高时采用DSP内部时钟，时钟切换通 过软件实现。DSP的另外一个定时器的比较输出功能从DSP引脚6发出10KHz的PWM方 波引入到DSP的第126引脚作为用于发送涡街频率脉冲的定时器的外部时钟，如图4所 示。这样可以突破定时器只采用DSP内部时钟时最低只能产生4.768Hz频率的限制，使 得大口径涡街流量计数字信号处理模块在频率低于4.768Hz时也能发出准确的脉冲信 号。用于脉冲输出的定时器内外部时钟的选择采用继电特性控制方式，即当涡街频率从 低于15Hz变到高于15Hz的时候选用DSP内部时钟，而当涡街频率从高于10Hz变到低 于10.Hz时采用外部时钟，5Hz的频率范围用于防止在单一切换频率时涡街频率在可能在 切换频率上下频繁变化而造成内外部时钟的频繁切换，从而提高可靠性及脉冲发送的准 确性。本发明系统软件设计采取模块化设计方案，将完成特定功能或者类似功能的子程序 组合成功能模块，由主监控程序和中断服务程序统一调用。软件总体框图如图9所示。 系统软件包含的主要功能模块有初始化模块、计算模块、输出操作模块、人机接口模 块、EEPROM操作模块和看门狗复位模块。参见图10，主监控程序是整个信号处理系统的总调度程序，调用各个模块中的子程 序，实现仪表所要求的功能。它是一个死循环程序，系统一上电，主监控程序自动运行， 进入不断计算和处理的循环中。基本过程为系统上电开始后，立即进行初始化；初始化后，调用计算模块，对信号釆样序列采用信号处理算法进行处理，计算出传感器信号中的涡街频率；然后，根据所设定的仪表系数，计算瞬时流量和累积流量；若被测流体 要求流量温度压力补偿，则对瞬时流量和累积流量进行温度压力补偿；接下来调用系统 输出模块，根据计算出的瞬时流量，向外发送相应的脉冲量和标准的4 20mA的电流； 完成输出后，主监控程序将返回，重新开始进行信号处理、计算流量和输出信号，不断 循环。
权利要求
1、分体式涡街流量计，由传感器、调理电路模块、数字信号处理模块、屏蔽电缆组成，其特征在于所述的传感器包括涡街传感器、温度传感器和压力传感器；所述的调理电路模块包括电荷放大、限幅放大和滤波电路，模拟差分转换电路，16位ADC，RS485电平转换电路，恒流源；所述的数字信号处理模块包括DSP芯片，模拟差分转换电路，有源滤波电路，RS485电平转换电路，LCD，键盘，SRAM，EEPROM，欠压检测电路，电流输出电路，脉冲输出电路；在所述的调理电路模块中，涡街传感器输出的涡街信号经电荷放大、限幅放大和滤波电路送到模拟差分转换电路，模拟差分转换电路的输出经屏蔽电缆远传给数字信号处理模块；温度传感器和压力传感器信号经16位ADC转换成数字量，再由16位ADC的串口输出至RS485电平转换电路，转换成符合RS485电平的信号，通过屏蔽电缆传送至数字信号处理模块；同时，RS485电平转换电路还接收来自数字信号处理模块中DSP对ADC的控制信号；在所述的数字信号处理模块中，涡街信号经模拟差分转换电路转换成单端信号，经有源滤波电路滤波后，送至DSP芯片的ADC输入端；调理电路模块送来的温度、压力数字信号通过RS485电平转换电路转换成CMOS电平，送到DSP芯片的通用I/O口。
2、 如权利要求1所述的分体式涡街流量计，其特征在于所述调理电路模块中的电荷放大、限幅放大和滤波电路中，放大器U2A、电容C1、 C2、 C4 、 C9、 CIO、 Cll、 C7、电阻R2、 R9、 R12组成电荷放大器，放大器U1B、电容 C5、 C6、 C3、电阻R4、 R5、 R3、 RIO、 二极管D1、 D2组成限幅放大和有源带通滤波器， 放大器U2B、电容C16、 C17、电阻R14、 R15组成电平偏置电路；所述调理电路模块中的模拟差分转换电路中，放大器U1A、电阻R7、 R6、 Rll、电 容C8组成反相器，放大器U1C、 U1D、电阻R1、 R8组成缓冲器； '所述数字信号处理模块中的模拟差分转换电路由放大器U7、电阻R20、 R24、电容 C20、 C27、 二极管D4、 D5、 D6、 D7组成的减法电路构成；TP6处有一个固定的电平；所述数字信号处理模块中的有源滤波电路由放大器U6B、 U6C、电阻R16、 R18、 R19、 R22、电容C25、 C26、 C21、 C22组成。
3、 如权利要求1或2所述的分体式涡街流量计，其特征在于 所述温度传感器和压力传感器电路由恒流源、测试电阻R61、 R68、电平偏置电阻R69组成；由放大器U17A、三极管Q3、 Q4、稳压管Q2、电阻R59、电位器R58、电容C60 组成恒流源，为压力传感器的电桥Ra、 Rb、 Rc、 Rd以及温度传感器的电阻R67提供一 个恒定的电流。
4、 如权利要求1或2或3所述的分体式涡街流量计，其特征在于 所述DSP芯片采用TMS320LF2407A;在所述调理电路模块中，16位ADCU16采用AD7792芯片，RS485电平转换电路由3 片RS485收发器U18、 U19和U20组成，采用ISL4489芯片；AD7792的数据输入引脚DIN 和数据输出引脚D0/^F接至U18; AD7792芯片串口的时钟引脚SCLK接至U19; AD7792 芯片串口的片选引脚^接至U20;在所述数字信号处理模块中，RS485电平转换电路由3片RS485收发器U8、 U10和 Ull组成，采用ISL4489芯片；U8第5脚信号SPICLK来自DSP芯片第44管脚PB2，第 9脚信号SPICLK p和第10脚信号SPICLK n通过屏蔽电缆送至调理电路模块；U10第5 脚信号^来自DSP芯片第37管脚PB7，第9脚信号^p和第10脚信号^n通过 屏蔽电缆送至调理电路模块；Ull第5脚信号MOSI来自DSP芯片第47管脚PB1，第9 脚信号MOSI p和第10脚信号MOSI n通过屏蔽电缆送至调理电路模块；Ull第11脚和 第12脚信号MISO n和MISO p来自所述的调理电路模块中RS485收发器U18的第10脚 DO n和第9脚DO p，第2脚信号MISO送至DSP芯片的第52脚PBO。
全文摘要
本发明涉及一种流量计，具体为一种分体式涡街流量计。它由传感器、调理电路模块与数字信号处理模块组成，三种传感器及调理电路模块置于高温被测现场，而数字信号处理模块处于常温环境下，模块之间通过屏蔽电缆连接，以差分信号的形式传递信号。它解决了现有技术不能应用于高温环境的技术问题，可以应用于高温环境及需要分体式仪表的特殊场合，具有良好的抗干扰能力和可靠性。
文档编号G01F1/32GK101158594SQ20071013365
公开日2008年4月9日 申请日期2007年9月28日 优先权日2007年9月28日
发明者刘三山, 杨 周, 徐科军, 朱志海, 王肖芬, 黄云志 申请人:合肥工业大学