基于HART总线的智能型涡街流量计的研究开发

论文摘要

涡街流量计具有量程范围大、可靠性高、使用寿命长、压力损失较小等优点,已广泛应用于各个领域。目前,随着微电子技术、信息处理技术和数字通信技术的发展,涡街流量计正在从传统的组合式仪表向一体化、智能化仪表的方向发展,并结合了现场总线技术,出现了现场总线式仪表。现场总线技术促进了工业测控系统的网络化、数字化,使现场设备全部挂在总线上,从而具有双向通信的能力。HART协议是一种过渡性的现场总线标准,适用于现场智能仪表与控制室设备通信的一种标准通信协议,通过在模拟信号传输线路中进行数字通信。本文采用了低功耗的MSP430F5438单片机设计了一种一体化、智能型的涡街流量计,并加入了HART通信部分,将流量的测量、压力温度的测量、显示、通信等功能综合在一起。系统设计中采用了低功耗的元件,从而降低了整个系统的功耗,使系统可以采用两线制的供电方式。在去噪音方面,通过对信号及噪音的特点进行分析,采用了信号处理的方法,利用FFT的周期图法对信号进行了谱估计,改善了系统滤波性能。本文研究了在各种介质条件下的温压补偿方法,给出了涡街补偿模型,并应用到涡街流量计中,取得了很好的效果。结合实际要求,本文设计了涡街流量计的信号处理电路、人机接口电路、单片机电路、HART通信电路以及其相应的程序部分。最后,通过对系统的通信及流量进行测试,验证了系统的准确性与可靠性。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 课题的研究意义
• 1.2 国内外现状及发展情况
• 1.3 现场总线仪表的发展及特点
• 1.4 本文的主要内容
• 2 涡街流量计信号分析及其信号处理
• 2.1 涡街流量计的基本原理
• 2.1.1 涡街现象
• 2.1.2 涡街的测量原理
• 2.2 涡街信号分析
• 2.3 涡街数字信号处理
• 2.3.1 信号处理方法的概述
• 2.3.2 FFT 周期图法
• 2.3.3 频谱校正
• 3 涡街流量计系统设计
• 3.1 系统设计概述
• 3.1.1 系统硬件组成
• 3.1.2 系统软件结构
• 3.2 单片机模块设计
• 3.2.1 MSP430 系列单片机
• 3.2.2 单片机电路设计
• 3.3 信号处理模块设计
• 3.3.1 前置放大电路
• 3.3.2 带通滤波与多路选择开关
• 3.3.3 施密特整形电路
• 3.4 人机接口模块设计
• 3.4.1 按键模块
• 3.4.2 LCD 显示模块
• 3.5 铁电存储器模块
• 3.6 看门狗模块
• 4 HART 通信设计
• 4.1 HART 通信协议
• 4.1.1 HART 协议的产生与发展
• 4.1.2 HART 总线的技术特点
• 4.1.3 HART 协议规范
• 4.2 HART 总线通信接口设计
• 4.2.1 HART 通信系统总体设计
• 4.2.2 电流环模块及其接口电路
• 4.2.3 HART 模块及其接口电路
• 4.3 HART 通信模块的软件设计
• 5 系统温压补偿及流量计算
• 5.1 温压检测电路设计
• 5.1.1 温度检测技术
• 5.1.2 压力检测技术
• 5.2 温度压力的采集软件设计
• 5.2.1 温度信号处理
• 5.2.2 压力信号处理
• 5.3 温压补偿数学模型
• 5.4 流量计算
• 6 涡街流量计的系统测试
• 6.1 HART 通信测试
• 6.2 涡街流量计流量测试
• 7 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文
• B. 作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目