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涡轮流量计双参数补偿器的研制
更新时间:2019-5-13 9:50:58 浏览:162 关闭窗口 打印此页
 [导读] 由于大亚湾核电站涡轮流量计双参数补偿器FH400已经没有国外备件,也无法从国外购买到相同功能的设备,重新研制相同功能的涡轮流量计双参数补偿器就显得迫在眉睫;详细介绍了广东大亚湾核电站WLB400型涡轮流量计双参数补偿器的研制,给出了基本硬件框图与关键软件流程图,在研制中采用了SiliconLaboratories公司推出的完全集成的混合信号片上系统型MCU。实际应用表明,仪器达到规定的技术指标,应用效果较好。
 
    0 引言
 
    (1)主要用途:涡轮流量计双参数补偿器FH400用于大亚湾核电站的SAR001MT/SAR001MP/SAR001MD设备上(功能位置:KRG150AR)。国外原来涡轮流量计双参数补偿器FH400由接口电路板FH156、数字处理电路板FH157、瞬时流量电路板FH155、日累计流量电路板FH191、信号调理板FH351、电源电路板FH16314等组成。涡轮流量计的频率信号(0~228.4Hz)、温度传感器PT100信号(100Ω~119178Ω)、压力传感器信号(4~20mA)输入到参数补偿器FH400,最后,FH400输出精度为±0.4%的流量信号(4~20mA)。
 
    (2)立项背景:由于大亚湾核电站涡轮流量计双参数补偿器FH400已经没有备件,所以大亚湾核电站委托中国核动力院三所进行国产化研究。我们研制的涡轮流量计双参数补偿器型号为WLB400。
 
    (3)主要技术指标:新研制的涡轮流量计双参数补偿器具有总累积流量掉电保存功能,具有显示日累计流量功能和日累计流量模拟输出功能(4~20mA),具有显示瞬时流量功能和瞬时流量模拟输出功能(4~20mA),具有显示总累计流量功能,具有日累计流量复位功能。
 
    主要特性参数如表1所示。
 
 
 
    1 硬件电路设计
 
    1.1 系统原理
 
    对国外电路进行消化,清楚涡轮流量计双参数补偿器FH400的所有输入、输出、电路接口、机械接口等所有技术要求后,采用新器件、新工艺、新技术,我们对FH400重新进行设计(型号定为WLB400)。涡轮脉冲信号经过光电隔离电路后进入CPU计数器,压力传感器信号4~20mA电流环经125Ω精密电阻后经CPU的A/D转换器转换成数字量,温度传感器PT100信号桥式电路并放大后经经CPU的A/D转换器转换成数字量,CPU计算后从液晶显示器显示瞬时流量、日累积流量、总累积流量,CPU输出电压信号驱动电流环电路输出4~20mA电流。此方案的好处是整个机器具有较高的集成度,技术较先进,但有程序量大、因为补偿参数是压力、温度二维参数的函数,涡轮流量计送双参数补偿器FH400补偿参数的确定较复杂等困难。
 
    1.2 C8051F060单片机[1]
 
    C8051F060是SiliconLaboratories公司推出的完全集成的混合信号片上系统型MCU,具有59个数字I/O引脚,片内集成了两个16位、1Msps的ADC;具有高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核(可达25MIPS);具有DMA控制器;具有控制器局域网(CAN210B)控制器、具有32个消息对象,每个消息对象有其自己的标识屏蔽;具有全速、非侵入式的在系统调试接口(片内);具有10位、200ksps的ADC;带8通道模拟多路开关;具有两个12位DAC;具有可编程数据更新方式;具有64KB可在系统编程的FLASH内存;具有4352(4K+256)字节的片内RAM;可寻址64KB地址空间的外部数据存储器接口;硬件实现的SPI、SMBus/I2C和两个UART串行接口;具有5个通用的16位定时器;具有6个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器数组;具有片内看门狗定时器、VDD监视器、时钟振荡器和温度传感器。
 
    C8051F060是真正能独立工作的片上系统,所有模拟和数字外设均可由用户固件使能/禁止和配置。FLASH存储器还具有在系统重新编程能力,可用于非易失性数据存储,并允许现场更新8051固件。
 
    片内JTAG调试电路允许使用安装在最终应用系统上的产品MCU进行非侵入式(不占用片内资源)、全速、在系统调试。该调试系统支持观察和修改内存和寄存器,支持断点、观察点、单步及运行和停机命令。在使用JTAG调试时,所有的模拟和数字外设都可全功能运行。
 
    每个MCU都可在工业温度范围(-45℃~+85℃)工作,工作电压为2.7V~3.6V。端口I/O、RST和JTAG引脚都容许5V的输入信号电压。C8051F060为100脚TQFP封装,C8051F060内部框图如图1所示。
 
 
 
    1.3 涡轮脉冲信号输入通道电路
 
    涡轮脉冲信号经比较电路整形后,再经过光电隔离电路后进入C8051F060进行脉冲频率测量。  
 
    1.4 压力信号输入通道电路
 
    压力传感器信号(4~20mA)经过精密采样电阻R41后电压跟随器U11,U11的输出送到C8051F060的A/D转换器进行A/D采样,如图2所示。
 
 
 
    1.5 A/D转换电路及时序
 
    C8051F060器件有两个片内16位SARADC(ADC0和ADC1),可以分别工作在单端方式或组合工作在差分方式。ADC0和ADC1可以用DMA接口直接访问内部或外部RAM。当ADC工作在1Msps的最大采样率时可提供16位分辨率,有两种线性度等级。ADC0和ADC1都可以使用专用的内部电压基准或使用外部电压基准源。ADC0和ADC1完全由CIP-51通过特殊功能寄存器控制。系统控制器可以将ADC置于关断状态以节省功耗。
 
    A/D转换有4种启动方式:软件命令、定时器2溢出、定时器3溢出和外部信号输入。这种灵活性允许用软件事件、外部硬件信号或周期性的定时器溢出信号触发转换。两个ADC可以独立工作,也可以进行同步转换(在同一时刻)。转换结束由一个状态位指示,并可产生中断。在转换完成后,16位转换结果数据字被锁存到两个特殊功能寄存器中。片内提供的DMA接口可以从ADC读取转换结果,并将数据直接存储到内部或外部RAM。ADC0还有窗口比较寄存器,可被配置为当ADC0数据位于一个规定的范围之内或之外时向控制器申请中断。ADC0可以用后台方式连续监视一个关键电压,当转换数据位于规定的窗口之内时才中断控制器。A/D原理框图如图3所示,A/D转换时序图如图4所示。
 
 
 
 
 
    1.6 D/A转换电路
 
    C8051F060器件内部有两个12位电压方式数/模转换器(DAC),每个DAC的输出摆幅均为0V到(VREF-1LSB),对应的输入码范围是0x000到0xFFF。可以用对应的控制寄存器DAC0CN和DAC1CN使能/禁止DAC0和DAC1。在被禁止时,DAC的输出保持在高阻状态,DAC的供电电流降到1μA或更小。每个DAC的电压基准在C8051F060的VREFD引脚提供。注意:为了使用DAC,BIASE位必须被置1。D/A转换原理框图见图5。
 
 
 
    每个DAC都具有灵活的输出更新机制,允许无缝的满度变化并支持无抖动输出更新,适合于波形发生器应用。下面的描述都是以DAC0为例,DAC1的操作与DAC0完全相同。每次计算好瞬时流量和日累积流量后,把对应的值写到D/A转换寄存器即可。D/A输出电压驱动4~20mA电流环电路就可以输出标准4~20mA电流。
 
    1.7 4~20mA电流环电路
 
    采用AD公司的AD694作为4~20mA电流环电路主芯片,AD694是一种4~20mA转换器,它具有4~20mA或者0~20mA输出能力,输入范围0~2V或者0~10V,它具有调零断和满刻度调整端。4~20mA电流环电路如图6所示。
 
 
 
    
 
    1.8 液晶显示器界面设计
 
    JM192364液晶主界面设计如图7所示。
 
 
 
    2 软件设计
 
    2.1 程序流程框图
 
    本装置程序由主程序、定时中断程序、键盘扫描和处理程序、A/D转换程序、显示程序等组成,其程序流程图如图8所示。
 
 
 
    2.2 单片机编程[2]
 
    采用SILICON公司的SiliconLaboratoriesIDE集成编辑、编译、仿真、下载软件包,用C语言进行软件编写。支持片内JTAG调试和边界扫描、片内调试电路提供全速、非侵入式的在片/在系统调试。系统通电后,首先要对单片机进行初始化。包括单片机的I/O端口和交叉开关、定时器的初始化、A/D转换器的初始化以及A/D参考电压的初始化等。
 
    3 性能试验
 
    为了测量WLB400双参数补偿器输出的性能是否达到要求,对WLB400双参数补偿器输出进行了性能试验。
 
    用数字合成函数信号发生器/计数器发出脉冲来模拟涡轮流量计脉冲,改变输出脉冲频率可以模拟涡轮流量计的毛流量。用电阻箱来模拟PT100温度传感器的电阻变化。用电位器来模拟压力传感器信号。因为WLB400参数补偿器输出的瞬时流量和日累积流量信号均为4-20mA标准电流环信号,用精密电阻作为负载,用精密万用表测量其电压来测量WLB400参数补偿器的输出。
 
    4 结论[3]
 
    根据测试结果得出结论:中国核动力院三所研制的大亚湾核电站WLB400型涡轮流量计双参数补偿器性能、指标达到国外同类产品,设计上采用了新的先进的电子器件,采用了新工艺,于国外同类产品相比大大提高了测量和计算精度同时具有更高的可靠性,操作简便。完全可以替代国外同等产品。此产品开发成功后,大亚湾核电站一次购买了5台,已经在核电站运行了一年,结果证明运行良好,达到预先设计要求和性能指标。         
 
    参考文献:
 
    [1]SiliconLaboratories.C8051F0xDataSheet.[Z].
 
    [2]张迎新,等.C8051F系列SOC单片机原理及应用[J].北京:国防工业出版社.
 
    [3]高姗姗,宋晓梅.基于CNAopen协议的A/D转换模块设计[J].计算机测量与控制,2007,15(5):668-669.
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