基于C8051F500的溫差法流量測量電路設計*

閆 鍇，馮旭東，汪功維，王航超

(西安石油大學電子工程學院，陜西 西安 710065)

在石油開采過程中，經常會因為流量測量不準確，而導致發生漏油井噴事故。針對這一問題，設計了一套基于溫差法的流量測量電路。

1 基于8051的流量測量電路

油田上所見用到的流量計琳瑯滿目，壓差式流量計、超聲波流量計、溫差式流量計采用兩點接觸式進行數據采集，為現場使用過程中維護起到很大便利。另外，傳感器pt1000壽命至少在3年以上，保證流量計可以長時間穩定的工作，而且溫差流量計精確度相比于其他流量計相對較高，一般精確度在6%或者更小，而其余流量計均在此數值之上。C8051F500單片機芯片，其廣泛應用而且穩定性相比于其他處理器更優，考慮以后量產成本問題，選用此芯片的性價比相對很高。

2 流量測量系統設計

F500作為整個流量計的主控芯片，它主要負責對流量數據進行處理，ad模塊負責對數據進行采樣，并將其傳送至51主控芯片，在將其存貯在FLASH中，為以后讀取之前的歷史流量信息做準備。測量過程中ad采樣獲取溫度信息，在通過8051F500芯片對其進行處理，數據全部放置于存儲芯片中，并通過485轉TTL傳輸至數據處理模塊。其電路總體連接如圖1所示。

圖1 流量測量電路總體結構圖

2.1 主控芯片

C8051F500是一款指令內核和傳統MCS—51兼容的低功耗高性能芯片，在工業上大量被使用。相比于傳統51單片機，F500使用流水線處理技術(pipe line)，使其能在執行當前指令的同時處理下一條指令，因此使用F500可以有效提高指令的執行效率[1]。

2.2 F500與電腦進行通信

因為數據需要傳輸至電腦上，選用RS-485協議，設計的流量計系統中采用耗能低傳輸效率高的的差分信號收發芯片LIC485M。在石油勘探中，井下的深度往往可達幾百，甚至上千米。普通的RS-232C一般通信傳輸效率在20 kbit/s時，它所能直接連接的最大物理距離為15 m(50英尺);RS-485的最大通信一般為1219 m，最大傳輸效率為10 Mbit/s。在 100 kbit/s 的傳輸效率下，將可以達到最大傳輸距離。數據傳輸電路如圖2所示。RO為接收輸出，DE是輸出使能信號，RE時輸出使能，DI是驅動器輸入信號，A與B是差分信號的輸入輸出端口。

圖2 通信電路的連接

2.3 F500與AD7799的通信電路

此流量計系統設計中ADC采用了AD7799，F500單片機通過SPI數據通信接口方式與AD7799進行通訊連接。實現同通信的數字信號接口共有4條線，依次為片選信號CS，數據輸入線DIN和數據輸出線DOUT/RDY，串行同步時鐘SCLK。DOUT/RDY的第二個功能為AD轉換結束的通知信號。讀數據時，單片機發SCLK的下降沿信號，AD7799輸出一位數據，單片機讀入。寫數據時，的那篇及發送DIN,在發送SCLK上升沿信號，則DIN的上一位數據移入AD7799[2]。

3 系統軟件

本系統軟件設計主要功能是實現整個流量計的初始化，其次溫度差數據采集并處理，同時與時間日歷參數相配合，存儲在FLASH中，最終通過RS-485和pc端進行通信。程序流程框架如圖3所示。井下系統主要有兩種工作模式：通訊模式和測量模式。在系統開始初始化以后，判斷為測量模式，則首先給ADC復位；接著開始溫度差的測量，系統內部發生中斷置位，AD會進行多次采樣，測得傳感器之間的溫度參數，再由主控模塊進行溫度差時間的計算，算出相應的流速并轉化為流量；然后對采集到的時間、流速、流量等信息進行存儲。如果初始化后產生串口中斷為通訊模式，則首先開始判斷上位機的指令是時間校正還是讀取當前FLASH中的數據，又或者是對井下FLASH中的數據進行擦除；接著根據相應的指令模式進行工作。指令響應完成后，將終端進行關閉然后再次回到測量模式狀態中進行循環[3]。

圖3 程序流程

4 結語

該電路已經在實驗室進行測試實驗，完全符合之前設計電路的預期效果，時間證明了此設計的合理性與可行性，為以后此類流量計進一步開發提供了可靠依據。