[導讀] 由于大亞灣核電站渦輪流量計雙參數(shù)補償器FH400已經(jīng)沒有國外備件，也無法從國外購買到相同功能的設備，重新研制相同功能的渦輪流量計雙參數(shù)補償器就顯得迫在眉睫；詳細介紹了廣東大亞灣核電站W(wǎng)LB400型渦輪流量計雙參數(shù)補償器的研制，給出了基本硬件框圖與關鍵軟件流程圖，在研制中采用了SiliconLaboratories公司推出的完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型MCU。實際應用表明，儀器達到規(guī)定的技術指標，應用效果較好。
0 引言
（1）主要用途：
渦輪流量計雙參數(shù)補償器FH400用于大亞灣核電站的SAR001MT/SAR001MP/SAR001MD設備上（功能位置：KRG150AR）。國外原來渦輪流量計雙參數(shù)補償器FH400由接口電路板FH156、數(shù)字處理電路板FH157、瞬時流量電路板FH155、日累計流量電路板FH191、信號調(diào)理板FH351、電源電路板FH16314等組成。渦輪流量計的頻率信號（0～228.4Hz）、溫度傳感器PT100信號（100Ω～119178Ω）、壓力傳感器信號（4～20mA）輸入到參數(shù)補償器FH400，最后，F(xiàn)H400輸出精度為±0.4%的流量信號（4～20mA）。
（2）立項背景：由于大亞灣核電站渦輪流量計雙參數(shù)補償器FH400已經(jīng)沒有備件，所以大亞灣核電站委托中國核動力院三所進行國產(chǎn)化研究。我們研制的渦輪流量計雙參數(shù)補償器型號為WLB400。
（3）主要技術指標：新研制的渦輪流量計雙參數(shù)補償器具有總累積流量掉電保存功能，具有顯示日累計流量功能和日累計流量模擬輸出功能（4～20mA），具有顯示瞬時流量功能和瞬時流量模擬輸出功能（4～20mA），具有顯示總累計流量功能，具有日累計流量復位功能。
主要特性參數(shù)如表1所示。
1 硬件電路設計
1.1 系統(tǒng)原理
對國外電路進行消化，清楚渦輪流量計雙參數(shù)補償器FH400的所有輸入、輸出、電路接口、機械接口等所有技術要求后，采用新器件、新工藝、新技術，我們對FH400重新進行設計（型號定為WLB400）。渦輪脈沖信號經(jīng)過光電隔離電路后進入CPU計數(shù)器，壓力傳感器信號4～20mA電流環(huán)經(jīng)125Ω精密電阻后經(jīng)CPU的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，溫度傳感器PT100信號橋式電路并放大后經(jīng)經(jīng)CPU的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，CPU計算后從液晶顯示器顯示瞬時流量、日累積流量、總累積流量，CPU輸出電壓信號驅(qū)動電流環(huán)電路輸出4～20mA電流。此方案的好處是整個機器具有較高的集成度，技術較先進，但有程序量大、因為補償參數(shù)是壓力、溫度二維參數(shù)的函數(shù)，渦輪流量計送雙參數(shù)補償器FH400補償參數(shù)的確定較復雜等困難。
1.2 C8051F060單片機[1]
C8051F060是SiliconLaboratories公司推出的完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型MCU，具有59個數(shù)字I/O引腳，片內(nèi)集成了兩個16位、1Msps的ADC；具有高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP-51內(nèi)核（可達25MIPS）；具有DMA控制器；具有控制器局域網(wǎng)（CAN210B）控制器、具有32個消息對象，每個消息對象有其自己的標識屏蔽；具有全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口（片內(nèi)）；具有10位、200ksps的ADC；帶8通道模擬多路開關；具有兩個12位DAC；具有可編程數(shù)據(jù)更新方式；具有64KB可在系統(tǒng)編程的FLASH內(nèi)存；具有4352（4K+256）字節(jié)的片內(nèi)RAM；可尋址64KB地址空間的外部數(shù)據(jù)存儲器接口；硬件實現(xiàn)的SPI、SMBus/I2C和兩個UART串行接口；具有5個通用的16位定時器；具有6個捕捉/比較模塊的可編程計數(shù)器/定時器數(shù)組；具有片內(nèi)看門狗定時器、VDD監(jiān)視器、時鐘振蕩器和溫度傳感器。
C8051F060是真正能獨立工作的片上系統(tǒng)，所有模擬和數(shù)字外設均可由用戶固件使能/禁止和配置。FLASH存儲器還具有在系統(tǒng)重新編程能力，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲，并允許現(xiàn)場更新8051固件。
片內(nèi)JTAG調(diào)試電路允許使用安裝在最終應用系統(tǒng)上的產(chǎn)品MCU進行非侵入式（不占用片內(nèi)資源）、全速、在系統(tǒng)調(diào)試。該調(diào)試系統(tǒng)支持觀察和修改內(nèi)存和寄存器，支持斷點、觀察點、單步及運行和停機命令。在使用JTAG調(diào)試時，所有的模擬和數(shù)字外設都可全功能運行。
每個MCU都可在工業(yè)溫度范圍（-45℃～+85℃）工作，工作電壓為2.7V～3.6V。端口I/O、RST和JTAG引腳都容許5V的輸入信號電壓。C8051F060為100腳TQFP封裝，C8051F060內(nèi)部框圖如圖1所示。
1.3 渦輪脈沖信號輸入通道電路
渦輪脈沖信號經(jīng)比較電路整形后，再經(jīng)過光電隔離電路后進入C8051F060進行脈沖頻率測量。
1.4 壓力信號輸入通道電路
壓力傳感器信號（4～20mA）經(jīng)過精密采樣電阻R41后電壓跟隨器U11，U11的輸出送到C8051F060的A/D轉(zhuǎn)換器進行A/D采樣，如圖2所示。
1.5 A/D轉(zhuǎn)換電路及時序
C8051F060器件有兩個片內(nèi)16位SARADC（ADC0和ADC1），可以分別工作在單端方式或組合工作在差分方式。ADC0和ADC1可以用DMA接口直接訪問內(nèi)部或外部RAM。當ADC工作在1Msps的最大采樣率時可提供16位分辨率，有兩種線性度等級。ADC0和ADC1都可以使用專用的內(nèi)部電壓基準或使用外部電壓基準源。ADC0和ADC1完全由CIP-51通過特殊功能寄存器控制。系統(tǒng)控制器可以將ADC置于關斷狀態(tài)以節(jié)省功耗。
A/D轉(zhuǎn)換有4種啟動方式：軟件命令、定時器2溢出、定時器3溢出和外部信號輸入。這種靈活性允許用軟件事件、外部硬件信號或周期性的定時器溢出信號觸發(fā)轉(zhuǎn)換。兩個ADC可以獨立工作，也可以進行同步轉(zhuǎn)換（在同一時刻）。轉(zhuǎn)換結(jié)束由一個狀態(tài)位指示，并可產(chǎn)生中斷。在轉(zhuǎn)換完成后，16位轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)字被鎖存到兩個特殊功能寄存器中。片內(nèi)提供的DMA接口可以從ADC讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，并將數(shù)據(jù)直接存儲到內(nèi)部或外部RAM。ADC0還有窗口比較寄存器，可被配置為當ADC0數(shù)據(jù)位于一個規(guī)定的范圍之內(nèi)或之外時向控制器申請中斷。ADC0可以用后臺方式連續(xù)監(jiān)視一個關鍵電壓，當轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)位于規(guī)定的窗口之內(nèi)時才中斷控制器。A/D原理框圖如圖3所示，A/D轉(zhuǎn)換時序圖如圖4所示。
1.6 D/A轉(zhuǎn)換電路
C8051F060器件內(nèi)部有兩個12位電壓方式數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（DAC），每個DAC的輸出擺幅均為0V到（VREF-1LSB），對應的輸入碼范圍是0x000到0xFFF。可以用對應的控制寄存器DAC0CN和DAC1CN使能/禁止DAC0和DAC1。在被禁止時，DAC的輸出保持在高阻狀態(tài)，DAC的供電電流降到1μA或更小。每個DAC的電壓基準在C8051F060的VREFD引腳提供。注意：為了使用DAC，BIASE位必須被置1。D/A轉(zhuǎn)換原理框圖見圖5。
每個DAC都具有靈活的輸出更新機制，允許無縫的滿度變化并支持無抖動輸出更新，適合于波形發(fā)生器應用。下面的描述都是以DAC0為例，DAC1的操作與DAC0完全相同。每次計算好瞬時流量和日累積流量后，把對應的值寫到D/A轉(zhuǎn)換寄存器即可。D/A輸出電壓驅(qū)動4～20mA電流環(huán)電路就可以輸出標準4～20mA電流。
1.7 4～20mA電流環(huán)電路
采用AD公司的AD694作為4～20mA電流環(huán)電路主芯片，AD694是一種4～20mA轉(zhuǎn)換器，它具有4～20mA或者0～20mA輸出能力，輸入范圍0～2V或者0～10V，它具有調(diào)零斷和滿刻度調(diào)整端。4～20mA電流環(huán)電路如圖6所示。
1.8 液晶顯示器界面設計
JM192364液晶主界面設計如圖7所示。
2 軟件設計
2.1 程序流程框圖
本裝置程序由主程序、定時中斷程序、鍵盤掃描和處理程序、A/D轉(zhuǎn)換程序、顯示程序等組成，其程序流程圖如圖8所示。
2.2 單片機編程[2]
采用SILICON公司的SiliconLaboratoriesIDE集成編輯、編譯、仿真、下載軟件包，用C語言進行軟件編寫。支持片內(nèi)JTAG調(diào)試和邊界掃描、片內(nèi)調(diào)試電路提供全速、非侵入式的在片/在系統(tǒng)調(diào)試。系統(tǒng)通電后，首先要對單片機進行初始化。包括單片機的I/O端口和交叉開關、定時器的初始化、A/D轉(zhuǎn)換器的初始化以及A/D參考電壓的初始化等。
3 性能試驗
為了測量WLB400雙參數(shù)補償器輸出的性能是否達到要求，對WLB400雙參數(shù)補償器輸出進行了性能試驗。
用數(shù)字合成函數(shù)信號發(fā)生器/計數(shù)器發(fā)出脈沖來模擬渦輪流量計脈沖，改變輸出脈沖頻率可以模擬渦輪流量計的毛流量。用電阻箱來模擬PT100溫度傳感器的電阻變化。用電位器來模擬壓力傳感器信號。因為WLB400參數(shù)補償器輸出的瞬時流量和日累積流量信號均為4-20mA標準電流環(huán)信號，用精密電阻作為負載，用精密萬用表測量其電壓來測量WLB400參數(shù)補償器的輸出。
4 結(jié)論[3]
根據(jù)測試結(jié)果得出結(jié)論：中國核動力院三所研制的大亞灣核電站W(wǎng)LB400型渦輪流量計雙參數(shù)補償器性能、指標達到國外同類產(chǎn)品，設計上采用了新的先進的電子器件，采用了新工藝，于國外同類產(chǎn)品相比大大提高了測量和計算精度同時具有更高的可靠性，操作簡便。完全可以替代國外同等產(chǎn)品。此產(chǎn)品開發(fā)成功后，大亞灣核電站一次購買了5臺，已經(jīng)在核電站運行了一年，結(jié)果證明運行良好，達到預先設計要求和性能指標。
參考文獻：
[1]SiliconLaboratories.C8051F0xDataSheet.[Z].
[2]張迎新，等.C8051F系列SOC單片機原理及應用[J].北京：國防工業(yè)出版社.
[3]高姍姍，宋曉梅.基于CNAopen協(xié)議的A/D轉(zhuǎn)換模塊設計[J].計算機測量與控制，2007，15（5）：668-669.