基于C8051F500的温差法流量测量电路设计*

闫 锴，冯旭东，汪功维，王航超

(西安石油大学电子工程学院，陕西 西安 710065)

在石油开采过程中，经常会因为流量测量不准确，而导致发生漏油井喷事故。针对这一问题，设计了一套基于温差法的流量测量电路。

1 基于8051的流量测量电路

油田上所见用到的流量计琳琅满目，压差式流量计、超声波流量计、温差式流量计采用两点接触式进行数据采集，为现场使用过程中维护起到很大便利。另外，传感器pt1000寿命至少在3年以上，保证流量计可以长时间稳定的工作，而且温差流量计精确度相比于其他流量计相对较高，一般精确度在6%或者更小，而其余流量计均在此数值之上。C8051F500单片机芯片，其广泛应用而且稳定性相比于其他处理器更优，考虑以后量产成本问题，选用此芯片的性价比相对很高。

2 流量测量系统设计

F500作为整个流量计的主控芯片，它主要负责对流量数据进行处理，ad模块负责对数据进行采样，并将其传送至51主控芯片，在将其存贮在FLASH中，为以后读取之前的历史流量信息做准备。测量过程中ad采样获取温度信息，在通过8051F500芯片对其进行处理，数据全部放置于存储芯片中，并通过485转TTL传输至数据处理模块。其电路总体连接如图1所示。

图1 流量测量电路总体结构图

2.1 主控芯片

C8051F500是一款指令内核和传统MCS—51兼容的低功耗高性能芯片，在工业上大量被使用。相比于传统51单片机，F500使用流水线处理技术(pipe line)，使其能在执行当前指令的同时处理下一条指令，因此使用F500可以有效提高指令的执行效率[1]。

2.2 F500与电脑进行通信

因为数据需要传输至电脑上，选用RS-485协议，设计的流量计系统中采用耗能低传输效率高的的差分信号收发芯片LIC485M。在石油勘探中，井下的深度往往可达几百，甚至上千米。普通的RS-232C一般通信传输效率在20 kbit/s时，它所能直接连接的最大物理距离为15 m(50英尺);RS-485的最大通信一般为1219 m，最大传输效率为10 Mbit/s。在 100 kbit/s 的传输效率下，将可以达到最大传输距离。数据传输电路如图2所示。RO为接收输出，DE是输出使能信号，RE时输出使能，DI是驱动器输入信号，A与B是差分信号的输入输出端口。

图2 通信电路的连接

2.3 F500与AD7799的通信电路

此流量计系统设计中ADC采用了AD7799，F500单片机通过SPI数据通信接口方式与AD7799进行通讯连接。实现同通信的数字信号接口共有4条线，依次为片选信号CS，数据输入线DIN和数据输出线DOUT/RDY，串行同步时钟SCLK。DOUT/RDY的第二个功能为AD转换结束的通知信号。读数据时，单片机发SCLK的下降沿信号，AD7799输出一位数据，单片机读入。写数据时，的那篇及发送DIN,在发送SCLK上升沿信号，则DIN的上一位数据移入AD7799[2]。

3 系统软件

本系统软件设计主要功能是实现整个流量计的初始化，其次温度差数据采集并处理，同时与时间日历参数相配合，存储在FLASH中，最终通过RS-485和pc端进行通信。程序流程框架如图3所示。井下系统主要有两种工作模式：通讯模式和测量模式。在系统开始初始化以后，判断为测量模式，则首先给ADC复位；接着开始温度差的测量，系统内部发生中断置位，AD会进行多次采样，测得传感器之间的温度参数，再由主控模块进行温度差时间的计算，算出相应的流速并转化为流量；然后对采集到的时间、流速、流量等信息进行存储。如果初始化后产生串口中断为通讯模式，则首先开始判断上位机的指令是时间校正还是读取当前FLASH中的数据，又或者是对井下FLASH中的数据进行擦除；接着根据相应的指令模式进行工作。指令响应完成后，将终端进行关闭然后再次回到测量模式状态中进行循环[3]。

图3 程序流程

4 结语

该电路已经在实验室进行测试实验，完全符合之前设计电路的预期效果，时间证明了此设计的合理性与可行性，为以后此类流量计进一步开发提供了可靠依据。