[導讀] 由于大亞灣核電站渦輪流量計雙參數補償器FH400已經沒有國外備件，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補償器就顯得迫在眉睫；詳細介紹了廣東大亞灣核電站WLB400型渦輪流量計雙參數補償器的研制，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型MCU。實際應用表明，儀器達到規定的技術指標，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補償器FH400由接口電路板FH156、數字處理電路板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）輸入到參數補償器FH400，最后，FH400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補償器FH400已經沒有備件，所以大亞灣核電站委托中國核動力院三所進行國產化研究。我們研制的渦輪流量計雙參數補償器型號為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。
主要特性參數如表1所示。
1 硬件電路設計
1.1 系統原理
對國外電路進行消化，清楚渦輪流量計雙參數補償器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）。渦輪脈沖信號經過光電隔離電路后進入CPU計數器，壓力傳感器信號4～20mA電流環經125Ω精密電阻后經CPU的A/D轉換器轉換成數字量，溫度傳感器PT100信號橋式電路并放大后經經CPU的A/D轉換器轉換成數字量，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輸出電壓信號驅動電流環電路輸出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、因為補償參數是壓力、溫度二維參數的函數，渦輪流量計送雙參數補償器FH400補償參數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型MCU，具有59個數字I/O引腳，片內集成了兩個16位、1Msps的ADC；具有高速、流水線結構的8051兼容的CIP-51內核（可達25MIPS）；具有DMA控制器；具有控制器局域網（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、非侵入式的在系統調試接口（片內）；具有10位、200ksps的ADC；帶8通道模擬多路開關；具有兩個12位DAC；具有可編程數據更新方式；具有64KB可在系統編程的FLASH內存；具有4352（4K+256）字節的片內RAM；可尋址64KB地址空間的外部數據存儲器接口；硬件實現的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器/定時器數組；具有片內看門狗定時器、VDD監視器、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，所有模擬和數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重新編程能力，可用于非易失性數據存儲，并允許現場更新8051固件。
片內JTAG調試電路允許使用安裝在最終應用系統上的產品MCU進行非侵入式（不占用片內資源）、全速、在系統調試。該調試系統支持觀察和修改內存和寄存器，支持斷點、觀察點、單步及運行和停機命令。在使用JTAG調試時，所有的模擬和數字外設都可全功能運行。
每個MCU都可在工業溫度范圍（-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
渦輪脈沖信號經比較電路整形后，再經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轉換器進行A/D采樣，如圖2所示。
1.5 A/D轉換電路及時序
C8051F060器件有兩個片內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。系統控制器可以將ADC置于關斷狀態以節省功耗。
A/D轉換有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轉換。兩個ADC可以獨立工作，也可以進行同步轉換（在同一時刻）。轉換結束由一個狀態位指示，并可產生中斷。在轉換完成后，16位轉換結果數據字被鎖存到兩個特殊功能寄存器中。片內提供的DMA接口可以從ADC讀取轉換結果，并將數據直接存儲到內部或外部RAM。ADC0還有窗口比較寄存器，可被配置為當ADC0數據位于一個規定的范圍之內或之外時向控制器申請中斷。ADC0可以用后臺方式連續監視一個關鍵電壓，當轉換數據位于規定的窗口之內時才中斷控制器。A/D原理框圖如圖3所示，A/D轉換時序圖如圖4所示。
1.6 D/A轉換電路
C8051F060器件內部有兩個12位電壓方式數/模轉換器（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，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轉換寄存器即可。D/A輸出電壓驅動4～20mA電流環電路就可以輸出標準4～20mA電流。
1.7 4～20mA電流環電路
采用AD公司的AD694作為4～20mA電流環電路主芯片，AD694是一種4～20mA轉換器，它具有4～20mA或者0～20mA輸出能力，輸入范圍0～2V或者0～10V，它具有調零斷和滿刻度調整端。4～20mA電流環電路如圖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JTAG調試和邊界掃描、片內調試電路提供全速、非侵入式的在片/在系統調試。系統通電后，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雙參數補償器輸出的性能是否達到要求，對WLB400雙參數補償器輸出進行了性能試驗。
用數字合成函數信號發生器/計數器發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WLB400參數補償器的輸出。
4 結論[3]
根據測試結果得出結論：中國核動力院三所研制的大亞灣核電站WLB400型渦輪流量計雙參數補償器性能、指標達到國外同類產品，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品。此產品開發成功后，大亞灣核電站一次購買了5臺，已經在核電站運行了一年，結果證明運行良好，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：國防工業出版社.
[3]高姍姍，宋曉梅.基于CNAopen協議的A/D轉換模塊設計[J].計算機測量與控制，2007，15（5）：668-669.