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HART協(xié)議電磁流量計(jì) 電磁流量傳感器 電磁流量變送器

 帶有HART通訊協(xié)議的智能電磁流量計(jì)的硬件系統(tǒng)電路采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括傳感器模塊，MCU模塊、HART通訊模塊和人機(jī)界面模塊四個(gè)部分。

由單片機(jī)控制的低頻勵(lì)磁電流輸出到傳感器的勵(lì)磁線圈中，同時(shí)來(lái)自電磁流量傳感器的微小電勢(shì)信號(hào)經(jīng)前置放大后通過(guò)AD模數(shù)轉(zhuǎn)換電路送入到單片機(jī)。單片機(jī)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，分析處理送至液晶顯示屏進(jìn)行瞬時(shí)流量和累積流量的顯示。同時(shí)單片機(jī)通過(guò)計(jì)算公式對(duì)得到的流量值進(jìn)行補(bǔ)償，將補(bǔ)償后的流量信號(hào)通過(guò)HART通訊模塊實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的遠(yuǎn)程通訊。

3.1 HART通訊模塊設(shè)計(jì)

HT2012芯片用來(lái)實(shí)現(xiàn)HART協(xié)議中通訊信號(hào)的解調(diào)及調(diào)制過(guò)程。圖2為調(diào)制解調(diào)器與微處理器的連接。

HART信號(hào)的解調(diào)過(guò)程：由帶通濾波器輸出的脈沖信號(hào)進(jìn)入HT2012后，調(diào)制解調(diào)器分別將脈沖信號(hào)中的1200Hz和2200Hz解調(diào)為數(shù)字1和0，再將數(shù)字信號(hào)由HT2012的ORXD端口輸出，CPU對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷并執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)。

 

智能電磁流量計(jì) 

圖2 HART接口電路3.2 HT2012與外部接口

HART數(shù)字信號(hào)規(guī)范是峰值為1mA、平均值為0mA正弦交流電流信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)線路阻抗轉(zhuǎn)化為正弦交流電壓信號(hào)，而HT2012輸入和輸出信號(hào)是0～5V的方波信號(hào)，因此在HT2012和外部的HART信號(hào)之間還需要有濾波電路和整形電路。

如圖3所示，由TLC27組成的濾波器是帶通濾波器，用來(lái)減少接收信號(hào)的噪聲干擾。濾波器還用來(lái)消除波形中的尖峰，從而使接收到的信號(hào)變得平緩。TLC37組成的數(shù)字方波產(chǎn)生回路把經(jīng)過(guò)TLC27濾波后的正弦波轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的方波，以便于HT2012接收。

 

智能電磁流量計(jì) 

如圖4所示，緩沖器74HC126的作用是使方波的上升沿和下降沿趨于平緩，使信號(hào)滿足HART物理層規(guī)范所要求的信號(hào)波形上升沿和下沿的時(shí)要求，因?yàn)檩^平緩的上升沿和下降沿時(shí)間可以降低與其它網(wǎng)絡(luò)間的串?dāng)_。

HT2012需要外部提供460.8kHz的時(shí)鐘信號(hào)，且要求時(shí)鐘頻率的誤差是±0.1%，若直接入一個(gè)460.8kHz的晶振不僅會(huì)引起系統(tǒng)功耗的增加，而且該晶振屬于非標(biāo)準(zhǔn)晶振，需專門(mén)定制。為了解決這一問(wèn)題，在系統(tǒng)中采用一片1.8432MHz的晶振以產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，再經(jīng)分頻器CD4013進(jìn)行4分頗，可輸出1.8432MHz /4=460.8kHz的分頻信號(hào)供HT2012使用。

AD421其內(nèi)部的電壓調(diào)節(jié)器與外部的場(chǎng)效應(yīng)管DN25D對(duì)輸入到AD421的電壓進(jìn)行調(diào)整，可提供+3.3V電壓作為其他設(shè)備的電源。HART發(fā)出的FSK信號(hào)，經(jīng)過(guò)一個(gè)電容耦合送到AD421中，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的±0.5mA正弦電流信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電壓信號(hào)到電流信號(hào)的轉(zhuǎn)換，同時(shí)，疊加在4～20mA的電流上送給接收設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了HART協(xié)議的信息的交換。本電路耦合電容取為0. 0033μF.

4 HART通訊協(xié)議的軟件實(shí)現(xiàn)

4.1智能電磁流量計(jì)串口中斷程序[5]

在串行口中斷服務(wù)程序中，首先保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)，然后判斷是接收中斷還是發(fā)送中斷，若為接收中斷則執(zhí)行接收服務(wù)子程序，否則執(zhí)行發(fā)送服務(wù)子程序。中斷處理結(jié)束后，恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)并返回系統(tǒng)主程序。HART通信采用水平和垂直校驗(yàn)的方法。當(dāng)檢測(cè)到接收數(shù)據(jù)有差錯(cuò)時(shí)，則等到主設(shè)備命令幀發(fā)完后，通知主設(shè)備數(shù)據(jù)接收有誤。主設(shè)備則重新發(fā)命令幀，從而保證通信的準(zhǔn)確可靠。HART串口中斷子程序流程圖如圖5所示。 

 

智能電磁流量計(jì) 

 圖5串口中斷程序

4.2 HART命令拆分子程序[6][7]

在對(duì)命令幀響應(yīng)之前先要將該幀拆分，即首先判斷該幀前導(dǎo)碼是否正確，每接收一個(gè)前導(dǎo)碼，計(jì)數(shù)器加1.再接收定界符，若為有效的定界符且前導(dǎo)碼計(jì)數(shù)器大于1，則為HART幀的起始位置，根據(jù)定界符確定HART幀的類型，若為應(yīng)答幀或成組模式幀則終止接收服務(wù)，等待載波結(jié)束；若為請(qǐng)求幀，則確定幀格式，設(shè)置接收長(zhǎng)幀格式或短幀格式地址計(jì)數(shù)值，短幀格式地址接收1個(gè)字節(jié)，長(zhǎng)幀格式地址接收5個(gè)字節(jié)。再接收命令號(hào)，數(shù)據(jù)字節(jié)長(zhǎng)度字節(jié)，若數(shù)據(jù)字節(jié)長(zhǎng)度字節(jié)出現(xiàn)奇偶校驗(yàn)錯(cuò)誤則終止接收服務(wù)，等待載波結(jié)束；否則設(shè)置數(shù)據(jù)字節(jié)長(zhǎng)度計(jì)數(shù)器，每接收一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)，長(zhǎng)度計(jì)數(shù)器減1，最后接收水平校驗(yàn)和。若接收請(qǐng)求地址匹配，對(duì)接收的HART幀異或求水平校驗(yàn)和，并與接收水平校驗(yàn)和進(jìn)行比較，相同則表示無(wú)通訊錯(cuò)誤，否則置水平校驗(yàn)和錯(cuò)誤標(biāo)志為1，結(jié)束接收服務(wù)并轉(zhuǎn)入HART命令執(zhí)行子程序。命令幀拆分程序流程如圖6所示。

 

 

智能電磁流量計(jì) 

圖6 HART命令幀拆分程序流程圖

5結(jié)論

對(duì)研制的智能電磁流量計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)表明：該流量計(jì)集成化程度高、功能強(qiáng)、操作方便、性能可靠；具有自診斷、自檢定功能和HART數(shù)據(jù)通訊功能；可測(cè)正反兩個(gè)方向流量，也可測(cè)脈動(dòng)流量；抗電磁干擾和溫度性能好，適合于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和顯示；測(cè)量范圍大，準(zhǔn)確度高。

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