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基於HART協議的智能電磁流量計開發

文章出處:AG贵宾厅實業 人氣:發表時間:2018-01-30 10:59

一、引言
    目前,隨著現場總線技術的發展和日趨成熟,流量儀表工業進入了新的發展時期。在這一背景下,國外各大公司紛紛推出新一代各具特色的智能化流量儀表。其中,基於現場總線的智能化電磁流量計的開發尤其引人注目,這是由電磁流量計的特點所決定的。
    (1)在各種流量儀表中,電磁流量計涉及的智能化功能最多,智能化技術對提高電磁流量計的性能顯得更為突出。
    (2)電磁流量計的用途十分廣泛,特別是環保行業的發展,將進一步促進電磁流量汁的應用。
    根據國家“九五”科技攻關項目“現場總線控製係統的開發”。AG贵宾厅承擔了現場總線智能電磁流量計的研製任務。目前,世界上有多種現場總線標準,考慮到4~20mA信號製的儀表、設備還在大量使用,數字通信與4~20mA模擬信號兼容的HART協議代表較能得到用戶的認可。經過幾十年的發展,HART協議已成為智能儀表事實上的工業標準。在國外已有幾家公司開始生產基於HART協議的智能電磁流量計,而在國內還是空白。
二、HART協議電磁流量計的原理
    AG贵宾厅設計的HART 協議電磁流量計的原理圖如圖1所示。
圖1  HART協議電磁流量計原理圖
    圖1  HART協議電磁流量計原理圖
    傳感器的電極信號經信號轉換電路處理後,變為O~5V的電壓信號,該信號通過A/D轉換成16位串行數字信號,並送入單片機MCC。MCU對數字信號進行各種處理後,一路經D/A轉換成4~20mA的模擬信號,另一路通過異步串行口進人Modem(調製解調器)進行調製,輸出符合HART協議的數字信號。
三、主要部件的設計要點
1.MCU
    MCC采用Motorola公司生產的68HC11單片機。該單片機體積小、功能強、功耗低、係統設計簡單。使用方便。在智能電磁流量計的設計中。采用了3片68HC11單片機,以實現流量計的控製和通信功能:其中MCU1控製A/D采樣、D/A轉換和狀態量的檢測與輸出。
    MCU2產生矩形波勵磁信號和寬脈衝采樣信號.MCL3管理鍵盤操作和液晶顯示。3片MCU之間的聯係采用同步串行SPI口的通信來實現,MCU1設置為主機,MCU1、MCL3為從機。MCU1用I/O 口的兩個腳連接MCU2,MCU3的SS腳,作為MCU2、MCU3的片選信號。不論是主機向從機發送數據,還是從機向主機回送數據,均由主機啟動一次傳送過程。
2.A/D轉換電路
    A/D轉換電路采用AD7715芯片。這是一種用於低頻測量儀器的A/D轉換芯片,它能直接轉換傳感器輸出的電壓信號,輸出串行數字字符:它采用∑-A轉換技術實現16位無誤碼分辨率,具有良好的抗幹擾性能:AD7715芯片的內部有一個增益可編程的放大器,可選增益設置有1、2、32和128,可對單極輸入或雙極輔入信號進行放大轉換。AD7715芯片的輸出采用3線操作,可直接與單片機的串行接口相連,其增
益設置、信號極性設置、自校正和係統校正功能都可由軟件來完成。在智能電磁流量計的設計中,AD7715芯片采用5V單電源供電、±2.5V的雙極性信號輸入。其中、串行數據的輸入、輸出腳和串行時鍾輸入腳、直接與68HC11單片機的同步串行接口SPI口連接,AD7715芯片內部的4個寄存器(通信寄存器,設置寄存器,測試奇存器和數據寄存器)由單片機控製、單片機通過對它們的設置和操作,完成模擬量到數字量的轉換。
3.D/A轉換電路
    D/A轉換電路采用AD421芯片。AD421芯片是一種環路供電的芯片,特別適合於HART智能儀表的設計:它具有高精確度、高集成度、低功耗和低成本的特點。其16位分辨率和±0.01%的非線性度能滿足大多數工業儀表的需要。AD421芯片內部有一個可選擇的穩壓器,能提供芯片所需要的電源,在智能電磁流量計設計中,AD421芯片的穩壓器提供+5V電源為本身供電,同時也由Modem供電,AD421芯片與68HC11單片機通過串行接口方式連接、單片機的輸出數字信號直接加到AD421芯片的數據輸入腳,經∑-△的D/A轉換,得到正比於數字信號的4-20 mA模擬輸出。若AD421芯片與HART協議的Mudem芯片相連,1200Hz和2200Hz的調製正弦波就可加到AD421芯片的輸出電流環路上,這樣就可通過4-20mA環路輸出HART協議的數字信號。
4.Modem
    在智能電磁流量計的設計中,Modem芯片采用Smaf公司生產的HT2012。 HT2012是專門為HART產品而設計生產的調製芯片。具有價格便宜,功耗低的特點,特別是其-40℃~+85℃的工作範圍適合絕大多數的工業環境。HT2012芯片使用時必須外接460.8kHz的振蕩器,這是通過單片機振蕩電路的分頻來實現的。圖2為HT2011芯片特性原理圖。解調器通過IRXA獲得FSK(頻移鍵控)信號,FSK信號經解調後在ORXD輸出數字信號,ORXD直接與68HC11芯片的異步串行輸入口相連。調製器通過ITXD獲得68HC11芯片異步串行輸出口的數字信號,該信號經調製後從OTXA輸出FSK信號、輸出的FSK信號經整形後加載到4~20 mA輸出回路上。INRTS用於啟動調製器輸出FSK信號,OCD作為載波偵聽輸出,在IRXA有FSK信號時變為低電平,啟動68HC11讀取ORXD處的解調信號。由於HT2012芯片解調部分的輸入信號取自4N20 mA回路,該信號必須經過帶通濾波器以除去環境噪聲幹擾,並經觸發器轉換成方波信號進入IRXA。調製部分的輸入信號取自單片機的異步串行口輸出,該信號必須在調製後經整形電路加載到4-20mA回路。濾波觸發電路和整形電路見圖3和圖4。
圖2  HT2012芯片特征原理圖
    圖2  HT2012芯片特征原理圖
圖3  濾波觸發電路
    圖3  濾波觸發電路
圖4  整形電路
    圖4  整形電路
四、結束語
    開發基於HART協議的智能電磁流量計涉及的內容很多。由於篇幅的限製,還有一些內容未能作進一步的介紹,HART協議的智能電磁流量計應用在國內處於起步階段,有著良好的發展前景。

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