0 引言
工業(yè)儀表設(shè)備向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的變遷是整個(gè)儀表行業(yè)發(fā)展必然趨勢(shì)。但是當(dāng)前現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)在功能上還不能完全取代已經(jīng)發(fā)展的比較完善的DCS。在這種情況下，HART（highwayaddressableremotetransducer）協(xié)議作為一種兼容原有4～20mA模擬信號(hào)的數(shù)字通訊方式產(chǎn)生[1]。
本文介紹的HART協(xié)議智能變送器采用兩線制傳輸方式，這種設(shè)計(jì)方式既能給流量計(jì)提供電能，又能傳輸模擬和數(shù)字信號(hào)。這就要求流量計(jì)系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)低功耗。
1 工作原理
螺旋流量計(jì)傳感器原理可以簡(jiǎn)單用磁化線圈來說明。當(dāng)管道中有流體流過時(shí)，流體的流動(dòng)會(huì)帶動(dòng)管道中的葉片轉(zhuǎn)動(dòng)。此時(shí)葉片切割螺旋流量計(jì)傳感器的磁場(chǎng)，產(chǎn)生一個(gè)毫伏級(jí)周期性波形，波形頻率與流體流速有關(guān)。這樣通過對(duì)周期性波形頻率測(cè)量就能得到流體流速。HART傳輸則是在此基礎(chǔ)上，通過AD421產(chǎn)生4～20mA電流，利用專為實(shí)現(xiàn)HART協(xié)議而設(shè)計(jì)的調(diào)制解調(diào)器芯片A5191HRT來將需要傳輸?shù)男畔⒄{(diào)制成FSK（FrequencyShiftKeying）信號(hào)或?qū)⒔邮胀獠總魉偷腇SK信號(hào)解調(diào)成數(shù)字信息傳輸給MCU。
HART協(xié)議規(guī)定的信號(hào)頻率（1200Hz代表l，2200Hz代表0）和傳輸速率（1200bit/s）符合美國(guó)Bell202標(biāo)準(zhǔn)。HART信號(hào)波形如圖1，這些音頻正弦波的平均值為零，所以在現(xiàn)存的模擬信號(hào)中不增加直流成分。因此，在2根線上可以同時(shí)傳送互不影響的模擬和數(shù)字信號(hào)。HART協(xié)議采用半雙工的通信方式，在HART通信過程中主機(jī)上位機(jī)發(fā)送命令幀，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通過串行口終端接收到命令幀后由通信單元作相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理產(chǎn)生應(yīng)答幀觸發(fā)發(fā)送終端后發(fā)出應(yīng)答幀，從而完成一次命令交換。在發(fā)送應(yīng)答幀之后再次進(jìn)入等待狀態(tài)等待下一條主機(jī)命令。正是由于HART協(xié)議的這種優(yōu)點(diǎn)，使它成為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)廣泛應(yīng)用的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[2]。
圖1 HART信號(hào)波形
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)總體框圖如圖2所示，流量計(jì)采用的16位嵌入式微處理器MSP430F435是TI公司面向低功耗儀表領(lǐng)域推出的16位微處理器。工作電壓范圍為1.8～3.6V，最低耗電電流為0.1μA。可以通過靈活地使用多種頻率時(shí)鐘源來實(shí)現(xiàn)低功耗。如采用中斷控制，數(shù)字控制的振蕩器（DCO）在小于0.6μs的時(shí)間內(nèi)可以使系統(tǒng)從低功耗省電模式喚醒，激活到活動(dòng)模式工作，當(dāng)系統(tǒng)處理完中斷后，可通過軟件控制自動(dòng)進(jìn)入低功耗省電狀態(tài)[3]。從而為低功耗的實(shí)現(xiàn)提供了可能。MSP430F435內(nèi)集成了128段液晶驅(qū)動(dòng)器，可以直接驅(qū)動(dòng)段碼式液晶顯示器，省去了傳統(tǒng)單片機(jī)系統(tǒng)外圍液晶驅(qū)動(dòng)電路；微處理器內(nèi)部集成12位逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器，可編程內(nèi)部或外接基準(zhǔn)源，用來對(duì)放大調(diào)理后的電壓信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換；MSP430F435內(nèi)部具有256Byte用戶可編程Flash存儲(chǔ)器，用于存放流量計(jì)的相關(guān)重要參數(shù)，例如儀表傳感器特性曲線參數(shù)及校正參數(shù)、斷電保存的累積流量等。
圖2 智能螺旋流量計(jì)結(jié)構(gòu)框圖
2.1 傳感器輸出及信號(hào)調(diào)理電路
螺旋流量計(jì)的信號(hào)輸入部分主要由傳感器和信號(hào)放大調(diào)理部分組成。信號(hào)傳感器由上面的介紹可知是一個(gè)無源傳感器，其通過葉片切割磁感應(yīng)線產(chǎn)生一個(gè)周期性的波形。
傳感器的信號(hào)經(jīng)過實(shí)際測(cè)試發(fā)現(xiàn)，頻率范圍在30～200Hz范圍內(nèi)，幅值在50mV～300mV范圍之內(nèi)。因此前置放大電路可以采用運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)，為了有效的減小共模抑制比CMRR（CommonModeRejectionRatio）的影響，因此放大電路設(shè)計(jì)成反向放大電路，放大倍數(shù)可以定為47倍。而濾波電路也可以設(shè)計(jì)成低通濾波電路。具體電路圖如圖3。
圖3 信號(hào)調(diào)理和放大電路
2.2 HART通信模塊設(shè)計(jì)
HART通信模塊由HART調(diào)制解調(diào)芯片A5191HRT及模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD421組成，如圖4所示。
圖4 HART通信模塊電路圖
AD421是ANALOGDEVICES公司生產(chǎn)的一種單片低功耗、高精度、回路供電的4^20mA輸出型DAC，它為4～20mA輸出的智能型變送器提供了一種比較理想的技術(shù)方案。該芯片的數(shù)字接口為標(biāo)準(zhǔn)HART協(xié)議（三線）或其它FSK協(xié)議，DAC為16位分辨率，單調(diào)性輸出。采用回路供電方式，內(nèi)含電源調(diào)整器能夠從電流環(huán)路中獲取電流，為本身和外圍器件供電，調(diào)整器的輸出電壓Vcc為+3V，+3.3V或+5V。且AD421能夠給外圍電路提供高精度的1.25V與2.5V電壓基準(zhǔn)，數(shù)模轉(zhuǎn)換器采用∑-Δ結(jié)構(gòu)DAC核和電流放大器組成，保證16位的分辨率和單調(diào)性[4]。A5191HRT是AMISemiconductor公司推出的應(yīng)用于HART現(xiàn)場(chǎng)儀表的單片CMOS調(diào)制解調(diào)器，它是單片、半雙工1200b/s速率的頻移鍵控（FSK）調(diào)制解調(diào)器，可替代SYM20C15；，使用符合Be11202標(biāo)準(zhǔn)FSK頻移鍵控信號(hào)，載波為1200Hz和2200Hz；同時(shí)內(nèi)部集成了接收帶通濾波器電路和發(fā)送信號(hào)波形整形電路；外接460.8kHz晶體或陶瓷濾波器內(nèi)部時(shí)鐘；振蕩器或者使用外部輸人時(shí)鐘；電源電壓為3.0V-5.0V；滿足HART協(xié)議物理層的要求；功耗低。
圖4中，A5191HRT將疊加在4～20mA環(huán)路上的FSK信號(hào)經(jīng)過帶通濾波、放大整形提取出來，解調(diào)為數(shù)字信號(hào)后，通過UART傳送給MSP430F435，或?qū)腗SP430F435接收到的應(yīng)答幀信息調(diào)制成FSK信號(hào)經(jīng)波形整形后通過電容耦合到AD421上，通過AD421疊加在4～20mA環(huán)路上發(fā)送出去[5]。圖4中A5191HRT與MSP430F435的通信接口包括UART的HART調(diào)制輸入ITXD、載波監(jiān)測(cè)OCD、請(qǐng)求發(fā)送INRTS、HART的解調(diào)輸出ORXD。Loop+與Loop-分別為4～20mA電流環(huán)路兩個(gè)端口，VCC為AD421對(duì)外部電路提供的3.3V供電電源。由于A5191HRT調(diào)制解調(diào)工作需要頻率為460.8kHz時(shí)鐘信號(hào)源，且時(shí)鐘信號(hào)源的頻率精度要求較高，誤差要求在1%內(nèi)，而460.8kHz晶體為非標(biāo)晶體，因此這里可采用MSP430F435外接1.8432MHz的標(biāo)準(zhǔn)晶振，經(jīng)4分頻后與A5191HRT時(shí)鐘輸入相連或直接訂購(gòu)460.8kHz的晶振。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
螺旋流量計(jì)軟件分為四個(gè)部分，一部分是測(cè)量程序，負(fù)責(zé)傳感器信號(hào)的采集和處理；一部分是HART協(xié)議通信程序，負(fù)責(zé)使用HART協(xié)議與其它設(shè)備進(jìn)行通信；一部分是將傳感器信號(hào)的頻率通過相應(yīng)處理轉(zhuǎn)化成流量。最后一部分菜單設(shè)置程序，為用戶提供便利的流量計(jì)參數(shù)設(shè)置功能。
3.1 傳感器信號(hào)的采集和處理
系統(tǒng)采用MSP430F435為核心，該單片機(jī)具有低功耗模式特點(diǎn)，因此將軟件設(shè)計(jì)成單片機(jī)在程序完成系統(tǒng)各模塊初始化之后進(jìn)入低功耗模式LPM3[6]，采用定時(shí)器作為系統(tǒng)心跳的方式來定時(shí)中斷喚醒執(zhí)行測(cè)量程序。
當(dāng)系統(tǒng)心跳定時(shí)器中斷產(chǎn)生時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行測(cè)量程序。但是此時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)的將其它中斷響應(yīng)屏蔽，為防止在執(zhí)行測(cè)量程序時(shí)有HART通信的請(qǐng)求，因此在進(jìn)入心跳定時(shí)器時(shí)應(yīng)先將所有屏蔽打開。
3.2 HART協(xié)議通信程序
螺旋流量計(jì)的HART協(xié)議通信程序根據(jù)HART協(xié)議規(guī)范要求，完成從設(shè)備數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層以及層間接口程序?qū)崿F(xiàn)HART通信鏈路連接，鏈路仲裁，信號(hào)接收、識(shí)別、響應(yīng)和發(fā)送。在系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)HART協(xié)議通信模塊的初始化配置，配置內(nèi)容包括MSP430F435內(nèi)部UART模塊工作方式、通信波特率、數(shù)據(jù)幀格式等。在沒有通信請(qǐng)求時(shí)HART協(xié)議通信程序工作在待機(jī)狀態(tài)。當(dāng)A5191HRT的載波檢測(cè)輸出腳OCD變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，此時(shí)表明外部有數(shù)據(jù)傳入，此時(shí)進(jìn)入HART通信模塊中斷程序處理。處理包括檢查數(shù)據(jù)幀格式，校驗(yàn)碼，存放數(shù)據(jù)，執(zhí)行命令，產(chǎn)生應(yīng)答幀，將應(yīng)答幀通過UART傳送給A5191HRT，由A5191HRT調(diào)制成FSK信號(hào)通過AD421疊加在4～20mA電流環(huán)上傳送給主機(jī)，在完成應(yīng)答后，退出中斷子程序，若沒有接收到主機(jī)命令的情況下，儀表進(jìn)入低功耗模式LPM3，利用系統(tǒng)心跳定時(shí)器中斷周期性地喚醒并執(zhí)行測(cè)量主程序。
HART協(xié)議通信模塊采用這種接收命令并應(yīng)答的方式完成現(xiàn)場(chǎng)儀表和主機(jī)之間的通信，可以實(shí)現(xiàn)通訊主機(jī)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表的各個(gè)工作參數(shù)的設(shè)置、測(cè)量結(jié)果的讀取、儀表工作狀態(tài)的檢測(cè)等功能，并且具有程序設(shè)計(jì)靈活的優(yōu)點(diǎn)。
3.3 傳感器頻率信號(hào)處理程序
由上文的介紹可知傳感器輸出信號(hào)是頻率信號(hào)，當(dāng)頻率信號(hào)被濾波放大采集后，MSP430F435需要對(duì)頻率進(jìn)行處理，將其轉(zhuǎn)化為流量。而由于流體管道中流體流動(dòng)時(shí)可能不穩(wěn)定，存在一定紊流情況，再加上工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)可能會(huì)有其它電器的干擾，因此頻率信號(hào)不會(huì)很穩(wěn)定。為了得出準(zhǔn)確而又穩(wěn)定的流量，需要通過軟件的處理將干擾和波動(dòng)去除。
去除干擾的方法是對(duì)頻率信號(hào)的周期寬度進(jìn)行測(cè)量，由于流體流速不可能突變，因此如果在檢測(cè)的過程中發(fā)現(xiàn)如果突然存在信號(hào)周期比正常時(shí)的周期一半還小時(shí)，可以判定此信號(hào)為干擾，應(yīng)該將其去除。去除波動(dòng)的方法是使用中值濾波法。在上述去除干擾的基礎(chǔ)上，依次檢測(cè)得到8個(gè)瞬時(shí)流量值，此時(shí)將8個(gè)中最小的3個(gè)和最大的3個(gè)去除，再將剩下的兩個(gè)進(jìn)行平均即可。這樣的話可以很有效的減小流量的波動(dòng)。
4 結(jié)束語
本設(shè)計(jì)在基于傳統(tǒng)流量計(jì)的基礎(chǔ)上，加入了使用A5191HRT和AD421設(shè)計(jì)HART協(xié)議通信模塊，提高了流量計(jì)與其它儀表或上位機(jī)之間的通信聯(lián)系。同時(shí)選用了超低功耗的16位嵌入式處理器MSP430F435作為壓力變送器的核心，提高了系統(tǒng)的集成度同時(shí)，降低了系統(tǒng)功耗。
目前，該智能螺旋流量計(jì)已實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)和銷售，并廣泛應(yīng)用于油田注水站、注聚站等監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)。
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