基于HART協議的智能電磁流量計-江蘇省孝感尼蓝纺织制造有限责任公司

摘要:針(zhen)對儀表(biao)使用現(xian)狀,介紹(shao)一種具(ju)有HART協議(yi)的智能(néng)式電磁(ci)流量計(ji) 。設計了(le)以HART通信(xin)模塊HT2012和(he)AD7715、AD421爲主要(yao)芯片的(de)智能電(dian)磁流量(liàng)計的接(jiē)♉口卡。
1電(dian)磁流量(liàng)計
　　電磁(cí)流量計(ji) 的基本(ben)原理是(shi)法拉第(di)電磁感(gan)應定律(lǜ)，即導體(ti)在磁場(chang)中🐇切割(ge)磁力線(xiàn)運動時(shí)在其兩(liǎng)端産生(sheng)感應電(diàn)動勢。
E=KBDν
　　式(shì)中E:感應(yīng)電動勢(shì),B:磁感應(ying)強度,D:管(guan)道直徑(jìng),ν:流體平(píng)均速度(du)。流體的(de)體積流(liu)量qv爲:

　　電(diàn)磁流量(liang)計分爲(wèi)流量傳(chuán)感器和(hé)轉換器(qi)兩部分(fèn)。傳感器(qì)包括測(ce)🈲量管,激(ji)磁線圈(quan),電極等(děng),将流量(liàng)信号轉(zhuan)換爲感(gǎn)應電勢(shi),由電極(ji)引🏃‍♂️出;轉(zhuan)換器将(jiāng)E轉換爲(wèi)标準信(xìn)号輸出(chu)，以便進(jin)行計📐數(shù)測量。
　　電(diàn)磁流量(liang)計的測(cè)量優點(diǎn)很多，(1)它(tā)的測量(liang)管是光(guang)滑直管(guan),不易阻(zu)塞,适用(yong)于測量(liàng)含有固(gù)體顆粒(lì)或纖維(wéi)🔴的液固(gù)兩相流(liú)體,如❤️紙(zhi)漿、煤水(shuǐ)漿、礦漿(jiang)、泥漿和(he)污水✏️等(deng);(2)它的壓(yā)力損🔞失(shi)小,且前(qián)置直管(guǎn)段要求(qiú)較低;(3)輸(shu)出線性(xing)，且其💰體(tǐ)積流量(liang)不受流(liú)體密度(dù)、粘度、溫(wen)度、壓.力(li)🔆和導電(dian)率變化(hua)的影響(xiǎng),抗幹擾(rao)能力強(qiáng);(4)測量範(fàn)圍大🔴,量(liàng)程比大(dà),通常可(kě)達20:1~50:1;(5)測量(liàng)口徑範(fan)圍寬,從(cong)幾mm到3m,可(kě)測正反(fǎn)雙向流(liú)量,也可(kě)測脈動(dòng)流量。但(dan)它不能(neng)測電導(dǎo)率低的(de)液體,不(bú)能測氣(qi)體、蒸汽(qì)和含有(you)較多較(jiào)大氣泡(pào)的液體(ti)💘的流量(liàng),如石油(yóu)制品,有(yǒu)機溶劑(jì)等。
　　智能(neng)化的電(diàn)磁流量(liang)計是數(shu)字信号(hao)和模拟(ni)信号混(hùn)合🧑🏾‍🤝‍🧑🏼的🤞變(biàn)送器,在(zai)普通電(dian)磁流量(liang)計的基(ji)礎上結(jié)合HART通信(xin)協議,可(kě)🚩以實現(xian)流量儀(yí)表智能(neng)化,适應(yīng)現場總(zǒng)線🐉控制(zhì)系統的(de)要求。
2HART協(xié)議
　　HART(HighAddressableRenoteTransducer可尋(xun)址遠程(cheng)傳感器(qì)高速通(tong)道)通信(xìn)協議是(shì)一種過(guò)渡性協(xie)議,它參(cān)照“ISO/OSI”的模(mó)型标準(zhun),簡化并(bìng)引用其(qí)中三✊層(ceng),即❌物理(lǐ)🏃層,數據(ju)鏈🈲路層(ceng)和應用(yong)層制定(dìng)而成;采(cai)用FSK(頻移(yí)鍵控)技(ji)術,在一(yī)條電纜(lan)線上同(tóng)時傳輸(shu)4~20mADC的模拟(ni)信号和(hé)數字信(xìn)号,使👨‍❤️‍👨模(mo)拟信号(hao)和數字(zi)雙向通(tong)訊能同(tong)時進行(hang),互不幹(gàn)擾。如圖(tu)😍1,在4~20mADC基礎(chǔ)_上疊加(jiā)幅度爲(wei)±0.5mA的不同(tóng)頻率的(de)㊙️正弦調(diao)制波作(zuo)爲數字(zi)信号,1200Hz頻(pin)率代表(biǎo)邏輯“1”，2200Hz代(dài)表🔞邏輯(ji)“0”。其傳送(song)速👌率爲(wei)1200bit/S。

　　HART通信可(kě)以有點(dian)對點或(huò)多點連(lian)接模式(shi)。傳輸介(jiè)質一🈚般(bān)爲🤞雙纜(lan)線;當傳(chuan)輸線路(lu)較長時(shí),可用屏(píng)蔽雙絞(jiao)線。HT2012是專(zhuān)🐪門爲HART産(chǎn)品而設(shè)計生産(chan)的，具有(you)價格便(biàn)宜、功耗(hao)⛱️低的特(tè)點。它包(bāo)✔️括調制(zhì)器、解調(diào)㊙️器、載波(bō)♻️監測電(diàn)路和時(shi)基電路(lu),如圖2。時(shi)基✂️電路(lù)外接🐇.460.8kH的(de)振蕩頻(pin)率信号(hao),調制器(qì)将由IIXD引(yǐn)腳輸入(rù)的數字(zì)信号調(diào)制🌐成FSK信(xin)号，從OXTA端(duan)輸出;解(jiě)調器将(jiāng)從RXA引腳(jiao)輸入的(de)FSK信号解(jie)調成數(shu)字信🏃‍♂️号(hào)，由ORXD端輸(shu)出。調制(zhi)器和解(jie)調器的(de)工🔞作受(shòu)NRTS端輸入(rù)電平的(de)控制，NRTS端(duān)子與CPU的(de)I/O口相連(lián),可以由(yóu)CPU來控制(zhi)調制器(qì)和解調(diào)器的工(gōng)作狀态(tai)，其通信(xìn)爲半雙(shuāng)工方式(shì)。當NRTS輸入(ru)爲低電(diàn)平“0”時,調(diào)制器工(gōng)作,解調(diao)器輸出(chū)不定;當(dang)NRTS端🏃輸入(rù)爲高電(dian)🌈平“1”時,解(jie)調器💛工(gong)作,調制(zhi)器呈高(gao)阻狀态(tài)。

　　HART協議通(tong)信電路(lu)由CPU、數模(mó)轉換器(qì)AD421、HART通信模(mo)塊HT2012、波形(xing)整形電(diàn)路和帶(dai)通濾波(bo)器組成(chéng)。CPU輸出的(de)與被測(ce)參數成(cheng)比例的(de)數字信(xin)号，經AD421轉(zhuan)🔆換爲4~20mA電(dian)流輸出(chū)。同時,需(xu)進行數(shù)字通信(xin)的二進(jin)🏃‍♂️制數字(zì)信号由(you)串行口(kǒu)🙇🏻發送端(duan)RX輸出至(zhì)HT2012調制爲(wèi)🏒FSK信号,再(zài)經波形(xíng)整形電(diàn)路送至(zhi)AD421,疊加到(dào)4~20mA直流信(xin)号上。
3AD7715和(he)AD421
　　AD7715是一種(zhǒng)帶有模(mo)拟前置(zhì)放大器(qì)的A/D轉換(huan)芯片，是(shì)一種用(yong)于低頻(pín)⛷️測☎️量的(de)芯片,它(ta)可直接(jiē)接受電(dian)磁流量(liàng)計的直(zhí)流低電(diàn)平🈲輸入(ru)信号🌐并(bing)輸出串(chuàn)行數字(zi)信号。該(gāi)🌐芯片采(cai)用2A轉換(huan)技術,具(ju)有16位的(de)🔞精度高(gao)模數轉(zhuan)換特性(xìng),有良好(hǎo)的抗幹(gàn)擾性，有(yǒu)自校準(zhun)和系統(tong)㊙️校準的(de)功能,可(kě)以消除(chú)零點誤(wu)差,滿量(liang)程誤差(cha)和溫度(du)漂移的(de)👅影響。AD7715的(de)模拟輸(shu)入爲差(cha)動方式(shì)⁉️,有單極(ji)性和雙(shuāng)極性🤞輸(shu)入,信号(hào)範圍可(kě)選。前置(zhì)放大器(qi)有🏃‍♂️1、2、32、128四種(zhong)增益可(ke)選,有4個(ge)片内寄(ji)存器，對(duì)它的編(bian)程可以(yi)實現💁增(zeng)益選擇(ze)、信号極(ji)性🤩、輸出(chū)數據速(sù)🈚率、自動(dong)校準和(he)AD轉換等(deng)功能。這(zhè)裏用AD7715作(zuò)爲模數(shu)轉換芯(xin)片。
　　AD421是一(yi)種16位串(chuàn)行輸入(ru)、4~20mADC電流輸(shu)出的數(shu)模轉換(huàn)器,非線(xian)形誤差(chà)小于±0.01%。主(zhu)要由數(shù)模轉換(huan)器,電流(liú)轉換器(qì)和電流(liú)調整器(qì)組成。AD421的(de)電流輸(shū)🔱出有正(zhèng)常和報(bào)警兩種(zhong)模式。正(zheng)常♊模式(shì)對應4~20mADC輸(shu)出,報警(jǐng)模🐉式輸(shū)出🏃‍♀️電流(liú)擴展爲(wèi)3.5~20mADC。電壓調(diào)整器由(you)運放能(néng)隙基準(zhǔn)和外接(jiē)耗盡型(xíng)場效應(yīng)管構成(chéng)。電壓調(diao)整器從(cóng)電流回(huí)路中獲(huò)取電流(liú)，,并💃🏻給AD421及(ji)其他器(qì)件提供(gong)工作電(diàn)流♌。在此(ci)設計中(zhong),選擇AD421作(zuo)爲數模(mó)轉換芯(xīn)片✉️,它可(ke)以爲其(qi)他芯片(piàn)提供工(gōng)作電壓(ya)，還可以(yǐ)将CPU輸入(rù)的數字(zi)信号轉(zhuan)換爲4~20mADC電(diàn)流輸出(chū)，并将數(shu)字信号(hào)疊加在(zài)4~20mADC電流上(shang)一起輸(shu)出。
4智能(néng)式電磁(ci)流量計(jì)

　　圖3爲采(cǎi)用HART通信(xin)技術的(de)智能式(shì)電磁流(liu)量計的(de)原理框(kuang)圖,整個(gè)📧系統由(you)電磁流(liú)量計、CPU、AD7715、AD421和(hé)HT2012通信部(bu)分組成(chéng)。CPU采用MCS-51微(wei)處理✨器(qi)。流⛹🏻‍♀️量信(xin)号g.經電(dian)磁流量(liàng)計轉換(huan)後,輸出(chu)🔆的0~5V電壓(yā)🍓信号加(jiā)在AD7715的輸(shū)入端上(shàng),經過AD7715轉(zhuan)換爲數(shù)字信号(hao)實現A/D采(cai)樣;AD7715采用(yòng)三線串(chuàn)行口💜與(yu)CPU相連。HART通(tōng)信部分(fèn)由HT2012、帶通(tōng)濾波器(qì)和輸出(chū)波形🤟整(zheng)形電路(lù)等🌈組成(cheng)。AD421及電壓(yā)調整電(diàn)路,将CPU輸(shu)出的數(shu)字信号(hào)轉換爲(wei)4~20mADC電流信(xin)号,作爲(wei)整機輸(shū)✨出，實現(xiàn)D/A轉換。另(ling)外,由HART通(tong)信模塊(kuai)輸出的(de)經過整(zheng)形後的(de)FSK信号,也(yě)經AD421-起疊(die)加輸出(chū)，實現數(shù)字信号(hào)和模拟(ni)信号同(tóng)時輸出(chū)👈。AD421自帶的(de)電壓調(diao)整電路(lu)📐可将㊙️變(biàn)送器的(de)24V供電電(dian)🛀🏻壓轉換(huan)成穩定(dìng)的5V電壓(ya)，給CPU、A/D.D/A等芯(xīn)片🙇🏻供電(diàn)。系統還(hái)🈚配備了(le)WDT監控電(diàn)路，和電(diàn)磁流量(liàng)計的勵(lì)♋磁電路(lù)。
　　該系統(tong)的軟件(jiàn)有測控(kòng)程序和(hé)通信程(chéng)序。測控(kong)程序包(bāo)括✉️A/ID采樣(yàng)程㊙️序、量(liàng)程轉換(huan)程序、非(fei)線性補(bǔ)償程序(xù)、D/A轉換程(chéng)序等;通(tōng)信📧程序(xu)包括實(shi)現HART協議(yi)數據鏈(liàn)路層和(hé)應用層(céng)🛀的軟件(jiàn)。