[導(dǎo)讀] 介紹一種基于HART協(xié)議的金屬管浮子流量計(jì)的設(shè)計(jì)方案。應(yīng)用磁阻傳感器測(cè)量金屬管浮子的角位移，利用HT2015和AD421實(shí)現(xiàn)HART協(xié)議通信物理層，并敘述了MSP430單片機(jī)的軟件編程，實(shí)現(xiàn)了各項(xiàng)功能和HART通信。
0 引言
金屬管浮子流量計(jì)具有靈敏度高、測(cè)量范圍寬、壓力損失較小和耐高溫、耐高壓、耐腐蝕等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于中小流速流量的工業(yè)計(jì)量。該流量計(jì)利用電容式角位移傳感器測(cè)量機(jī)械連桿的旋轉(zhuǎn)角度原理進(jìn)行設(shè)計(jì)[1，2]，但電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，功耗較大，精度不高。HART協(xié)議[3]使用FSK技術(shù)，在4~20mA模擬信號(hào)上疊加頻率信號(hào)，使得模擬信號(hào)與數(shù)字雙向通信同時(shí)進(jìn)行。本文提出一種使用各向異性磁阻式傳感器，應(yīng)用HT2015和AD421實(shí)現(xiàn)HART協(xié)議的新型智能金屬管浮子流量計(jì)的設(shè)計(jì)方案。該流量計(jì)能實(shí)現(xiàn)量程范圍設(shè)置、小流量切除等功能，具有功耗低、響應(yīng)快等特點(diǎn)，能替代進(jìn)口的同類型HART儀表，廣泛應(yīng)用于工業(yè)計(jì)量。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理
金屬管浮子流量計(jì)結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。它是由一個(gè)錐形管和一個(gè)置于錐形管中可以上下自由移動(dòng)的浮子構(gòu)成，錐形管垂直安裝，浮子重心與錐管管軸相重合，磁鋼內(nèi)嵌在浮子中。當(dāng)流體自下向上流入錐管時(shí)，作用在浮子上的力有3個(gè)：流體作用在浮子上的動(dòng)壓力、浮子在流體中的浮力和浮子的重力。當(dāng)這些力平衡時(shí)，浮子就平穩(wěn)地浮在錐管內(nèi)某一位置上。對(duì)于一臺(tái)給定的浮子流量計(jì)，浮子在錐管中的位置與流體流經(jīng)錐管流量的大小成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。而浮子在錐管中的位置決定于浮子的高度，因此，要實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的測(cè)量取決于對(duì)浮子的高度的測(cè)量[4]。
由于浮子上下移動(dòng)時(shí)，其內(nèi)嵌磁鋼也隨之上下移動(dòng)，與流量計(jì)外部磁鋼形成內(nèi)外磁鋼磁路耦合，帶動(dòng)機(jī)械連桿旋轉(zhuǎn)一定角度θ，將信號(hào)傳遞給現(xiàn)場(chǎng)顯示器，指示流量大小。故對(duì)流量大小的測(cè)量轉(zhuǎn)換為求角位移θ的大小。
圖1 結(jié)構(gòu)原理圖
2 硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的硬件電路以MSP430F149為控制核心，主要有電源模塊和HART協(xié)議物理層模塊、液晶顯示接口及按鍵接口模塊等部分組成，如圖2所示。
圖2 系統(tǒng)硬件框圖
2.1 MSP430F149單片機(jī)
MSP430F149單片機(jī)為TI公司生產(chǎn)，具有16位的RISC結(jié)構(gòu)，自帶12位的A/D轉(zhuǎn)換，CPU中的16個(gè)寄存器和常數(shù)發(fā)生器使MSP430F149能達(dá)到最高的代碼執(zhí)行效率，其靈活的時(shí)鐘源可以使器件達(dá)到最低的功率消耗[5，6]。同時(shí)，MSP430F149的FLASH存儲(chǔ)器模塊中有2段信息段存儲(chǔ)器，分別為信息存儲(chǔ)器A和B，每段各為128字節(jié)。
2.2 傳感器模塊
本設(shè)計(jì)選用了HONEYWELL公司生產(chǎn)的磁阻式傳感器HMC1501來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械連桿角位移的測(cè)量。它是利用含鐵材料的各向異性原理感測(cè)周圍磁場(chǎng)的變化，運(yùn)用特殊工藝制成的薄膜狀磁阻元件。其原理為：將4個(gè)磁阻元件構(gòu)成一個(gè)金剛石狀的惠斯登電橋，如圖3所示。
2.3 HART協(xié)議物理層
根據(jù)HART協(xié)議物理層的要求，設(shè)計(jì)了圖4所示的物理層電路。其中，HT2015是美國(guó)SMAR公司推出的專為HART設(shè)備設(shè)計(jì)的第二代低功耗調(diào)制解調(diào)器，只需外接少量元件即可構(gòu)成完整的HART信號(hào)的調(diào)制解調(diào)。HT2015內(nèi)部包含5個(gè)主要模塊：振蕩器模塊、控制邏輯模塊、載波檢測(cè)模塊、調(diào)制與發(fā)送波形整形模塊、接收濾波器與解調(diào)模塊。HT2015中引腳ORXD和ITXD分別和MSP430F149的異步串行通信口發(fā)送和接收端相連接。當(dāng)主設(shè)備發(fā)送命令時(shí)，電流環(huán)上的HART信號(hào)送到HT2015的接收濾波器進(jìn)行濾波和解調(diào)為“0”，“1”數(shù)字信號(hào)，單片機(jī)接收到有效的HART通信幀后進(jìn)行命令解釋，然后，返回相應(yīng)的通信數(shù)字信號(hào)，經(jīng)HT2015調(diào)制和波形整形后通過(guò)電容器C23加到AD421的C3端。OCD為載波檢測(cè)輸出，當(dāng)IRXA端檢測(cè)到有效的輸入時(shí)，OCD端變高，產(chǎn)生中斷，由單片機(jī)判斷是否進(jìn)入接收狀態(tài)。INRTS是發(fā)送請(qǐng)求端，當(dāng)CPU要返回命令時(shí)，INRTS電平變低，發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)入調(diào)制與發(fā)送波形整形模塊。
圖3 傳感器原理圖
AD421是美國(guó)ADI公司推出的一種單片高性能數(shù)模轉(zhuǎn)換器。它由電流環(huán)供電，16位數(shù)字信號(hào)以串行方式輸入，4~20mA電流輸出，可實(shí)現(xiàn)低成本的遠(yuǎn)程智能工業(yè)控制，兼容HART協(xié)議。AD421內(nèi)部含有電壓調(diào)整器可提供+5，+3.3V或3V輸出電壓，還含有+1.25，+2.5V基準(zhǔn)電源，均可為其自身或其他電路選用。AD421保證16位的分辨率和單調(diào)性，其積分線性誤差為0.001%，失調(diào)誤差為0.1%，增益誤差為0.2%。
圖4 HART通信協(xié)議物理層原理圖
3 軟件設(shè)計(jì)
單片機(jī)在上電后先執(zhí)行程序初始化完成各控制寄存器的配置，如系統(tǒng)時(shí)鐘初始化、HT2015初始化等。然后，讀取FLASH中保存的參數(shù)，如，各段標(biāo)定值、累計(jì)流量、報(bào)警上下限、小流量切除值等。之后，進(jìn)行A/D采樣，數(shù)據(jù)處理，4~20mA兩線制電流輸出，更新顯示及保存參數(shù)等。數(shù)據(jù)處理模塊包括A/D采樣數(shù)據(jù)的濾波處理及根據(jù)保存的標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行線性修正等。程序運(yùn)行中若有中斷，則置相應(yīng)的標(biāo)志位，分別進(jìn)行HART命令處理、按鍵處理和定時(shí)中斷處理。HART命令處理根據(jù)收到的命令進(jìn)行相應(yīng)的回復(fù)；按鍵處理可對(duì)流量計(jì)進(jìn)行各段標(biāo)定，4mA和20mA輸出標(biāo)定，小流量切除值設(shè)置，量程范圍設(shè)置以及累積流量清零等操作；定時(shí)中斷中則根據(jù)當(dāng)前瞬時(shí)流量計(jì)算累積流量值。系統(tǒng)的主流程圖如圖5所示。
圖5 系統(tǒng)主流程圖
4 測(cè)試結(jié)果
在常溫下以水作為標(biāo)定介質(zhì)，外接高精度電流表測(cè)量電流值，對(duì)流量計(jì)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表1。由結(jié)果可知，實(shí)測(cè)電流和標(biāo)稱電流的相對(duì)誤差不超過(guò)0.2%。通過(guò)HART智能變送器組態(tài)軟件或者HART375手操器可實(shí)現(xiàn)HART協(xié)議的各項(xiàng)功能。
5 結(jié)束語(yǔ)
本文設(shè)計(jì)的金屬管浮子流量計(jì)采用磁阻傳感器進(jìn)行角位移檢測(cè)，使流量計(jì)的轉(zhuǎn)換器不需要任何可動(dòng)的機(jī)械零件，消除了機(jī)械零件之間摩擦力和傳動(dòng)誤差，實(shí)現(xiàn)了流量計(jì)轉(zhuǎn)換器的全電子化和小型化；同時(shí)，采用MSP430單片機(jī)進(jìn)行線性修正和運(yùn)算，從而使流量計(jì)的準(zhǔn)確度、回差和重復(fù)性等主要指標(biāo)得到了明顯提高。可通過(guò)按鍵，HART375手操器或者組態(tài)軟件進(jìn)行多點(diǎn)修正、小流量切除值設(shè)置、報(bào)警設(shè)置、量程范圍設(shè)置、瞬時(shí)流量和累積流量小數(shù)點(diǎn)設(shè)置等功能。本文設(shè)計(jì)的金屬管浮子流量計(jì)具有小型化、數(shù)字化、智能化和低功耗等特點(diǎn)，已成功投產(chǎn)。