0 引言

    工業(yè)儀表設備向數(shù)字化、網(wǎng)絡化的變遷是整個儀表行業(yè)發(fā)展必然趨勢。但是當前現(xiàn)場總線控制系統(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，這種設計方式既能給流量計提供電能，又能傳輸模擬和數(shù)字信號。這就要求流量計系統(tǒng)需要實現(xiàn)低功耗。

    1 工作原理

    螺旋流量計傳感器原理可以簡單用磁化線圈來說明。當管道中有流體流過時，流體的流動會帶動管道中的葉片轉動。此時葉片切割螺旋流量計傳感器的磁場，產(chǎn)生一個毫伏級周期性波形，波形頻率與流體流速有關。這樣通過對周期性波形頻率測量就能得到流體流速。HART傳輸則是在此基礎上，通過AD421產(chǎn)生4～20mA電流，利用專為實現(xiàn)HART協(xié)議而設計的調制解調器芯片A5191HRT來將需要傳輸?shù)男畔⒄{制成FSK（FrequencyShiftKeying）信號或將接收外部傳送的FSK信號解調成數(shù)字信息傳輸給MCU。

    HART協(xié)議規(guī)定的信號頻率（1200Hz代表l，2200Hz代表0）和傳輸速率（1200bit/s）符合美國Bell202標準。HART信號波形如圖1，這些音頻正弦波的平均值為零，所以在現(xiàn)存的模擬信號中不增加直流成分。因此，在2根線上可以同時傳送互不影響的模擬和數(shù)字信號。HART協(xié)議采用半雙工的通信方式，在HART通信過程中主機上位機發(fā)送命令幀，現(xiàn)場設備通過串行口終端接收到命令幀后由通信單元作相應的數(shù)據(jù)處理產(chǎn)生應答幀觸發(fā)發(fā)送終端后發(fā)出應答幀，從而完成一次命令交換。在發(fā)送應答幀之后再次進入等待狀態(tài)等待下一條主機命令。正是由于HART協(xié)議的這種優(yōu)點，使它成為工業(yè)現(xiàn)場廣泛應用的工業(yè)標準[2]。

圖1 HART信號波形

    2 系統(tǒng)硬件設計

    系統(tǒng)總體框圖如圖2所示，流量計采用的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鐘源來實現(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的時間內可以使系統(tǒng)從低功耗省電模式喚醒，激活到活動模式工作，當系統(tǒng)處理完中斷后，可通過軟件控制自動進入低功耗省電狀態(tài)[3]。從而為低功耗的實現(xiàn)提供了可能。MSP430F435內集成了128段液晶驅動器，可以直接驅動段碼式液晶顯示器，省去了傳統(tǒng)單片機系統(tǒng)外圍液晶驅動電路；微處理器內部集成12位逐次比較型A/D轉換器，可編程內部或外接基準源，用來對放大調理后的電壓信號進行轉換；MSP430F435內部具有256Byte用戶可編程Flash存儲器，用于存放流量計的相關重要參數(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 智能螺旋流量計結構框圖     

    2.1　傳感器輸出及信號調理電路

    螺旋流量計的信號輸入部分主要由傳感器和信號放大調理部分組成。信號傳感器由上面的介紹可知是一個無源傳感器，其通過葉片切割磁感應線產(chǎn)生一個周期性的波形。

    傳感器的信號經(jīng)過實際測試發(fā)現(xiàn)，頻率范圍在30～200Hz范圍內，幅值在50mV～300mV范圍之內。因此前置放大電路可以采用運算放大器實現(xiàn)，為了有效的減小共模抑制比CMRR（CommonModeRejectionRatio）的影響，因此放大電路設計成反向放大電路，放大倍數(shù)可以定為47倍。而濾波電路也可以設計成低通濾波電路。具體電路圖如圖3。

     

圖3 信號調理和放大電路

    2.2 HART通信模塊設計

    HART通信模塊由HART調制解調芯片A5191HRT及模數(shù)轉換器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方案。該芯片的數(shù)字接口為標準HART協(xié)議（三線）或其它FSK協(xié)議，DAC為16位分辨率，單調性輸出。采用回路供電方式，內含電源調整器能夠從電流環(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，數(shù)模轉換器采用∑-Δ結構DAC核和電流放大器組成，保證16位的分辨率和單調性[4]。A5191HRT是AMISemiconductor公司推出的應用于HART現(xiàn)場儀表的單片CMOS調制解調器，它是單片、半雙工1200b/s速率的頻移鍵控（FSK）調制解調器，可替代SYM20C15；，使用符合Be11202標準FSK頻移鍵控信號，載波為1200Hz和2200Hz；同時內部集成了接收帶通濾波器電路和發(fā)送信號波形整形電路；外接460.8kHz晶體或陶瓷濾波器內部時鐘；振蕩器或者使用外部輸人時鐘；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信號經(jīng)過帶通濾波、放大整形提取出來，解調為數(shù)字信號后，通過UART傳送給MSP430F435，或將從MSP430F435接收到的應答幀信息調制成FSK信號經(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調制輸入ITXD、載波監(jiān)測OCD、請求發(fā)送INRTS、HART的解調輸出ORXD。Loop+與Loop-分別為4～20mA電流環(huán)路兩個端口，VCC為AD421對外部電路提供的3.3V供電電源。由于A5191HRT調制解調工作需要頻率為460.8kHz時鐘信號源，且時鐘信號源的頻率精度要求較高，誤差要求在1%內，而460.8kHz晶體為非標晶體，因此這里可采用MSP430F435外接1.8432MHz的標準晶振，經(jīng)4分頻后與A5191HRT時鐘輸入相連或直接訂購460.8kHz的晶振。

    3 系統(tǒng)軟件設計

    螺旋流量計軟件分為四個部分，一部分是測量程序，負責傳感器信號的采集和處理；一部分是HART協(xié)議通信程序，負責使用HART協(xié)議與其它設備進行通信；一部分是將傳感器信號的頻率通過相應處理轉化成流量。最后一部分菜單設置程序，為用戶提供便利的流量計參數(shù)設置功能。

    3.1 傳感器信號的采集和處理

    系統(tǒng)采用MSP430F435為核心，該單片機具有低功耗模式特點，因此將軟件設計成單片機在程序完成系統(tǒng)各模塊初始化之后進入低功耗模式LPM3[6]，采用定時器作為系統(tǒng)心跳的方式來定時中斷喚醒執(zhí)行測量程序。

    當系統(tǒng)心跳定時器中斷產(chǎn)生時，系統(tǒng)自動執(zhí)行測量程序。但是此時系統(tǒng)會自動的將其它中斷響應屏蔽，為防止在執(zhí)行測量程序時有HART通信的請求，因此在進入心跳定時器時應先將所有屏蔽打開。

    3.2 HART協(xié)議通信程序

    螺旋流量計的HART協(xié)議通信程序根據(jù)HART協(xié)議規(guī)范要求，完成從設備數(shù)據(jù)鏈路層、應用層以及層間接口程序實現(xiàn)HART通信鏈路連接，鏈路仲裁，信號接收、識別、響應和發(fā)送。在系統(tǒng)開始運行時，系統(tǒng)自動對HART協(xié)議通信模塊的初始化配置，配置內容包括MSP430F435內部UART模塊工作方式、通信波特率、數(shù)據(jù)幀格式等。在沒有通信請求時HART協(xié)議通信程序工作在待機狀態(tài)。當A5191HRT的載波檢測輸出腳OCD變?yōu)楦唠娖綍r，此時表明外部有數(shù)據(jù)傳入，此時進入HART通信模塊中斷程序處理。處理包括檢查數(shù)據(jù)幀格式，校驗碼，存放數(shù)據(jù)，執(zhí)行命令，產(chǎn)生應答幀，將應答幀通過UART傳送給A5191HRT，由A5191HRT調制成FSK信號通過AD421疊加在4～20mA電流環(huán)上傳送給主機，在完成應答后，退出中斷子程序，若沒有接收到主機命令的情況下，儀表進入低功耗模式LPM3，利用系統(tǒng)心跳定時器中斷周期性地喚醒并執(zhí)行測量主程序。

    HART協(xié)議通信模塊采用這種接收命令并應答的方式完成現(xiàn)場儀表和主機之間的通信，可以實現(xiàn)通訊主機對現(xiàn)場儀表的各個工作參數(shù)的設置、測量結果的讀取、儀表工作狀態(tài)的檢測等功能，并且具有程序設計靈活的優(yōu)點。

    3.3 傳感器頻率信號處理程序    

    由上文的介紹可知傳感器輸出信號是頻率信號，當頻率信號被濾波放大采集后，MSP430F435需要對頻率進行處理，將其轉化為流量。而由于流體管道中流體流動時可能不穩(wěn)定，存在一定紊流情況，再加上工業(yè)現(xiàn)場可能會有其它電器的干擾，因此頻率信號不會很穩(wěn)定。為了得出準確而又穩(wěn)定的流量，需要通過軟件的處理將干擾和波動去除。

    去除干擾的方法是對頻率信號的周期寬度進行測量，由于流體流速不可能突變，因此如果在檢測的過程中發(fā)現(xiàn)如果突然存在信號周期比正常時的周期一半還小時，可以判定此信號為干擾，應該將其去除。去除波動的方法是使用中值濾波法。在上述去除干擾的基礎上，依次檢測得到8個瞬時流量值，此時將8個中最小的3個和最大的3個去除，再將剩下的兩個進行平均即可。這樣的話可以很有效的減小流量的波動。

    4 結束語

    本設計在基于傳統(tǒng)流量計的基礎上，加入了使用A5191HRT和AD421設計HART協(xié)議通信模塊，提高了流量計與其它儀表或上位機之間的通信聯(lián)系。同時選用了超低功耗的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，降低了系統(tǒng)功耗。

    目前，該智能螺旋流量計已實現(xiàn)批量生產(chǎn)和銷售，并廣泛應用于油田注水站、注聚站等監(jiān)測現(xiàn)場。

    參考文獻

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    [3]沈建華，楊艷琴，瞿驍曙.MSP430系列16位超低功耗單片機原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2004：902247.
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