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1、1电磁流量计的电磁流量计的 HART 通信设计通信设计刘志梅、陆德康、杨艳、林志良（宁波东海仪表水道有限公司， 浙江 宁波 315181）摘要：本文在简述电磁流量计原理和设计的基础上，重点讨论了电磁流量计的励磁电路和 HART 通信协议，从硬件电路和软件程序两个方面对系统设计进行了阐述。本设计可实现自动化控制，极大便利了电磁流量计的现场应用和维护。关键词：电磁流量计；励磁；HART0 引言电磁流量计由于传感器结构简单、测量精度高、量程比宽、重复性和线性度优良、压损极底、适用范围广等优点1，在石化、电力、冶金、制药等行业和排水、污水处理、引水工程等项目应用广泛2。 现场总线技术作为当今自动化领域
2、技术发展的热点之一，可实时、高效、方便可靠地从现场得到详尽的仪表诊断、维护和管理信息。HART 通信协议是一种现场总线过渡性协议，因其具有模拟信号和数字信号兼容的特性，在目前的智能仪表设计中有着广泛的应用。通过 HART 协议，在原有的 4-20mA 回路上叠加频率信号，即可实现对现场仪表的量程、阻尼等参数的设置，过程变量的监控，故障的判断，实现双向通信3。本文在研发新型电磁流量计 0.5 级、量程比优于 50:1，励磁电流 80mA 的基础上，增加了 HART 通信部分的设计。该电磁流量计不仅具有良好的精度、量程比和线性度，同时可方便的与 HART 手抄器和上位机进行可靠通讯。电磁流量计使用
3、广泛、运行环境复杂，HART 通信技术极大的便利了仪表的维护管理、流量数据的通讯和实时监控。1 电磁流量计与 HART 通信基于法拉第电磁感应原理，电磁流量计的关键部件是励磁电路和一对严格对称的电极，电极信号的幅度与流体流速成正比，是一种计量导电液体流量的速度式仪表4。电磁流量计的通讯方式较多，通常包括定量脉冲输出，即一个2脉冲当量代表 1m3 或 0.1m3，常用于累积流量的标定；频率输出，如 0-5KHz或 0-10KHz，以频率代表瞬时流量的大小；RS485 通讯，联合上位机进行Modbus 或 485 通讯，实现流量数据的传递，是一种数字通讯方式；4-20mA 电流输出，电流代表瞬时流
4、量的大小，常用于报警或者控制。HART 是在原有 4-20mA 环路的基础上，叠加数字信号进行双向通讯。采用 HART 通讯，不仅可以获取仪表的过程变量如瞬时流量、4-20mA 电流等，还可获得其他类型的信息，如设备状态和诊断报警；基于协议，仪表的互操作性强。HART 手抄器的应用，使得现场维护和诊断更为的有效。本文的电磁流量计的 HART 通讯设计，从 HART 协议命令出发，除包括通用命令和常用命令外，主要在于专有命令的实现。通用命令仅能实现阻尼、量程上限、下限等基本参数的设置及极少过程变量的监控。要实现电磁流量计的灵活控制和完备功能，需增加专有命令，电磁流量计的关键参数如口径、累积流量、
5、报警功能、小流量修正等。2 系统硬件设计仪表总体结构如图 1 所示。仪表的主芯片采用 TI 的微功耗芯片MSP430F5418A，主要包含励磁电路、信号处理模块、4-20mAHART 通讯模块以及按键、显示和存储部分。MSP430 F5418A信号处理D/A转换模块 （AD421）HART调制解调模块 （A5191HRT）按键显示4-20mA发送接收传感器励磁电路存储器图 1.仪表系统总体结构框图仪表系统初始化上电后，主芯片定时控制励磁电路产生三值波励磁信号5，电磁流量计传感器感应到励磁信号后，在对称电极间产生微弱的电压信号，即与流速成正比的流量信号。经过信号处理电路后，主芯片计算瞬时流量以及
6、累3积流量等实时测量数据，送数据库存储并显示。AD421 模块对测量的瞬时流量进行 4-20mA 的转换，A5191HRT 调制解调模块配合实现 HART 通讯功能，调制或者解调 4-20mA 环路上的 FSK 频率信号。按键和显示用于对系统菜单的设置，如口径、阻尼、量程范围等参数的设置。此外，本系统还包含红外通讯、掉电检测模块、RS485 通讯模块、0-10KHz 频率输出模块等，因不是本文的重点，不详细叙述。2.1 励磁模块设计励磁电路是电磁电流计的关键技术之一，传感器的工作磁场由励磁电路产生，与仪表测量的准确度息息相关。励磁电路用于提供低频三值矩形波。要提供稳定变化的磁场，需解决的核心问
7、题是恒定的励磁电流，即恒流源和励磁电流频率的稳定控制。图 2.励磁电路及对应的三值波输出图 2 为本文电磁流量计的励磁电路。当三极管 BGN1、BGN4 导通，励磁电流从 K1 流向 K2；当三极管 BGN1、BGN2、BGN3 和 BGN4 均不导通，无励磁电流，当三极管 BGN2、BGN3 导通，励磁电流从 K2 流向 K1，因此产生恒流三值波，如图 2，第一、二、三、四三极管也可以是达林顿管。2.2 HART 通信模块设计图 3 为 HART 通讯模块原理框图，包括三大部分：主芯片，DA 转换模块4和调制解调模块。基本的原理如下：主芯片将测量的瞬时流量通过 DA 转换模块形成 4-20m
8、A 电流环路；HART 信号是叠加在 4-20mA 电流上的频率信号，HART 调制解调模块从 4-20mA 环路上通过 IRXA 脚接收 HART 信号进行解调，解调后的消息通过 ORXD 脚传送给主芯片，即电磁流量计；主芯片的回复信号通过 TXD 脚传送给 HART 模块，HART 模块对其进行调制后，从 OTXA 脚输出 DA 转换模块，由 AD421 叠加到 4-20mA 回路上。从而，形成了一个完整的HART 通讯过程。载波检测MCU 主主芯芯片片 （Msp430）DA转换模块 （AD421）HART调制解调模块 （A5191HRT）ORXDITXDRXDTXD4-20mA回路OTX
9、AIRXAINRTSOCD调制解调选择图 3.HART 通讯模块的原理框图5图 4-1 HART 模块原理图A5191HRT 连线图6图 4-2 HART 模块原理图AD421 连线图图 4 为 HART 通信模块的原理图。主芯片 MSP5418A 通过通用串行接口与A5191HRT 的 ORXD 和 ITXD 进行数据通信。OCD 引脚为载波检测引脚，当4-20mA 电流环路上监测到频率信号时，引脚上出现下降沿信号。调制解调所需的时钟源信号可由 460.8KHz 的晶振提供或者由主芯片提供。本设计中采用7.3728MHz 进行 16 分频得到。本电磁流量计的电源系统可由 AD421 的 16
10、 脚提供，当 LV 引脚接地时，VCC 为 5V。通过一个稳压芯片稳压至 3V，可以提供给主芯片及其他外围芯片工作。若存在背光板，对应的发光二极管驱动电流较大，亦可从 4-20mA 环路上取电压以专供背光板的驱动。三极管 Q1 的存在，减小了系统的功耗，稳压管 D6、D7 起保护作用，以防止场效应管 Q3 损坏时的高电压导致主芯片或者其他芯片的损坏。3 系统软件设计HART 通讯的实现从 0 号命令的寻址开始，所有的通讯围绕命令展开。电7磁流量计上电复位后，首先进行端口和参数的初始化操作6，例如设置主芯片的 UART 通用串行口、波特率等等，从而开启相应的中断允许，进入等待状态。A5191HR
11、T 的 INRTS 引脚为发送或接收控制引脚，通常情况下置高电平，接收允许，当 OCD 载波检测引脚上有下降沿时，触发接收中断。MCU 在主程序中对接收数据进行处理并生成待发送的应答帧。此时转换 INRTS 为低电平允许发送，发送的数字信号经过 A5191 调制后加入到 4-20mA 电流环路上，回送给主机，发送完成后 INRTS 置高电平允许下次接收，进入低功耗等待状态。中断入口设备地址相符接收主机命令帧校验出错发送应答帧中断返回出错处理接收数据处理YNY接收数据帧N图 5.HART 通信程序流程图在 HART 通讯的软件设计中，校验位的计算以及某些指令中涉及到 Packet -ASCIIA
12、 码的应用，需严格按照 HART 通信协议进行相应的子程序编写。校验位采用纵向奇偶校验，从起始字节开始到奇偶校验前一个字节止，即对每个字节进行异或操作。另外，每一个字节都有 1 位的奇校验位，这两者的结合可以检测出 3 位的突发错误。4 结语该电磁流量计充分利用了微功耗处理芯片 MSP430F5418A 内部功能模块，8性能优、可靠性高。HART 通信功能完善，在实际的电磁流量计生产和检验中，能够可靠有效的与上位机和手抄器进行通讯，可实现自动化控制，极大地便利了现场的应用和维护。参考文献1周杏鹏.现代检测技术M.北京：高等教育出版社,2004.2孙淮清.流量仪表技术发展与趋势J.自动化与仪器仪
13、表,2009(1):1-4.3孔祥伟,周杏鹏.基于 HART 协议的智能涡街流量计的设计与实现J.自动化与仪表,2009(12):13-16.4丁炜,于秀丽.过程检测及仪表M.北京理工大学出版社,2010.5吴晓燕,虞启凯,焦玉成.基于 ARM11 的智能仪表电磁流量计J.仪表技术与 传感器,2013(4):18-21.6顾伟,周建明.A5191HRT 型 HART 调制解调器的原理与应用J.国外电子元器 件,2006(4):28-31.作者简介：刘志梅（1989-），女，江苏人，工学硕士，研究方向：流量仪表 单位：宁波东海仪表水道有限公司 电话：0574-88239525 邮箱：jylzm_
