基于HART通信协议智能螺旋流量计的设计

0　引言

    工业仪表设备向数字化、网络化的变迁是整个仪表行业发展必然趋势。但是当前现场总线控制系统在功能上还不能完全取代已经发展的比较完善的DCS。在这种情况下,HART(highway addressable remote transducer)协议作为一种兼容原有4~20mA模拟信号的数字通讯方式产生^[1]。

    本文介绍的HART协议智能变送器采用两线制传输方式,这种设计方式既能给流量计提供电能,又能传输模拟和数字信号。这就要求流量计系统需要实现低功耗。 1　工作原理

    螺旋流量计传感器原理可以简单用磁化线圈来说明。当管道中有流体流过时,流体的流动会带动管道中的叶片转动。此时叶片切割螺旋流量计传感器的磁场,产生一个毫伏级周期性波形,波形频率与流体流速有关。这样通过对周期性波形频率测量就能得到流体流速。HART传输则是在此基础上,通过AD421产生4~20mA电流,利用专为实现HART协议而设计的调制解调器芯片A5191HRT来将需要传输的信息调制成FSK (Frequency ShiftKeying)信号或将接收外部传送的FSK信号解调成数字信息传输给MCU。

    HART协议规定的信号频率(1200Hz代表,l 2200Hz代表0)和传输速率(1200bit/s)符合美国Bell 202标准。HART信号波形如图1,这些音频正弦波的平均值为零,所以在现存的模拟信号中不增加直流成分。因此,在2根线上可以同时传送互不影响的模拟和数字信号。HART协议采用半双工的通信方式,在HART通信过程中主机上位机发送命令帧,现场设备通过串行口终端接收到命令帧后由通信单元作相应的数据处理产生应答帧触发发送终端后发出应答帧,从而完成一次命令交换。在发送应答帧之后再次进入等待状态等待下一条主机命令。正是由于HART协议的这种优点,使它成为工业现场广泛应用的工业标准^[2]。

2　系统硬件设计

    系统总体框图如图2所示,流量计采用的16位嵌入式微处理器MSP430F435是TI公司面向低功耗仪表领域推出的16位微处理器。工作电压范围为1. 8~3. 6V,最低耗电电流为0·1μA。可以通过灵活地使用多种频率时钟源来实现低功耗。如采用中断控制,数字控制的振荡器(DCO)在小于0. 6μs的时间内可以使系统从低功耗省电模式唤醒,激活到活动模式工作,当系统处理完中断后,可通过软件控制自动进入低功耗省电状态[3]。从而为低功耗的实现提供了可能。MSP430F435内集成了128段液晶驱动器,可以直接驱动段码式液晶显示器,省去了传统单片机系统外围液晶驱动电路;微处理器内部集成12位逐次比较型A/D转换器,可编程内部或外接基准源,用来对放大调理后的电压信号进行转换;MSP430F435内部具有256Byte用户可编程Flash存储器,用于存放流量计的相关重要参数,例如仪表传感器特性曲线参数及校正参数、断电保存的累积流量等。