由單片機控制的低頻勵磁電流輸出到傳感器的勵磁線圈中,同時來自電磁流量傳感器的微小電勢信號經前置放大后通過AD模數轉換電路送入到單片機。單片機對這些信號進行數據采集,分析處理送至液晶顯示屏進行瞬時流量和累積流量的顯示。同時單片機通過計算公式對得到的流量值進行補償,將補償后的流量信號通過HART通訊模塊實現與上位機的遠程通訊。
3.1 HART通訊模塊設計
HT2012芯片用來實現HART協議中通訊信號的解調及調制過程。圖2為調制解調器與微處理器的連接。
HART信號的解調過程:由帶通濾波器輸出的脈沖信號進入HT2012后,調制解調器分別將脈沖信號中的1200Hz和2200Hz解調為數字1和0,再將數字信號由HT2012的ORXD端口輸出,CPU對接收到的數據進行判斷并執行相應的任務。
圖2 HART接口電路3.2 HT2012與外部接口
HART數字信號規范是峰值為1mA、平均值為0mA正弦交流電流信號,此信號經線路阻抗轉化為正弦交流電壓信號,而HT2012輸入和輸出信號是0~5V的方波信號,因此在HT2012和外部的HART信號之間還需要有濾波電路和整形電路。
如圖3所示,由TLC27組成的濾波器是帶通濾波器,用來減少接收信號的噪聲干擾。濾波器還用來消除波形中的尖峰,從而使接收到的信號變得平緩。TLC37組成的數字方波產生回路把經過TLC27濾波后的正弦波轉變成相應的方波,以便于HT2012接收。
如圖4所示,緩沖器74HC126的作用是使方波的上升沿和下降沿趨于平緩,使信號滿足HART物理層規范所要求的信號波形上升沿和下沿的時要求,因為較平緩的上升沿和下降沿時間可以降低與其它網絡間的串擾。
HT2012需要外部提供460.8kHz的時鐘信號,且要求時鐘頻率的誤差是±0.1%,若直接入一個460.8kHz的晶振不僅會引起系統功耗的增加,而且該晶振屬于非標準晶振,需專門定制。為了解決這一問題,在系統中采用一片1.8432MHz的晶振以產生時鐘信號,再經分頻器CD4013進行4分頗,可輸出1.8432MHz /4=460.8kHz的分頻信號供HT2012使用。
AD421其內部的電壓調節器與外部的場效應管DN25D對輸入到AD421的電壓進行調整,可提供+3.3V電壓作為其他設備的電源。HART發出的FSK信號,經過一個電容耦合送到AD421中,轉換成相應的±0.5mA正弦電流信號,實現電壓信號到電流信號的轉換,同時,疊加在4~20mA的電流上送給接收設備,實現了HART協議的信息的交換。本電路耦合電容取為0. 0033μF.
4 HART通訊協議的軟件實現
4.1智能電磁流量計串口中斷程序[5]
在串行口中斷服務程序中,首先保護現場,然后判斷是接收中斷還是發送中斷,若為接收中斷則執行接收服務子程序,否則執行發送服務子程序。中斷處理結束后,恢復現場并返回系統主程序。HART通信采用水平和垂直校驗的方法。當檢測到接收數據有差錯時,則等到主設備命令幀發完后,通知主設備數據接收有誤。主設備則重新發命令幀,從而保證通信的準確可靠。HART串口中斷子程序流程圖如圖5所示。
圖5串口中斷程序
4.2 HART命令拆分子程序[6][7]
在對命令幀響應之前先要將該幀拆分,即首先判斷該幀前導碼是否正確,每接收一個前導碼,計數器加1.再接收定界符,若為有效的定界符且前導碼計數器大于1,則為HART幀的起始位置,根據定界符確定HART幀的類型,若為應答幀或成組模式幀則終止接收服務,等待載波結束;若為請求幀,則確定幀格式,設置接收長幀格式或短幀格式地址計數值,短幀格式地址接收1個字節,長幀格式地址接收5個字節。再接收命令號,數據字節長度字節,若數據字節長度字節出現奇偶校驗錯誤則終止接收服務,等待載波結束;否則設置數據字節長度計數器,每接收一個數據字節,長度計數器減1,最后接收水平校驗和。若接收請求地址匹配,對接收的HART幀異或求水平校驗和,并與接收水平校驗和進行比較,相同則表示無通訊錯誤,否則置水平校驗和錯誤標志為1,結束接收服務并轉入HART命令執行子程序。命令幀拆分程序流程如圖6所示。
圖6 HART命令幀拆分程序流程圖
5結論
對研制的智能電磁流量計進行試驗表明:該流量計集成化程度高、功能強、操作方便、性能可靠;具有自診斷、自檢定功能和HART數據通訊功能;可測正反兩個方向流量,也可測脈動流量;抗電磁干擾和溫度性能好,適合于現場測量和顯示;測量范圍大,準確度高。
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