摘要:針對(duì)儀表使用(yong)現狀,介紹(shao)一種具有(you)HART協議的智(zhi)能式電磁(cí)流量計 。設(she)計了以HART通(tōng)信模塊HT2012和(hé)AD7715、AD421爲主要芯(xīn)片的智能(néng)電磁流量(liàng)計的🚶‍♀️接口(kou)卡。
1電磁流(liu)量計
　　電磁(cí)流量計 的(de)基本原理(lǐ)是法拉第(di)電磁感應(ying)定律，即導(dao)體在磁場(chǎng)中切割磁(ci)力線運動(dòng)時在其兩(liǎng)端産生感(gan)應電動勢(shì)。
E=KBDν
　　式中E:感應(yīng)電動勢,B:磁(ci)感應強度(du),D:管道直徑(jìng),ν:流體平均(jun1)速♌度。流體(ti)的體積流(liú)量qv爲:
 
　　電磁(ci)流量計分(fen)爲流量傳(chuán)感器和轉(zhuǎn)換器兩部(bù)分。傳感器(qi)包括測量(liàng)管,激磁線(xiàn)圈,電極等(deng),将流量信(xìn)号轉換爲(wèi)感應💜電勢(shi),由電極引(yǐn)🙇🏻出;轉換器(qì)将E轉換爲(wèi)标準信号(hao)輸🏃‍♂️出，以便(biàn)進行計📱數(shù)測量。
　　電磁(cí)流量計的(de)測量優點(diǎn)很多，(1)它的(de)測量管是(shi)光滑👅直管(guǎn),不易阻塞(sāi),适用于測(cè)量含有固(gu)體顆粒或(huo)纖維的液(yè)固兩相流(liu)體,如紙漿(jiāng)、煤水漿、礦(kuang)漿、泥漿和(hé)污水等;(2)它(tā)的🏃‍♀️壓力損(sǔn)失小,且前(qián)置直管段(duàn)要💃🏻求較低(dī);(3)輸出線性(xing)，且其體積(jī)流量☎️不受(shòu)流體✔️密度(dù)、粘度、溫度(dù)、壓.力和導(dǎo)電率變化(huà)的影響,抗(kàng)幹擾能力(lì)強;(4)測量範(fan)圍大,量程(cheng)比大,通常(chang)可達20:1~50:1;(5)測量(liang)口徑範圍(wei)寬,從幾mm到(dao)3m,可測正反(fǎn)雙向流量(liàng),也🌍可測脈(mo)動流量。但(dan)它不能測(cè)電導率💋低(dī)的液體,不(bú)能測氣體(tǐ)、蒸汽和含(han)有較🌐多較(jiao)大氣泡的(de)液體的流(liú)量,如石油(you)制品🤩,有機(ji)溶劑等。
　　智(zhi)能化的電(dian)磁流量計(jì)是數字信(xin)号和模拟(ni)信号混合(he)的變送器(qi),在普通電(diàn)磁流量計(ji)的基礎上(shàng)結合HART通信(xin)協議,可以(yǐ)實現流量(liàng)儀表智能(neng)化,适應現(xiàn)場總線🈲控(kòng)制系統的(de)要求。
2HART協議(yì)
　　HART(HighAddressableRenoteTransducer可尋址遠(yuan)程傳感器(qi)高速通道(dào))通信協議(yi)是一種過(guò)渡性協議(yì),它🔴參照“ISO/OSI”的(de)模型标準(zhun),簡化并引(yǐn)用其中三(san)層,即物理(li)⛱️層,數據鏈(lian)路層和應(ying)用層制定(ding)而成;采用(yòng)FSK(頻移鍵控(kòng))技術,在一(yi)條電纜線(xian)上同時✍️傳(chuán)輸4~20mADC的模拟(ni)⁉️信号和數(shù)字信号,使(shǐ)模拟信号(hào)和數字雙(shuang)向通訊能(néng)🧡同時進行(háng),互不幹擾(rao)。如圖1,在4~20mADC基(ji)礎_上疊🥵加(jiā)幅度爲±0.5mA的(de)👄不同頻率(lü)的正弦調(diao)制波作爲(wèi)數字信号(hào),1200Hz頻率代表(biǎo)🈚邏輯“1”，2200Hz代表(biao)✍️邏輯“0”。其❤️傳(chuan)送速率爲(wei)1200bit/S。
 
　　HART通信可以(yǐ)有點對點(dian)或多點連(lian)接模式。傳(chuán)輸介質一(yī)般爲雙纜(lan)線;當傳輸(shū)線路較長(zhang)時,可用屏(ping)蔽雙絞線(xian)📱。HT2012是專門爲(wei)HART産品⛱️而設(shè)計生産的(de)，具有價格(ge)便宜、功耗(hào)低的特點(diǎn)。它包括調(diào)制器、解調(diao)器、載波監(jiān)測電路和(he)時基電路(lù),如圖2。時基(jī)電路外接(jiē)⛷️.460.8kH的振蕩頻(pin)率信号,調(diào)制器将由(yóu)IIXD引腳輸入(rù)的數字信(xìn)号調制成(cheng)FSK信号，從OXTA端(duan)💋輸出;解調(diao)器将✔️從RXA引(yin)腳輸入的(de)FSK信号解調(diao)成數字信(xìn)🐕号，由ORXD端輸(shū)出。調制器(qì)和解🈲調器(qi)的工作受(shou)NRTS端輸入電(diàn)平的控制(zhi)，NRTS端子與CPU的(de)I/O口相連,可(kě)以由CPU來控(kong)制調制器(qi)☔和解調器(qì)💜的工作狀(zhuàng)态，其通信(xin)爲半雙工(gong)方式🌍。當NRTS輸(shū)⭐入爲低電(dian)平“0”時,調制(zhi)器工作,解(jie)調器輸出(chu)不定;當NRTS端(duan)輸入爲高(gao)電🐕平“1”時,解(jiě)調器工作(zuo),調制器呈(cheng)高阻狀态(tai)㊙️。
 
　　HART協議通信(xin)電路由CPU、數(shù)模轉換器(qi)AD421、HART通信模塊(kuai)HT2012、波形整形(xíng)電🆚路和帶(dai)通濾波器(qi)組成。CPU輸出(chū)的與被測(ce)參數成比(bǐ)例的數字(zì)信号，經AD421轉(zhuan)換爲4~20mA電流(liu)輸出。同時(shí),需進行數(shù)字通信🍓的(de)二進制數(shù)字信号由(yóu)🌂串行口💘發(fā)送端RX輸出(chu)至HT2012調制爲(wei)😍FSK信号,再經(jing)✨波形整形(xing)電路送至(zhi)AD421,疊加到4~20mA直(zhi)流信号上(shàng)。
3AD7715和AD421
　　AD7715是一種(zhǒng)帶有模拟(nǐ)前置放大(dà)器的A/D轉換(huan)芯片，是一(yī)種用于👌低(di)頻測量的(de)芯片,它可(ke)直接接受(shòu)電磁流量(liàng)計的直流(liu)低電平輸(shū)入💜信号并(bìng)輸出串行(hang)數字信号(hao)。該芯片采(cai)用2A轉換技(jì)術,具有16位(wei)的精度高(gao)模數轉換(huàn)特性,有良(liang)好🌈的抗幹(gàn)擾性，有自(zi)校準和系(xì)統校準的(de)功✨能,可以(yi)消除🔞零點(diǎn)誤差,滿🈲量(liàng)程誤差和(he)📧溫度漂移(yí)的影響。AD7715的(de)模拟輸入(rù)爲差動方(fāng)式🚶‍♀️,有單極(jí)性和雙🙇🏻極(ji)性輸入,信(xìn)号範圍可(kě)🌍選。前置放(fang)大器有1、2、32、128四(sì)種增益可(kě)選,有⭕4個片(piàn)内寄存器(qi)，對它的編(bian)程可以實(shi)現增益選(xuǎn)擇、信号極(jí)性、輸出數(shu)據速率、自(zi)動校準和(hé)AD轉換等功(gong)能。這裏用(yong)AD7715作爲模數(shu)轉換芯片(pian)。
　　AD421是一種16位(wei)串行輸入(ru)、4~20mADC電流輸出(chu)的數模轉(zhuan)換器,非線(xiàn)形誤💔差小(xiǎo)于±0.01%。主要由(you)數模轉換(huàn)器,電流轉(zhuan)換器和電(diàn)流調整器(qì)組成。AD421的電(dian)流輸出有(you)正常和報(bao)警兩種模(mo)式。正常模(mo)式對應4~20mADC輸(shū)出,報警模(mó)式輸出電(diàn)流擴展爲(wèi)3.5~20mADC。電壓調整(zhěng)器由運放(fang)能隙基準(zhun)和外接耗(hào)👈盡型場效(xiao)應管構成(chéng)。電壓調整(zhěng)器從電流(liú)回路中獲(huò)取電流，,并(bìng)給AD421及其他(tā)器件提供(gong)工作電流(liú)🔅。在此設計(jì)中,選擇AD421作(zuò)爲數模轉(zhuǎn)換芯片,它(ta)可以爲其(qi)他芯片提(ti)供工作電(diàn)壓，還可以(yi)将CPU輸入的(de)🏃‍♂️數字信号(hao)轉換爲4~20mADC電(dian)流輸出，并(bìng)💘将數字信(xìn)🙇‍♀️号疊加在(zài)4~20mADC電流上一(yi)起輸出。
4智(zhì)能式電磁(ci)流量計
 
　　圖(tú)3爲采用HART通(tong)信技術的(de)智能式電(diàn)磁流量計(ji)的原理框(kuang)圖,整個系(xì)統由電磁(ci)流量計、CPU、AD7715、AD421和(hé)HT2012通信部分(fen)組成。CPU采用(yòng)MCS-51微❓處理器(qi)。流量信号(hào)g.經電磁流(liú)量計轉換(huàn)後,輸出的(de)0~5V電壓🐪信号(hào)加在AD7715的輸(shū)入端上,經(jīng)過AD7715轉💃🏻換爲(wèi)數字信号(hào)實現A/D采樣(yang);AD7715采用三線(xiàn)串行口與(yu)CPU相連。HART通信(xìn)部分由✂️HT2012、帶(dài)通濾波器(qi)和輸出波(bō)形整形電(diàn)路等組成(cheng)。AD421及電壓調(diào)整電路,将(jiāng)🈚CPU輸出的數(shù)字信号轉(zhuǎn)換爲4~20mADC電流(liú)信✨号,作爲(wèi)整機輸出(chū)，實現D/A轉換(huan)。另外,由HART通(tong)信模塊輸(shu)出的經🐕過(guo)整形後的(de)FSK信号,也經(jīng)AD421-起疊加輸(shū)出，實🔞現數(shù)字信号和(he)模拟信号(hào)同時輸出(chū)。AD421自帶的⛱️電(dian)壓調整電(dian)路可将變(biàn)送器的24V供(gòng)電電壓轉(zhuan)換🔅成穩定(ding)的5V電壓，給(gěi)CPU、A/D.D/A等芯片供(gong)電。系統還(hái)配備了WDT監(jian)控電路，和(he)電磁流量(liang)計的勵⛷️磁(cí)電路。
　　該系(xi)統的軟件(jian)有測控程(chéng)序和通信(xìn)程序。測控(kong)程序包括(kuò)A/ID采樣程㊙️序(xù)、量程轉換(huàn)程序、非線(xian)性補償程(chéng)序、D/A轉🌈換程(chéng)⭐序等;通信(xìn)程序包括(kuo)實現HART協議(yì)數據鏈路(lù)層和應用(yòng)層的軟件(jiàn)。

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