摘要:介紹一種基于HART協(xié)議的金屬管浮子流量計(jì)的設(shè)計(jì)方案。應(yīng)用磁阻傳感器測量金屬管浮子的角位移,利用HT2015和AD421實(shí)現(xiàn)HART協(xié)議通信物理層,并敘述了MSP430單片機(jī)的軟件編程,實(shí)現(xiàn)了各項(xiàng)功能和HART通信。
0引言
金屬管浮子流量計(jì)具有靈敏度高、測量范圍寬、壓力損失較小和耐高溫、耐高壓、耐腐蝕等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于中小流速流量的工業(yè)計(jì)量。該流量計(jì)利用電容式角位移傳感器測量機(jī)械連桿的旋轉(zhuǎn)角度原理進(jìn)行設(shè)計(jì)[1.2],但電路設(shè)計(jì)復(fù)雜,功耗較大,精度不高。HART協(xié)議[3]使用FSK技術(shù)，在4~20mA模擬信號上疊加頻率信號,使得模擬信號與數(shù)字雙向通信同時(shí)進(jìn)行。本文提出一種使用各向異性磁阻式傳感器,應(yīng)用HT2015和AD421實(shí)現(xiàn)HART協(xié)議的新型智能金屬管浮子流量計(jì)的設(shè)計(jì)方案。該流量計(jì)能實(shí)現(xiàn)量程范圍設(shè)置小流量切除等功能,具有功耗低、響應(yīng)快等特點(diǎn),能替代進(jìn)口的同類型HART儀表廣泛應(yīng)用于工業(yè)計(jì)量。
1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理
金屬管浮子流量計(jì)結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。它是由一個(gè)錐形管和-一個(gè)置于錐形管中可以上下自由移動(dòng)的浮子構(gòu)成,錐形管垂直安裝,浮子重心與錐管管軸相重合,磁鋼內(nèi)嵌在浮子中。當(dāng)流體自下向上流入錐管時(shí),作用在浮子上的力有3個(gè):流體作用在浮子上的動(dòng)壓力、浮子在流體中的浮力和浮子的重力。當(dāng)這些力平衡時(shí),浮子就平穩(wěn)地浮在錐管內(nèi)某--位置上。對于一臺(tái)給定的浮子流量計(jì),浮子在錐管中的位置與流體流經(jīng)錐管流量的大小成一-*對應(yīng)關(guān)系。而浮子在錐管中的位置決定于浮子的高度,因此，要實(shí)現(xiàn)對流量的測量取決于對浮子的高度的測量[4]。
由于浮子上下移動(dòng)時(shí),其內(nèi)嵌磁鋼也隨之上下移動(dòng)，與流量計(jì)外部磁鋼形成內(nèi)外磁鋼磁路耦合,帶動(dòng)機(jī)械連桿旋轉(zhuǎn)一定角度θ,將信號傳遞給現(xiàn)場顯示器,指示流量大小。故對流量大小的測量轉(zhuǎn)換為求角位移θ的大小。
2硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的硬件電路以MSP430F149為控制核心，主要有電源模塊和HART協(xié)議物理層模塊、液晶顯示接口及按鍵接口模塊等部分組成,如圖2所示。
2.1MSP430F149單片機(jī)
MSP430F149單片機(jī)具有16位的RISC結(jié)構(gòu),自帶12位的A/D轉(zhuǎn)換,CPU中的16個(gè)寄存器和常數(shù)發(fā)生器使MSP430F149能達(dá)到代碼執(zhí)行效率,其靈活的時(shí)鐘源可以使器件達(dá)到最低的功率消耗[5.6]。同時(shí)，MSP430F149的FLASH存儲(chǔ)器模塊中有2段信息段存儲(chǔ)器,分別為信息存儲(chǔ)器A和B,每段各為128字節(jié)。
2.2傳感器模塊
利用含鐵材料的各向異性原理感測周圍磁場的變化,運(yùn)用特殊工藝制成的薄膜狀磁阻元件。其原理為:將4個(gè)磁阻元件構(gòu)成一個(gè)金剛石狀的惠斯登電橋,如圖3所示。
2.3HART協(xié)議物理層
根據(jù)HART協(xié)議物理層的要求,設(shè)計(jì)了圖4所示的物理層電路。其中，HT2015是美國SMAR公司推出的專為HART設(shè)備設(shè)計(jì)的第二代低功耗調(diào)制解調(diào)器,只需外接少量元件即可構(gòu)成完整的HART信號的調(diào)制解調(diào)。HT2015內(nèi)部包含5個(gè)主要模塊:振蕩器模塊、控制邏輯模塊、載波檢測模塊、調(diào)制與發(fā)送波形整形模塊、接收濾波器與解調(diào)模塊。
HT2015中引腳ORXD和IIXD分別和MSP430F149的異步:串行通信口發(fā)送和接收端相連接。當(dāng)主設(shè)備發(fā)送命令時(shí)，電流環(huán)上的HART信號送到HT2015的接收濾波器進(jìn)行濾波和解調(diào)為“0”,“I”數(shù)字信號,單片機(jī)接收到有效的HART通信幀后進(jìn)行命令解釋,然后，返回相應(yīng)的通信數(shù)字信號,經(jīng)HT2015調(diào)制和波形整形后通過電容器Cz加到AD421的Cz端。O0D為載波檢測輸出,當(dāng)RXA端檢測到有效的輸入時(shí),00端變高,產(chǎn)生中斷,由單片機(jī)判斷是否進(jìn)入接收狀態(tài)。NRTS是發(fā)送請求端，當(dāng)CPU要返回命令時(shí)，NRTS電平變低,發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)入調(diào)制與發(fā)送波形整形模塊。
AD421是美國AD公司推出的一種單片高性能數(shù)模轉(zhuǎn)換器。它由電流環(huán)供電,16位數(shù)字信號以串行方式輸入,4~20mA電流輸出,可實(shí)現(xiàn)低成本的遠(yuǎn)程智能工業(yè)控制,兼容HART協(xié)議。AD421內(nèi)部含有電壓調(diào)整器可提供+5,+33V或3V輸出電壓，還含有+125,+25V基準(zhǔn)電源,均可為其自身或其他電路選用。AD421保證16位的分辨率和單調(diào)性，其積分線性誤差為0001%,失調(diào)誤差為01%增益誤差為02%。
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