摘要:針對(duì)儀表使(shǐ)用現(xiàn)狀,介(jiè)紹一種具(jù)有hart協(xié)議的(de)智能式電(diàn)磁流量計(jì) 。設計了以(yǐ)hart通信模塊ht2012和ad7715、ad421爲(wèi)主要芯片(piàn)的智能電磁流(liú)量計的接(jiē)口卡(kǎ)。
1電磁流量計
　　電(diàn)磁流量計 的(de)基(jī)本原理是(shì)法拉(lā)第電磁感(gǎn)應定律，即(jí)導體在磁(cí)場(chǎng)中切割(gē)磁力(lì)線運(yùn)動時在其(qí)兩端産生感應電動(dòng)勢。
e=kbdν
　　式中e:感(gǎn)應電動勢,b:磁感應強度(dù),d:管道直(zhí)徑,ν:流體平均速(sù)度。流體的體積(jī)流量(liàng)qv爲:
 
　　電磁流(liú)量計(jì)分爲流量(liàng)傳感器(qì)和轉換(huàn)器兩部(bù)分(fèn)。傳感器包括測量管(guǎn),激磁(cí)線(xiàn)圈,電極等,将(jiāng)流量信号轉換爲感應電(diàn)勢,由電極引出(chū);轉換器(qì)将e轉換(huàn)爲标(biāo)準信(xìn)号輸(shū)出，以便進行計(jì)數測(cè)量。
　　電磁流(liú)量計(jì)的測(cè)量優(yōu)點很多(duō)，(1)它的測量管(guǎn)是(shì)光滑直(zhí)管,不(bú)易(yì)阻塞,适(shì)用于測量含有(yǒu)固體(tǐ)顆粒(lì)或纖(xiān)維的(de)液固(gù)兩相(xiàng)流體,如紙漿、煤(méi)水漿(jiāng)、礦漿、泥漿(jiāng)和污水等;(2)它的(de)壓力損失小,且(qiě)前置(zhì)直管(guǎn)段要(yào)求較低;(3)輸出線(xiàn)性，且其體(tǐ)積流(liú)量不受(shòu)流體密(mì)度、粘度(dù)、溫度、壓.力和導電率變(biàn)化的影響(xiǎng),抗幹擾能力強;(4)測量(liàng)範(fàn)圍大,量(liàng)程比大,通常可達20:1~50:1;(5)測(cè)量口徑範圍寬(kuān),從幾mm到3m,可測正(zhèng)反雙(shuāng)向流(liú)量,也可測脈動(dòng)流量(liàng)。但它不能(néng)測電(diàn)導率低的液體(tǐ),不能測(cè)氣(qì)體、蒸(zhēng)汽和(hé)含(hán)有(yǒu)較多(duō)較(jiào)大氣泡(pào)的液(yè)體的流量,如石(shí)油制品,有(yǒu)機溶(róng)劑等(děng)。
　　智(zhì)能(néng)化的(de)電磁流(liú)量計是(shì)數字信号和模(mó)拟信号混合的變送器(qì),在普通(tōng)電磁流量計的(de)基礎(chǔ)上結(jié)合hart通(tōng)信協議,可(kě)以實現流(liú)量儀表智(zhì)能化,适(shì)應(yīng)現場總線控制系統的要(yào)求。
2hart協議
　　hart(highaddressablerenotetransducer可尋址遠程傳感(gǎn)器高速通道)通信協(xié)議是(shì)一種(zhǒng)過渡性協議,它參照(zhào)“iso/osi”的(de)模型标(biāo)準,簡化并引用其中三層,即物(wù)理層,數據(jù)鏈路層和應用層制(zhì)定而(ér)成;采用fsk(頻(pín)移(yí)鍵控)技術,在(zài)一條(tiáo)電(diàn)纜線上同時(shí)傳(chuán)輸(shū)4~20madc的模(mó)拟信号和數字信号,使模拟信号和數字雙向(xiàng)通訊(xùn)能同時進(jìn)行,互不幹(gàn)擾。如(rú)圖1,在(zài)4~20madc基礎_上疊加幅度爲(wèi)±0.5ma的不同頻率的正弦(xián)調制波作(zuò)爲(wèi)數字信号,1200hz頻率代(dài)表邏輯(jí)“1”，2200hz代表邏(luó)輯“0”。其(qí)傳送速率(lǜ)爲1200bit/s。
 
　　hart通信可(kě)以有(yǒu)點對(duì)點或多點(diǎn)連接模式。傳輸(shū)介質(zhì)一般(bān)爲雙(shuāng)纜線;當傳(chuán)輸線(xiàn)路較長時(shí),可用(yòng)屏蔽雙絞(jiǎo)線。ht2012是(shì)專門爲hart産品而(ér)設計(jì)生産的，具(jù)有價格便宜、功(gōng)耗(hào)低的特點。它(tā)包括(kuò)調制器(qì)、解調器、載波(bō)監測電路(lù)和時(shí)基電路,如(rú)圖2。時基電路外(wài)接.460.8kh的振蕩(dàng)頻率信号(hào),調(diào)制器将由(yóu)iixd引(yǐn)腳輸入的數字信号(hào)調制成fsk信号，從(cóng)oxta端輸出;解調器将從(cóng)rxa引腳輸入的fsk信号解調成數字信(xìn)号，由orxd端(duān)輸出(chū)。調制器和(hé)解調器(qì)的工作(zuò)受nrts端輸入(rù)電平(píng)的控(kòng)制，nrts端子與(yǔ)cpu的i/o口相連(lián),可以(yǐ)由cpu來控(kòng)制調制(zhì)器和解調器的工作狀(zhuàng)态(tài)，其通(tōng)信爲半雙(shuāng)工方(fāng)式。當nrts輸(shū)入爲低(dī)電平(píng)“0”時,調制器(qì)工作(zuò),解調器輸(shū)出不定;當nrts端輸(shū)入爲(wèi)高(gāo)電平“1”時,解調器工作,調制器(qì)呈高阻狀态。
 
　　hart協(xié)議(yì)通信電路由cpu、數模(mó)轉換器ad421、hart通信模塊ht2012、波(bō)形整形電路和(hé)帶通濾波器組成。cpu輸(shū)出的與被(bèi)測參數成比例(lì)的數(shù)字信号，經(jīng)ad421轉換爲(wèi)4~20ma電流輸(shū)出。同(tóng)時,需進行(háng)數(shù)字通信的二(èr)進制(zhì)數字(zì)信号(hào)由串行口(kǒu)發送(sòng)端rx輸出(chū)至ht2012調制(zhì)爲fsk信号,再經波(bō)形整形電(diàn)路送(sòng)至ad421,疊加到(dào)4~20ma直流信号上。
3ad7715和ad421
　　ad7715是一(yī)種帶有(yǒu)模拟前置放大器的a/d轉(zhuǎn)換芯片，是(shì)一種(zhǒng)用于低頻測(cè)量(liàng)的芯片,它(tā)可直接接受電磁流(liú)量計(jì)的直(zhí)流低(dī)電平(píng)輸(shū)入(rù)信号(hào)并輸出串行(háng)數(shù)字信号。該芯片(piàn)采用(yòng)2a轉換(huàn)技術(shù),具有16位的精度(dù)高模數轉換特(tè)性,有(yǒu)良好(hǎo)的抗(kàng)幹擾性，有(yǒu)自校準和(hé)系統(tǒng)校準(zhǔn)的功能,可以消(xiāo)除零點誤差,滿(mǎn)量程(chéng)誤差和溫(wēn)度漂移的(de)影響(xiǎng)。ad7715的模(mó)拟輸(shū)入爲差動方式,有單(dān)極(jí)性和雙極性輸入(rù),信号範圍(wéi)可選。前(qián)置放大器有1、2、32、128四種增益(yì)可選,有4個片内(nèi)寄存(cún)器，對它的(de)編程可以(yǐ)實現增益選(xuǎn)擇、信号(hào)極性、輸(shū)出數據(jù)速率、自動校準(zhǔn)和ad轉換(huàn)等功能(néng)。這裏用(yòng)ad7715作(zuò)爲模(mó)數轉換芯片。
　　ad421是(shì)一種16位(wèi)串行輸(shū)入、4~20madc電(diàn)流輸出的(de)數模轉換器,非(fēi)線形誤差(chà)小于±0.01%。主要由數(shù)模轉換器,電流轉換(huàn)器和(hé)電(diàn)流調整(zhěng)器組(zǔ)成。ad421的(de)電流(liú)輸出有正常和(hé)報警兩(liǎng)種模式。正常模(mó)式對應4~20madc輸出,報警(jǐng)模式(shì)輸出電流擴展(zhǎn)爲3.5~20madc。電壓調(diào)整器由運放能隙基(jī)準和外(wài)接耗盡型場效(xiào)應管構(gòu)成。電壓調(diào)整器(qì)從電(diàn)流回路(lù)中(zhōng)獲取電流(liú)，,并給(gěi)ad421及其(qí)他器(qì)件提(tí)供工(gōng)作電流。在此設(shè)計(jì)中,選擇(zé)ad421作爲數模轉(zhuǎn)換(huàn)芯片,它可(kě)以爲(wèi)其他芯(xīn)片(piàn)提供(gòng)工作電壓，還可以将cpu輸入(rù)的數(shù)字信号轉換爲(wèi)4~20madc電流輸出(chū)，并将(jiāng)數字(zì)信号疊加(jiā)在4~20madc電流上(shàng)一起(qǐ)輸出。
4智能式電(diàn)磁流量計
 
　　圖3爲(wèi)采用hart通信技術(shù)的智能式(shì)電磁流量(liàng)計的原理(lǐ)框(kuàng)圖,整個(gè)系統(tǒng)由電磁流量(liàng)計(jì)、cpu、ad7715、ad421和ht2012通(tōng)信部(bù)分組成。cpu采用(yòng)mcs-51微(wēi)處理(lǐ)器。流量信号g.經電磁流量計轉(zhuǎn)換後(hòu),輸出(chū)的0~5v電(diàn)壓信号加在ad7715的(de)輸入端上(shàng),經過(guò)ad7715轉換(huàn)爲數字信号實現a/d采(cǎi)樣;ad7715采用三(sān)線串行(háng)口(kǒu)與cpu相(xiàng)連(lián)。hart通(tōng)信部分由ht2012、帶通濾波(bō)器和輸出波形(xíng)整形(xíng)電(diàn)路等組(zǔ)成。ad421及電壓(yā)調整電路,将cpu輸出的數字信号(hào)轉換(huàn)爲4~20madc電(diàn)流信号,作(zuò)爲(wèi)整機輸出，實(shí)現d/a轉(zhuǎn)換(huàn)。另外,由(yóu)hart通信(xìn)模塊輸出(chū)的經過整(zhěng)形後的fsk信号,也經ad421-起(qǐ)疊(dié)加(jiā)輸(shū)出，實現(xiàn)數字信号(hào)和模拟信号同(tóng)時輸(shū)出。ad421自(zì)帶(dài)的電壓(yā)調整(zhěng)電路可将(jiāng)變送器的24v供電(diàn)電壓(yā)轉換成(chéng)穩(wěn)定的5v電(diàn)壓(yā)，給cpu、a/d.d/a等(děng)芯片供(gòng)電。系統(tǒng)還配備了wdt監控電(diàn)路，和電磁流(liú)量計(jì)的勵(lì)磁電路。
　　該(gāi)系統的軟件有測控程序(xù)和通信程序。測(cè)控程序包(bāo)括a/id采(cǎi)樣程序、量(liàng)程轉換程序、非(fēi)線性補償(cháng)程序(xù)、d/a轉換(huàn)程序(xù)等;通信程序(xù)包(bāo)括(kuò)實現hart協(xié)議數據鏈(liàn)路層(céng)和應用層的軟(ruǎn)件。

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