摘要:介紹一種基于HART協議的金屬管浮子流量計的設計方案。應用磁阻傳感器測量金屬管浮子的角位移,利用HT2015和AD421實現HART協議通信物理層,并敘述了MSP430單片機的軟件編程,實現了各項功能和HART通信。
0引言
金屬管浮子流量計具有靈敏度高、測量范圍寬、壓力損失較小和耐高溫、耐高壓、耐腐蝕等特點,廣泛應用于中小流速流量的工業計量。該流量計利用電容式角位移傳感器測量機械連桿的旋轉角度原理進行設計[1.2],但電路設計復雜,功耗較大,精度不高。HART協議[3]使用FSK技術，在4~20mA模擬信號上疊加頻率信號,使得模擬信號與數字雙向通信同時進行。本文提出一種使用各向異性磁阻式傳感器,應用HT2015和AD421實現HART協議的新型智能金屬管浮子流量計的設計方案。該流量計能實現量程范圍設置小流量切除等功能,具有功耗低、響應快等特點,能替代進口的同類型HART儀表廣泛應用于工業計量。
1系統結構原理
金屬管浮子流量計結構原理圖如圖1所示。它是由一個錐形管和-一個置于錐形管中可以上下自由移動的浮子構成,錐形管垂直安裝,浮子重心與錐管管軸相重合,磁鋼內嵌在浮子中。當流體自下向上流入錐管時,作用在浮子上的力有3個:流體作用在浮子上的動壓力、浮子在流體中的浮力和浮子的重力。當這些力平衡時,浮子就平穩地浮在錐管內某--位置上。對于一臺給定的浮子流量計,浮子在錐管中的位置與流體流經錐管流量的大小成一-*對應關系。而浮子在錐管中的位置決定于浮子的高度,因此，要實現對流量的測量取決于對浮子的高度的測量[4]。
由于浮子上下移動時,其內嵌磁鋼也隨之上下移動，與流量計外部磁鋼形成內外磁鋼磁路耦合,帶動機械連桿旋轉一定角度θ,將信號傳遞給現場顯示器,指示流量大小。故對流量大小的測量轉換為求角位移θ的大小。
2硬件設計
系統的硬件電路以MSP430F149為控制核心，主要有電源模塊和HART協議物理層模塊、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
MSP430F149單片機具有16位的RISC結構,自帶12位的A/D轉換,CPU中的16個寄存器和常數發生器使MSP430F149能達到代碼執行效率,其靈活的時鐘源可以使器件達到最低的功率消耗[5.6]。同時，MSP430F149的FLASH存儲器模塊中有2段信息段存儲器,分別為信息存儲器A和B,每段各為128字節。
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,運用特殊工藝制成的薄膜狀磁阻元件。其原理為:將4個磁阻元件構成一個金剛石狀的惠斯登電橋,如圖3所示。
2.3HART協議物理層
根據HART協議物理層的要求,設計了圖4所示的物理層電路。其中，HT2015是美國SMAR公司推出的專為HART設備設計的第二代低功耗調制解調器,只需外接少量元件即可構成完整的HART信號的調制解調。HT2015內部包含5個主要模塊:振蕩器模塊、控制邏輯模塊、載波檢測模塊、調制與發送波形整形模塊、接收濾波器與解調模塊。
HT2015中引腳ORXD和IIXD分別和MSP430F149的異步:串行通信口發送和接收端相連接。當主設備發送命令時，電流環上的HART信號送到HT2015的接收濾波器進行濾波和解調為“0”,“I”數字信號,單片機接收到有效的HART通信幀后進行命令解釋,然后，返回相應的通信數字信號,經HT2015調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RXA端檢測到有效的輸入時,00端變高,產生中斷,由單片機判斷是否進入接收狀態。NRTS是發送請求端，當CPU要返回命令時，NRTS電平變低,發送數據進入調制與發送波形整形模塊。
AD421是美國AD公司推出的一種單片高性能數模轉換器。它由電流環供電,16位數字信號以串行方式輸入,4~20mA電流輸出,可實現低成本的遠程智能工業控制,兼容HART協議。AD421內部含有電壓調整器可提供+5,+33V或3V輸出電壓，還含有+125,+25V基準電源,均可為其自身或其他電路選用。AD421保證16位的分辨率和單調性，其積分線性誤差為0001%,失調誤差為01%增益誤差為02%。
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