基于HART协议的智能涡街流量计的设计与实现

　

       在石油化工生产过程的自动检测和控制中，为了有效地操作、控制和监测，需要检测各种流体的流量。涡街流量计在管道内无可动部件，具有压力损失小、运行可靠、维护简单、测量精度高等优点［1］。HART协议智能涡街流量计在输出（4～20）mA模拟信号上叠加数字信号进行双向通信［2］，可传送被测变量、仪表设置参数等多种信息，通过HART手操器可对现场仪表测量范围、阻尼常数等进行远程监控和设置，并能对涡街流量计故障进行自诊断。

    针对涡街传感器在流量较低时存在较大非线性特性问题，微处理器根据其输出特性曲线进行非线性校正，扩展了流量计的测量下限，从而提高了涡街流量计的量程比。

    1 系统工作原理与总体设计

    1.1 工作原理

    涡街传感器信号输出电极上产生的感应电动势是一个交替变化的信号，它的变化频率即为漩涡的分离频率，根据卡门涡街理论，在一定的雷诺数范围内，漩涡分离频率f与流体流量u有确定的关系：

    式中：d为漩涡发生体的特征尺寸；S_t为斯特罗哈尔数。S_t与漩涡发生体宽度d及雷诺数Re有关，当Re在2×10⁴～7×10⁶的范围内，St基本保持不变。

    式（1）表明，当d与S_t为定值时，漩涡产生的频率f与流体的平均流速u成正比，涡街流量计就是根据上述原理进行流量测量的。由于涡街传感器所测的并不是平均流速，而大约是漩涡发生体两侧的流速。不同的雷诺数下，流速分布规律是不同的，即不同的流速下具有不同的流速分布，进而说明涡街流量传感器检测到的主要反映漩涡发生体两侧的流速与管道平均流速的关系不是唯一确定的。这说明涡街流量传感器的非线性误差是由其检测机理所决定的［3］。在实际使用时，先测出传感器的仪表系数k与频率f的试验曲线F（f）：

    式中：G（f）为同一口径的涡街传感器具有的相同特性曲线，对该曲线进行分段线性处理，固化在流量计的存储器中；K为平均仪表系数，可以根据实际现场工况，通过键盘输入K值，从而实现涡街传感器的非线性修正。

    1.2 系统总体设计分析

    系统主要由如下模块组成：涡街传感器信号调理模块，人机交互模块，HART通信模块以及电源与掉电检测模块，系统框图如图1所示。   

图1 智能涡街流量计系统框图

    涡街传感器信号调理模块是将传感器输出的微弱信号进行滤波与放大，再经施密特触发电路进行整形，转换为MCU可以测量的方波信号。

    人机交互模块主要由液晶显示屏和键盘组成，主要用于涡街流量计菜单设置，完成本地参数的设置和修改，并在测量状态下将瞬时流量和累积流量实时显示出来。

    HART通信模块一方面将MCU输出的数字量，经D/A与V/I转换得到对应的（4～20）mA电流；另一方面HART调制解调器将叠加在电流环路上的FSK数字信号解调后，再经过通用串行接口送入MCU，并将MCU发送的应答帧调制成FSK数字信号，叠加在（4～20）mA电流信号上发送出去［4］。

    电源模块将仪表安装现场提供的24V直流电压转换为合适的电压提供给其他电路模块。掉电检测模块能对外部电源电压进行监测，在系统掉电瞬间产生中断，MCU在中断程序中将累积流量等重要数据存储到非易失性存储器中。

    2 系统硬件设计

    系统采用16位嵌入式微处理器MSP430F147为控制核心，MSP430F147是TI公司面向低功耗仪表领域推出的16位微处理器，工作电压范围为1.8～3.6V［5］，微处理器内部具有定时器、内部用户可编程Flash存储器以及UART通用串行接口等先进外设，提高了系统的集成度与可靠性。

    2.1 信号调理模块设计

    涡街传感器输出信号频率f（漩涡的分离频率）变化范围为（5～600）Hz，感应信号幅度最低达0.2mV左右。

    信号调理模块结构图如图2所示，传感器输出的微弱信号经前置放大电路、二阶低通滤波电路、后置限幅放大电路、施密特整形电路转换为微处理器可以识别的TTL方波信号，送入MSP430F147的定时器捕捉端口进行频率测量。   

图2 传感器信号调理模块结构图

    2.2 掉电检测模块设计

    电源掉电模块设计采用MAXIM公司的电压比较器MAX9017，该芯片自带1．236V高精度电压基准，电源电压经电阻分压后与高精度基准电压比较，实现电源电压的监控。当电源电压低于一定值时，电压比较器产生跳变触发中断，在中断程序中，微处理器完成对累积流量等重要数据的保存。MSP430F147内部集成了256Byte用户可编程Flash存储器，从而省去了对外围存储芯片的需要。

    2.3 HART通信模块设计

    HART通信模块由MSP430F147微处理器、HART调制解调芯片A5191HRT和电流环产生电路组成。

    A5191HRT是AMISemiconductor公司推出的单片HART调制解调器，采用相位连续的FSK半双工工作方式，数据率为1200b/s。A5191HRT内部集成了符合Bell202标准的调制器、解调器、接收滤波器、发送信号整形电路、载波检测等电路［6］，所以只要使用较少的外部无源元件就能够构建满足HART协议物理层要求的电路。

    HART通信模块电路如图3所示，A5191HRT与MSP430F147通用串行接口信号包括经光电隔离后的载波监测OCD、HART的解调输出ORXD、来自UART的HART调制输入ITXD和请求发送IN-RTS

图3 HART通信模块电路图

    电流环产生电路采用V/I转换电路，输入电压范围为（0～2.5）V，采样电阻选用阻值为120Ω的精密金属膜电阻，当输入电压为2．4V时，输出电流为20mA。电流产生电路中的1N4148二极管作用是在电流环输出开路时，采样电阻上流过的电流由运放输出端提供，从而避免运放工作在饱和状态。图3中I＋与I－分别为（4～20）mA电流环路两输出端口。

    3 系统软件设计

    系统软件主要由五部分组成：①测频子程序，负责传感器信号频率的测量；②定时器“心跳”程序，实现非线性校正、累积计算和输出显示；③HART通信子程序，当检测到HART通信载波信号时，进入中断子程序，进行信号的接收、识别和响应；④掉电保护子程序；⑤菜单设置程序，当有按键按下时，可以对流量计进行本地参数设置和修改。

    系统上电复位后，MSP430F147首先完成各模块初始化，之后进入低功耗模式LPM3［7］。通过中断唤醒MCU的方式执行相应功能模块，中断完成后恢复低功耗模式。系统软件流程图如图4所示。

图4 软件流程图      

    3.1 非线性校正算法设计

    采用分段直线方程的非线性校正方法，传感器试验得出的特性曲线反应的是传感器输出频率与仪表系数的对应关系，对曲线进行合适的分段，每一段曲线可以近似看成是一直线段，曲线分段后，各段端点对应被测频率信号分别为F0，F1，F2…Fm，传感器对应的仪表系数为K0，K1，K2…Km，其中F0、Fm分别对应被测频率最小值与最大值。显然曲线上任一点可由分段直线段上的点近似表示，则有：

    式（3）就是得到的两点式分段直线校正方程。在系统上电初始化是先依次把校正方程参数（Fi，Ki）（其中i=1，2，3，…，m）读入内存，在非线性校准时，先要判断当前测得频率f位于哪一个直线段，再根据相应的直线段校正参数，由校正方程求出相应的仪表系数。涡街传感器非线性校正与流量积算在定时器“心跳”断程序中实现，具体算法软件流程图如图5所示。    

图5 非线性校正算法流程图

    3.2 HART通信软件设计

    HART协议通信程序根据HART协议规范要求，主要由HART协议数据链路层和应用层软件构成。涡街流量计在HART协议通信时作为从设备使用终端，系统仅需进行从设备通信软件设计。

    由于HART总线为半双工模式，从设备必须在接收到通信主机（上位机或手操器）命令帧后，由微处理器做出相应的数据处理，并产生应答帧。为了能够及时地接收到主机发送的命令又不影响主程序正常运行，HART通信模块程序主要在中断程序来实现。当A5191HRT的载波检测输出脚OCD变为高电平时，触发硬件中断，MCU完成主机命令的接收和处理后，生成相应的应答帧，在完成应答后，退出中断子程序。HART通信程序流程图如图6所示。

图6 HART通信程序流程图

    HART协议通信模块采用这种接收命令并应答的方法完成现场仪表和主机之间的通信，可以实现通讯主机对现场仪表的各个工作参数的设置、测量结果的读取、仪表工作状态的检测等功能，并且具有程序设计灵活的优点。    

    4 结语

    该智能涡街流量计充分利用微处理器MSP430F147内部功能模块，提高了系统集成度与可靠性，采用了简单实用且方便实现的分段直线方程的非线性校正算法，有效地解决了涡街传感器非线性特性的问题。采用该算法后，试验运行表明，流量计的量程比可达25∶1。

    仪表硬件上设计了隔离式的HART通信模块，通信软件设计符合HART协议要求，可由上位机或手操器进行远程操作，并且数字通信不影响（4～20）mA模拟信号输出，与传统模拟仪表有较好的兼容性。目前，该智能涡街流量计已实现批量生产和销售，并广泛应用于油田注水站、注聚站等监测现场。