基于HART通信协议智能螺旋流量计的设计

　

 0 引言

    工业仪表设备向数字化、网络化的变迁是整个仪表行业发展必然趋势。但是当前现场总线控制系统在功能上还不能完全取代已经发展的比较完善的DCS。在这种情况下，HART（highwayaddressableremotetransducer）协议作为一种兼容原有4～20mA模拟信号的数字通讯方式产生[1]。

    本文介绍的HART协议智能变送器采用两线制传输方式，这种设计方式既能给流量计提供电能，又能传输模拟和数字信号。这就要求流量计系统需要实现低功耗。

    1 工作原理

    螺旋流量计传感器原理可以简单用磁化线圈来说明。当管道中有流体流过时，流体的流动会带动管道中的叶片转动。此时叶片切割螺旋流量计传感器的磁场，产生一个毫伏级周期性波形，波形频率与流体流速有关。这样通过对周期性波形频率测量就能得到流体流速。HART传输则是在此基础上，通过AD421产生4～20mA电流，利用专为实现HART协议而设计的调制解调器芯片A5191HRT来将需要传输的信息调制成FSK（FrequencyShiftKeying）信号或将接收外部传送的FSK信号解调成数字信息传输给MCU。

    HART协议规定的信号频率（1200Hz代表l，2200Hz代表0）和传输速率（1200bit/s）符合美国Bell202标准。HART信号波形如图1，这些音频正弦波的平均值为零，所以在现存的模拟信号中不增加直流成分。因此，在2根线上可以同时传送互不影响的模拟和数字信号。HART协议采用半双工的通信方式，在HART通信过程中主机上位机发送命令帧，现场设备通过串行口终端接收到命令帧后由通信单元作相应的数据处理产生应答帧触发发送终端后发出应答帧，从而完成一次命令交换。在发送应答帧之后再次进入等待状态等待下一条主机命令。正是由于HART协议的这种优点，使它成为工业现场广泛应用的工业标准[2]。

图1 HART信号波形

    2 系统硬件设计

    系统总体框图如图2所示，流量计采用的16位嵌入式微处理器MSP430F435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，最低耗电电流为0.1μA。可以通过灵活地使用多种频率时钟源来实现低功耗。如采用中断控制，数字控制的振荡器（DCO）在小于0.6μs的时间内可以使系统从低功耗省电模式唤醒，激活到活动模式工作，当系统处理完中断后，可通过软件控制自动进入低功耗省电状态[3]。从而为低功耗的实现提供了可能。MSP430F435内集成了128段液晶驱动器，可以直接驱动段码式液晶显示器，省去了传统单片机系统外围液晶驱动电路；微处理器内部集成12位逐次比较型A/D转换器，可编程内部或外接基准源，用来对放大调理后的电压信号进行转换；MSP430F435内部具有256Byte用户可编程Flash存储器，用于存放流量计的相关重要参数，例如仪表传感器特性曲线参数及校正参数、断电保存的累积流量等。

图2 智能螺旋流量计结构框图     

    2.1　传感器输出及信号调理电路

    螺旋流量计的信号输入部分主要由传感器和信号放大调理部分组成。信号传感器由上面的介绍可知是一个无源传感器，其通过叶片切割磁感应线产生一个周期性的波形。

    传感器的信号经过实际测试发现，频率范围在30～200Hz范围内，幅值在50mV～300mV范围之内。因此前置放大电路可以采用运算放大器实现，为了有效的减小共模抑制比CMRR（CommonModeRejectionRatio）的影响，因此放大电路设计成反向放大电路，放大倍数可以定为47倍。而滤波电路也可以设计成低通滤波电路。具体电路图如图3。

     

图3 信号调理和放大电路

    2.2 HART通信模块设计

    HART通信模块由HART调制解调芯片A5191HRT及模数转换器AD421组成，如图4所示。

图4 HART通信模块电路图

    AD421是ANALOGDEVICES公司生产的一种单片低功耗、高精度、回路供电的4^20mA输出型DAC，它为4～20mA输出的智能型变送器提供了一种比较理想的技术方案。该芯片的数字接口为标准HART协议（三线）或其它FSK协议，DAC为16位分辨率，单调性输出。采用回路供电方式，内含电源调整器能够从电流环路中获取电流，为本身和外围器件供电，调整器的输出电压Vcc为+3V，+3.3V或+5V。且AD421能够给外围电路提供高精度的1.25V与2.5V电压基准，数模转换器采用∑-Δ结构DAC核和电流放大器组成，保证16位的分辨率和单调性[4]。A5191HRT是AMISemiconductor公司推出的应用于HART现场仪表的单片CMOS调制解调器，它是单片、半双工1200b/s速率的频移键控（FSK）调制解调器，可替代SYM20C15；，使用符合Be11202标准FSK频移键控信号，载波为1200Hz和2200Hz；同时内部集成了接收带通滤波器电路和发送信号波形整形电路；外接460.8kHz晶体或陶瓷滤波器内部时钟；振荡器或者使用外部输人时钟；电源电压为3.0V-5.0V；满足HART协议物理层的要求；功耗低。

    图4中，A5191HRT将叠加在4～20mA环路上的FSK信号经过带通滤波、放大整形提取出来，解调为数字信号后，通过UART传送给MSP430F435，或将从MSP430F435接收到的应答帧信息调制成FSK信号经波形整形后通过电容耦合到AD421上，通过AD421叠加在4～20mA环路上发送出去[5]。图4中A5191HRT与MSP430F435的通信接口包括UART的HART调制输入ITXD、载波监测OCD、请求发送INRTS、HART的解调输出ORXD。Loop+与Loop-分别为4～20mA电流环路两个端口，VCC为AD421对外部电路提供的3.3V供电电源。由于A5191HRT调制解调工作需要频率为460.8kHz时钟信号源，且时钟信号源的频率精度要求较高，误差要求在1%内，而460.8kHz晶体为非标晶体，因此这里可采用MSP430F435外接1.8432MHz的标准晶振，经4分频后与A5191HRT时钟输入相连或直接订购460.8kHz的晶振。

    3 系统软件设计

    螺旋流量计软件分为四个部分，一部分是测量程序，负责传感器信号的采集和处理；一部分是HART协议通信程序，负责使用HART协议与其它设备进行通信；一部分是将传感器信号的频率通过相应处理转化成流量。最后一部分菜单设置程序，为用户提供便利的流量计参数设置功能。

    3.1 传感器信号的采集和处理

    系统采用MSP430F435为核心，该单片机具有低功耗模式特点，因此将软件设计成单片机在程序完成系统各模块初始化之后进入低功耗模式LPM3[6]，采用定时器作为系统心跳的方式来定时中断唤醒执行测量程序。

    当系统心跳定时器中断产生时，系统自动执行测量程序。但是此时系统会自动的将其它中断响应屏蔽，为防止在执行测量程序时有HART通信的请求，因此在进入心跳定时器时应先将所有屏蔽打开。

    3.2 HART协议通信程序

    螺旋流量计的HART协议通信程序根据HART协议规范要求，完成从设备数据链路层、应用层以及层间接口程序实现HART通信链路连接，链路仲裁，信号接收、识别、响应和发送。在系统开始运行时，系统自动对HART协议通信模块的初始化配置，配置内容包括MSP430F435内部UART模块工作方式、通信波特率、数据帧格式等。在没有通信请求时HART协议通信程序工作在待机状态。当A5191HRT的载波检测输出脚OCD变为高电平时，此时表明外部有数据传入，此时进入HART通信模块中断程序处理。处理包括检查数据帧格式，校验码，存放数据，执行命令，产生应答帧，将应答帧通过UART传送给A5191HRT，由A5191HRT调制成FSK信号通过AD421叠加在4～20mA电流环上传送给主机，在完成应答后，退出中断子程序，若没有接收到主机命令的情况下，仪表进入低功耗模式LPM3，利用系统心跳定时器中断周期性地唤醒并执行测量主程序。

    HART协议通信模块采用这种接收命令并应答的方式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。

    3.3 传感器频率信号处理程序    

    由上文的介绍可知传感器输出信号是频率信号，当频率信号被滤波放大采集后，MSP430F435需要对频率进行处理，将其转化为流量。而由于流体管道中流体流动时可能不稳定，存在一定紊流情况，再加上工业现场可能会有其它电器的干扰，因此频率信号不会很稳定。为了得出准确而又稳定的流量，需要通过软件的处理将干扰和波动去除。

    去除干扰的方法是对频率信号的周期宽度进行测量，由于流体流速不可能突变，因此如果在检测的过程中发现如果突然存在信号周期比正常时的周期一半还小时，可以判定此信号为干扰，应该将其去除。去除波动的方法是使用中值滤波法。在上述去除干扰的基础上，依次检测得到8个瞬时流量值，此时将8个中最小的3个和最大的3个去除，再将剩下的两个进行平均即可。这样的话可以很有效的减小流量的波动。

    4 结束语

    本设计在基于传统流量计的基础上，加入了使用A5191HRT和AD421设计HART协议通信模块，提高了流量计与其它仪表或上位机之间的通信联系。同时选用了超低功耗的16位嵌入式处理器MSP430F435作为压力变送器的核心，提高了系统的集成度同时，降低了系统功耗。

    目前，该智能螺旋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。

    参考文献

    [1]郝靖，李擎，杨磊.基于HART协议的智能压力变送器[J].仪表技术与传感器，2007，（2）：16217，22.
    [2]刘焕成，刘智勇，严征琦，等.基于HART协议智能变送器设计[J].单片机与嵌入式系统应用（合订本），2001，（126）：82286.
    [3]沈建华，杨艳琴，瞿骁曙.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004：902247.
    [4]汪献忠，刘巍.AD421在智能变送器中的应用[J].仪表技术与传感器，2006，（9）：49250.
    [5]顾伟，周建明.A5191HRT型HART调制解调器的原理与应用[J].国外电子元器件，2006，（4）：28231.
    [6]裴杰.MSP430单片机常用模块与综合系统实力精讲[M].北京：电子工业出版社，2007.
    [7]吕秀江，辛长宇，王先立等.HARTModem与AD421的接口技术[J].微计算机信息，2001，（9）：35241.