流量计系列产品
 
 

电磁流量计的工作原理组成部分及HART通讯协议

发布时间:2017-09-09 09:01:47
 

随着工业的发展,电磁流量计因其无污染性成为目前国内市场运用得较多的一种流量仪表。智能化是电磁流量计的发展趋势。国外的一些知名仪器仪表公司如Krohne公司均开发生产了智能化的电磁流量计。相对来说,我国在这一产品的开发上起步较晚。1999年4月,笔者有幸来到上海自动化仪表研究所,参与了该所承接的现场总线的智能电磁流量计的研究,开发和工程化这一课题的工作。可以说,这一课题的开发将有力推动我国智能电磁流量计产品的发展,大大缩小与国外同类产品的差距。
1、电磁流量计的工作原理及组成    
电磁流量计的工作原理为法拉第电磁感应定律。导电液体在磁场 中流动切割磁力线产生感应电势表达式为:
E=KBLv
式中,B为磁感应强度;L为测量电极之间的距离;v为被测流体在磁场中运动的平均速度;K为比例常数。
电磁流量计主要由变送器(又称一次装置、检出器或传感器)和转换器(又称二次装置或变换器)及流量显示仪表三部分组成。变送器把流过的被测液体的流量转换为相应的感应电势。转换器的作用是把电磁流量变送器输出的和流量成比例的毫伏级电压信号放大并转换成为可被工业仪表接收的标准直流电流、电压或脉冲信号输出,以便与仪表及调节器配合,实现流量的指示、记录和运算。
本文主要讨论的是如何实现电磁流量计转换器的智能化,以及转换器与HART通信协议的接口实现。传统的电磁流量计一旦开机后,能自动进行连续不断的测量,但外界无法控制其运行情况,它只能按生产时规定的运行方式运行,因此功能比较单一,运行比较死板,无法满足现代测量灵活实时的要求。所谓电磁流量计的智能化,就是流量计开机后,能按照程序规定的模式进行测量,并且在运行过程中,能接受外界的意图,根据外界的命令随时作出相应的调整,因此智能化的电磁流量计功能较齐全,并能由人为控制,运行相当灵活。例如,当电磁流量计以30 Hz的励磁频率进行测量时,测量人员根据流量的实际情况,想把励磁频率改为60 Hz,他就可以根据产品说明书,按下电磁流量计的某个按钮,以使仪表按照他的意图作出改变,而传统的流量计是无法做到这一点的。当然,这种智能化的实现是建立在单片机系统上的。而所谓的HART协议其目的是在智能化的基础上将各种类型仪表统一起来,同一指令能控制多种仪表,使各仪表能彼此联系,协调工作。
2、智能电磁流量计的主要功能和设计思路
本项目中要求智能电磁流量计转换器所实现的主要功能有:
①A/D采样,每隔1/12 s采样一次;
②D/A转换,输出4~20 mA电流;
③产生电磁流量计必需的2路相位相反、频率相同的励磁方波信号,要求频率为30 Hz和60 Hz两种;
④产生对2路励磁方波信号高电平接近下降沿的20 ms脉冲采样信号;
⑤液晶显示,显示流量结果、检测状态(空/满管状态、正/反流量)、设置参数和自诊断结果等等;
⑥键盘管理,设置3个按键,对键盘动作进行处理;
⑦脉冲量输出,将流量结果转换成0~1 000 Hz范围内的脉冲信号输出;
⑧兼容HART协议,对手持式通信器发出的命令作出反应;
⑨流量状态检测/输出,检测管道为空管或满管,流量方向为正向或反向,并输出相应的开关量等等。
根据工作条件和工作经验,我们选择了Motorola公司的M68HC11系列的单片机来设计智能化方案。M68HC11系列以功能强、速度高而著称,是功能最强的8位单片机。它与其他系列单片机最大的区别在于它具有4种工作方式,即正常单片方式、正常扩展方式、特殊自引导方式及特殊测试方式。对于开发仪表,Motorola公司推荐使用正常单片方式。单片机处于正常单片方式时对外不提供地址线和数据线。由于内部带了相当可观的RAM和ROM,因此它通常不需要外接存储器,并且具备相当多的并行I/O口及高速的同步串行通信口和异步串行通信口。采用M68HC11系列开发仪表,相对来说,能大大简化系统设计,减小系统体积,接口简单,便于调试。
由于此项目对智能电磁流量计的要求很高,不仅要求具备电磁流量计的基本测量功能,液晶显示模块要能够显示大量的信息,并且要能与HART协议兼容。随之带来的问题是功能越多,结构越复杂。由一块单片机来实现全部的功能是不太可能的。比较国外的同类产品可以发现,它们均采用了多CPU系统。因此设计了一套多CPU系统的方案。其中一片CPU作为主机,负责实现A/D采样、D/A转换、与HART通信协议的接口及开关量检测、输出的功能。主机另一个重要任务是合理安排测量程序,以及如何与其他CPU的通信问题。其余CPU均作为从机。主要用于实现励磁方波信号、脉冲采样信号、液晶显示及键盘管理。显而易见,多CPU之间的数据交换是非常频繁复杂的。如何实现CPU之间的数据通信以及如何做到它们之间的协调,是所有问题中最关键的一个。
M68HC11系列的单片机之间的通信可采用同步串行通信口SPI。采用串行通信的优点在于连接简单,传输迅速。但国内大多数产品及文献只涉及了比较简单的双CPU通信。对于多CPU的相互通信却提及甚少。SPI是Motorola单片机独有的一种功能,主要用于与外围器件通信,也可在多机系统中完成处理机之间的通信。SPI系统具有足够的灵活性,只要用法得当,考虑周密,完全可以胜任多CPU的通信问题。
SPI使用3根线进行通信:数据入、数据出和串行时钟。包含4个引脚:MISO主机输入从机输出脚、MOSI主机输入从机输出脚、SCLK时钟脚及SS脚。单片机设置为主机方式时,SCLK信号由内部CPU总线时钟给出。单片机为从机方式时,在允许SPI系统后,SS为输入脚,它用于允许SPI从机发送数据,相当于从机的片选信号。图1为利用SPI进行双机通信的示意图。

在整个单片机设计系统中,必须自始至终保证只能有一片单片机作为主机。当一片单片机设置为主机后,其余的单片机只能作为从机。图中,主机的SS接高电平。主机的一个I/O脚PC0用于控制从机的SPI允许SS脚。当PC0设置为低电平时,允许从机的SPI。在传送时,数据同时发送(串行移位输出)和接收(串行移位输入)。不论是主机接收、从机发送,还是主机发送、从机接收,均由主机启动一次传送过程,因此,当主机检测到从机发来的准备好信号后才启动一次传送。因此,两片单片机之间必须有相互握手信号。最简单的实现办法是两片单片机的某两个I/O脚对接,一根线用于主机发送、从机检测,一根用于从机发送、主机检测。无论发送或接收,两片单片机均可相互查询,以便做到相互之间的协调同步。例如,主机想要向从机发送数据,就应先发出请求,当检测到从机的回应,表示准备就绪之后,主机才能开始发送,否则,主机发送而从机还在处理其他程序,就会导致从机根本未接收到或接收得不完整,导致通信错误。
多单片机系统设计的原理与上述类似,区别在于主机必须由不同的I/O脚来控制各个从机的SS端,对各从机分别选中。同样必须注意的是主机与从机之间的通信同步问题,也就是说,各个主机与从机之间必须设有各自的握手信号,能通过查询进行相互之间的请求和作出回应。数据传送必须完整无遗漏,这就要求主、从机之间发送、接收同时进行。
3、HART通信协议
所谓现场总线,就是Rosemount公司同国际标准化委员会一起协作定义的一种高速现场通信标准。这种新的标准具有更强的功能,既增加了通信速度,又增强了数据可存取性。本项目采用的现场总线标准为HART通信协议。
HART协议采用标准的Bell 202频移键控信号以1 200 bit/s通信,以低电平加载于4~20 mA模拟测量信号上。由于载波信号的平均值为零,如图2所示,所以它对模拟信号没有影响。

HART协议是一个主从协议,这意味着现场装置仅在被查询时才响应。每个信息包含源地址、目的地址和一个用于检测信息正误的校验和。如图3所示。

HART协议的命令分为3组:通用命令是所有现场装置都配备的,如读制造商码和设备类型,读传感器编号和极限等;专用命令提供的功能大部分装置都配备,如写阻尼时间常数和执行自检等;特殊命令所提供的功能只对一些特殊的现场装置适用,如读或写低流量截止值和读结构材料信息等。
HART协议手持式通信器与智能电磁流量计转换器的单片机的通信采用专用调制解调芯片HT20C15来实现。D/A转换输出的4~20 mA的电流正是HART通信所必须的信号载体。当手持式通信器发出命令后,加载了数字信息的模拟电流通过HT20C15芯片,滤去模拟成分,保留数字信息,通过单片机的异步串行通信口就能传输给单片机。而单片机就能根据接收的数字信息加以鉴别,从而执行这组数字信息所代表的命令。这就是HART协议的通俗解释。
HT20C15是专为HART通信设计的调制解调芯片。它与单片机的通信采用了单片机的异步串行通信接口SCI。串行口的大量应用是符合设计简单原则的,在仪表开发中也经常大量运用串行外围器件。
综上所述,在整个现场总线的智能电磁流量计转换器系统中,不仅用到了同步串行通信口SCI,SPI除了用于CPU之间的通信,还用于扩展A/D、D/A芯片,即A/D、D/A转换与单片机之间的数据交换都由SPI口来实现。值得欣喜的是,在调试阶段,SPI口扩展A/D、D/A芯片已经实现,CPU之间的通信在不断摸索中也已经达到预期的目标,能做到各CPU之间的通信数据准确无误,为我们积累了使用SPI口的经验。对于SCI口与单片机的通信,也已经获得了初步的成功。
现场总线智能电磁流量计的研究和开发,对提高我国在智能电磁流量计领域方面的技术具有积极的意义。从某种程度上来说,现场总线的智能型仪表在国内是一个空白,但其具有的高速通信、可靠运行及方便地人机交流的优点是令人无法忽视的。
最后,值得一提的是,仪器仪表的发展趋势之一,是从气动仪表(3~15Psi),模拟电子仪表(4~20mA)和模拟与数字通信(HART)共存仪表到全数字通信仪表。因此可以认为,现场总线将在仪表和控制系统中得到更加广泛的应用。HART协议不但使仪表制造商和用户从数字现场通信中获益,而且保持了与原有系统的兼容性,它必将带动仪表业的一次大变革。