流量计系列产品
 
 

关于金属管浮子流量计HART协议介绍

发布时间:2017-11-15
 

摘要:结合现场总线技术,介绍一种基于总线功能HART协议的智能浮子流量计的软件、硬件设计,并论述了流量计的低功耗设计思路。
现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一,被誉为自动化领域的计算机局域网,是应用在生产现场,在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统。现场总线技术是将专用微处理器置入测量仪表,使它们各自具有数字计算和通信的能力,采用双绞线作为总线把多个测量仪表连成网络系统,并按公开、规范的通信协议,实现数据传输与信息交换。为了使现场总线仪表与现行的仪表通用,美国的Rosemount公司首先提出了一项过渡性现场总线标准,HART(Highway Addressable Remote Transducer)协议。HART协议是唯一向后兼容的智能仪表解决方案,即它可以在提供现场总线优越性的同时,保留对现有的4~20mA系统的兼容性。而且与模拟仪表相比,HART智能仪表在成本增加不多的前提下,具有易于调试和具备更高精度的优点。
1、测量原理
金属管浮子流量计的流量检测元件是由一根自下向上扩大的垂直锥形管和一个沿着锥管轴上下移动的浮子组所组成。流量发生变化时,金属管浮子上下移动,以磁耦合的形式将浮子位置变化信息传递到外部指示器,指示器指针跟随浮子移动,借助凸轮板使指针线性地指示流量值的大小。变送器内部采用honeywell公司的高分辨率、低功耗的磁阻传感器HMC1501测量磁铁发出的磁场的方向角。当指针偏转角度为θ时,传感器的输出电压为典型的惠斯通电桥,计算公式为:
U=UsSsin(2θ)
式中, Us是供电电压;S是常数,取决于材质,典型值12mV/V;角度θ范围是±45°。
将此电压信号经过适当的放大处理再通过以MSP430F149为核心的变送电路,实现非线性修正功能把流量值准确地转换成4~20mA的标准信号。
2、硬件电路
基于HART协议的智能浮子流量计是在原有4~20mA输出电流环的模拟仪表基础上研制的,即在输出电流环上叠加数字调制信号,用于实现仪表与控制设备间的数据交换。使用总线供电,要求从总线吸取的电流不大于4mA,包括传感器电路、放大电路、A/D转换电路、CPU处理电路、D/A电路、电源管理电路及HART通信接口电路等。由于支持HART协议,在工作时还必须附加0.5mA的正弦调制信号,实际上整个电路的电流消耗要求要小于3.5mA。因此整个系统的设计必须采取低功耗方案。系统整体框图如图1所示。

流量计使用直流24V供电电压,首先选用AD公司的AD421器件,该器件既能将输入的24V调整为系统所需3.3V,又能完成D/A转换功能,输出4~20mA电流。且AD421还是一款支持HART通信协议的芯片。AD421的硬件连接图如图2 所示。

其典型工作电流为450μA。传感器采用Honeywell公司的非接触式角位移传感器芯片HMC1501,测量时无须与磁体直接接触,避免了因接触磨损产生的信号丢失的现象。输出为典型的惠斯通电桥,在3.3V工作电压下,电流消耗仅为60μA。输出的信号送入由低功耗CMOS运放OPA4336构成的差分放大电路进行放大。CPU处理芯片选用美国TI公司的16位低功耗单片机MSP430F149,在2.2V电压,1MHz时钟的系统下,活动模式功耗为280μA,等待模式功耗仅为1.6μA。具有64KB的寻址范围,片内资源丰富,有精密硬件乘法器、两个16位定时器、一个8路的具有内部参考电平、采样保持和自动扫描特性的12位的A/D模数转换器、看门狗电路、48条I/O口线(一部分复用)、两路串行通信端口(USART)、一个内部振荡器(DCO)和两个外部时钟(支持最高8MHz时钟)。另外还具有60KB+256B的FLASH存储器,用以保存在掉电时仍需存储的数据,减少了外挂E2PROM带来的额外电流消耗。HART通信模块由HT2012、波形整形电路和滤波电路组成。HT2012是SMAR公司生产的单片CMOS微功耗FSK调制解调专用芯片,通信速率为1200bit/s,可以实现调制器、解调器和载波检测的功能。为此需要一个频率为460.8kHz的外部时钟输入,由于460.8kHz是非标准器件,可以在单片机的高频晶振端接1.8432MHz的晶振,经过四分频后得到SMCLK时钟供HT2012使用。HT2012具有极低的功耗,典型情况下为40μA。波形整形电路和带通滤波电路由低功耗CMOS运放TLC27M4构成。由此可以估算出整个系统设计的耗电量低于3.5mA,满足设计要求。
3、HART协议
HART协议使用移频键控FSK(Frequency Shift Keying)技术,在4~20mA模拟信号上叠加了一个频率信号,它成功地使模拟信号和数字双向通信能同时进行,互不干扰。HART协议的特点是具有与现场总线类似的体系结构,以国际标准化组织的开放性互连模型OSI为参照,使用OSI的物理层、数据链路层和应用层。物理层基于BELL202标准,以1200Hz和2200Hz这两个频率的交流信号分别代替数字信号的1和0,使模拟量和数字量一起传输。由于叠加的FSK信号的平均值为0,因此,4~20mA模拟信号不会受到影响。数据链路层规定了HART帧的格式,实现建立、维护、终结链路通信功能。HART帧格式如图3所示。

对从设备而言,在发送数据字节前有两个字节的响应码,用来表示数据通信状态及仪表的工作状态。HART帧以8位为一字节进行编码,对每一字节加上起始位,奇/偶校验位及1位停止位共11位传送,保证对每个字节进行数据传输同步。应用层用于执行主设备所请求的命令。分为通用命令、普通应用命令及专用命令。通用命令适用于所有遵从HART协议的设备,例如读制造厂及产品型号、过程变量及单位、读电流百分比输出等。第二类命令是对大多数设备都适用,用于常用的操作,如标定、写过程变量单位等。专用命令是针对每种具体设备的特殊性而设立的。
HART通信协议允许两种通信模式:“问答式”和“成组模式”。问答式即主设备向从设备发出命令,从设备予以回答,大多数应用都是使用此通信方式。“成组模式”无需主设备发出请求而从设备自动连续发出数据。HART协议通信工作处于半双工方式,每个设备在发送数据前必须保证总线处于空闲状态,HT2012的载波检测功能可以随时监测总线的状态。使用HT2012与微处理器MSP430F149和AD421的连接示意图,如图4所示。

4、基于MSP430F149开发的HART通信软件
MSP430F149内有两个用于串行通信的USART外设模块,利用双缓冲的发送和接收通道,USART支持同步SPI和异步UART通信协议。在本设计中通过设置UCTL0控制寄存器的SYNC=0实现异步通信模式。两个专用向量被分配给USART模块,一个用于接收通道(URXD),一个用于发送通道(UTXD )。可编程的发送和接收数据速率,HART协议要求1200bps的传输速率,硬件外接低频晶体32768Hz,由计算得分频系数UBR0=0x1B,调整系数UMOD=0x03。
由图4分析通信软件的工作过程。当HT2012的载波检测口OCD输出低电平时,表示线路中有载波存在,此时触发中断启动接收过程。接收时首先监视有效的前导信号和定界符,若字符间隔过大,发生奇偶校验错,或收到字符不是前导信号或定界符,则放弃接收。若能收到有效的前导信号和定界符,然后处理剩余的帧字节,当发现地址字段与自身不匹配或接下来的字节发生奇偶校验出错则终止接收过程。如果接收过程没有错误,则根据命令号完成相应的命令。最后按一定格式生成应答帧,当HT2012的载波检测口OCD输出高电平,即总线空闲时,设备才可以发送数据。在TXD端发送一个字符,当UTXBUF中的内容送到移位寄存器后,产生发送中断。软件流程图,如图5所示。

5、实验数据与结论
将基于HART协议的浮子流量变送器标定后进行瞬时流量值测量及信号远传实验。标定点的选取分别在最小流量值点Qmin、10%Qmax、25%Qmax、50%Qmax、75%Qmax最大流量值点Qmax。实验条件为环境温度25℃,大气压力101.1MPa,水温10℃,压力0.25MPa,仪表允许最大流量值为100L。实验数据如表1所示。

实验表明,HART通信协议扩展了4~20mA的标准,增强了智能化仪表的通信功能。使用HART协议实现数字通信后,上位机不仅可以十分方便的对连接在总线上的流量计现实时在线标定,更改流量计的零点及量程设置等,同时也可以及时准确的接收由总线上流量计传送的瞬时流量,累积流量等反馈信息,并能对总线上的流量计进行很好的实时监控和故障检测。由于HART数字信号的传输较之于4~20mA电流信号的传输,有较强的抗干扰能力,因而提高了远传信号的精度。且HART仪表与原4~20mA标准的仪表具有兼容性,HART仪表的开发与应用迅速发展,特别是在设备改造中受到欢迎,必然具有较大的市场潜力和发展空间。