摘要:针对仪表使用现状,介绍一种具有HART协议的智能式电磁流量计。设计了以HART通信模块HT2012和AD7715、AD421为主要芯片的智能电磁流量计的接口卡。
1电磁流量计
电磁流量计的基本原理是法拉第电磁感应定律，即导体在磁场中切割磁力线运动时在其两端产生感应电动势。
E=KBDν
式中E:感应电动势,B:磁感应强度,D:管道直径,ν:流体平均速度。流体的体积流量qv为:
电磁流量计分为流量传感器和转换器两部分。传感器包括测量管,激磁线圈,电极等,将流量信号转换为感应电势,由电极引出;转换器将E转换为标准信号输出，以便进行计数测量。
电磁流量计的测量优点很多，(1)它的测量管是光滑直管,不易阻塞,适用于测量含有固体颗粒或纤维的液固两相流体,如纸浆、煤水浆、矿浆、泥浆和污水等;(2)它的压力损失小,且前置直管段要求较低;(3)输出线性，且其体积流量不受流体密度、粘度、温度、压.力和导电率变化的影响,抗干扰能力强;(4)测量范围大,量程比大,通常可达20:1~50:1;(5)测量口径范围宽,从几mm到3m,可测正反双向流量,也可测脉动流量。但它不能测电导率低的液体,不能测气体、蒸汽和含有较多较大气泡的液体的流量,如石油制品,有机溶剂等。
智能化的电磁流量计是数字信号和模拟信号混合的变送器,在普通电磁流量计的基础上结合HART通信协议,可以实现流量仪表智能化,适应现场总线控制系统的要求。
2HART协议
HART(HighAddressableRenoteTransducer可寻址远程传感器高速通道)通信协议是一种过渡性协议,它参照“ISO/OSI”的模型标准,简化并引用其中三层,即物理层,数据链路层和应用层制定而成;采用FSK(频移键控)技术,在一条电缆线上同时传输4~20mADC的模拟信号和数字信号,使模拟信号和数字双向通讯能同时进行,互不干扰。如图1,在4~20mADC基础_上叠加幅度为±0.5mA的不同频率的正弦调制波作为数字信号,1200Hz频率代表逻辑“1”，2200Hz代表逻辑“0”。其传送速率为1200bit/S。
HART通信可以有点对点或多点连接模式。传输介质一般为双缆线;当传输线路较长时,可用屏蔽双绞线。HT2012是专门为HART产品而设计生产的，具有价格便宜、功耗低的特点。它包括调制器、解调器、载波监测电路和时基电路,如图2。时基电路外接.460.8kH的振荡频率信号,调制器将由IIXD引脚输入的数字信号调制成FSK信号，从OXTA端输出;解调器将从RXA引脚输入的FSK信号解调成数字信号，由ORXD端输出。调制器和解调器的工作受NRTS端输入电平的控制，NRTS端子与CPU的I/O口相连,可以由CPU来控制调制器和解调器的工作状态，其通信为半双工方式。当NRTS输入为低电平“0”时,调制器工作,解调器输出不定;当NRTS端输入为高电平“1”时,解调器工作,调制器呈高阻状态。
HART协议通信电路由CPU、数模转换器AD421、HART通信模块HT2012、波形整形电路和带通滤波器组成。CPU输出的与被测参数成比例的数字信号，经AD421转换为4~20mA电流输出。同时,需进行数字通信的二进制数字信号由串行口发送端RX输出至HT2012调制为FSK信号,再经波形整形电路送至AD421,叠加到4~20mA直流信号上。
3AD7715和AD421
AD7715是一种带有模拟前置放大器的A/D转换芯片，是一种用于低频测量的芯片,它可直接接受电磁流量计的直流低电平输入信号并输出串行数字信号。该芯片采用2A转换技术,具有16位的精度高模数转换特性,有良好的抗干扰性，有自校准和系统校准的功能,可以消除零点误差,满量程误差和温度漂移的影响。AD7715的模拟输入为差动方式,有单极性和双极性输入,信号范围可选。前置放大器有1、2、32、128四种增益可选,有4个片内寄存器，对它的编程可以实现增益选择、信号极性、输出数据速率、自动校准和AD转换等功能。这里用AD7715作为模数转换芯片。
AD421是一种16位串行输入、4~20mADC电流输出的数模转换器,非线形误差小于±0.01%。主要由数模转换器,电流转换器和电流调整器组成。AD421的电流输出有正常和报警两种模式。正常模式对应4~20mADC输出,报警模式输出电流扩展为3.5~20mADC。电压调整器由运放能隙基准和外接耗尽型场效应管构成。电压调整器从电流回路中获取电流，,并给AD421及其他器件提供工作电流。在此设计中,选择AD421作为数模转换芯片,它可以为其他芯片提供工作电压，还可以将CPU输入的数字信号转换为4~20mADC电流输出，并将数字信号叠加在4~20mADC电流上一起输出。
4智能式电磁流量计
图3为采用HART通信技术的智能式电磁流量计的原理框图,整个系统由电磁流量计、CPU、AD7715、AD421和HT2012通信部分组成。CPU采用MCS-51微处理器。流量信号g.经电磁流量计转换后,输出的0~5V电压信号加在AD7715的输入端上,经过AD7715转换为数字信号实现A/D采样;AD7715采用三线串行口与CPU相连。HART通信部分由HT2012、带通滤波器和输出波形整形电路等组成。AD421及电压调整电路,将CPU输出的数字信号转换为4~20mADC电流信号,作为整机输出，实现D/A转换。另外,由HART通信模块输出的经过整形后的FSK信号,也经AD421-起叠加输出，实现数字信号和模拟信号同时输出。AD421自带的电压调整电路可将变送器的24V供电电压转换成稳定的5V电压，给CPU、A/D.D/A等芯片供电。系统还配备了WDT监控电路，和电磁流量计的励磁电路。
该系统的软件有测控程序和通信程序。测控程序包括A/ID采样程序、量程转换程序、非线性补偿程序、D/A转换程序等;通信程序包括实现HART协议数据链路层和应用层的软件。
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