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HD-LDE电磁流量计
一、前言
符合HART协议的智能电磁流量计不仅可以实现各种流量的检测和就地显示,还可以通过上位计进行远程设定,改变流量计的零点量程,以及完成自诊断等功能,因此在流量计的使用和维护中更加方便 。
二、HART协议简介
HART协议遵循ISO制订的OSI开放式系统互连参考模型,采用了OSI模型的*层、第二层和第七层,即物理层、数据链路层和应用层 。
1.物理层规范
HART协议采用美国电话通讯系统Bell202频移键控(FSK)标准在4~20mA的模拟±0.5mA的正弦波,波特率是1200bps.因为所叠加的正弦信号平均值为0,而且相位连续频移键控技术要求在波特率为1200Hz的数据位1和0的边界的相位角是连续的,所以数字通讯信号不会影响4~20mA的模拟信号 。
2.数据链路层规范
这一部分协议规定了HART帧的格式,实现建立、维护、数据链路通讯功能,HART协议根据冗余检错码信息,通过差错检测机制和采用自动重发请求协议(ARQ),实现通讯数据无差错传送与协议相关的数据传输是以帧的形式实现的 。 帧是用户控制和寻址信息对用户数据的封装,只有帧中的字节记数结東且经过了差错检验接收正确无误或是物理层通知信号传输终止(如检测不到载波)之后才可以进行帧的识别 。
在数据链路层中的HART协议是一种“主/从”协议 。 在从设备的应答消息中除了已被接收的确认命令,许多消息中还包含了主设备询问的数据 。 HART协议允许系统中同时有两个主设备运行,一个基本主设备,一个副主设备 。 从设备根据两个主设备不同的地址来向它们分发各自的应答命令消息 。
3.应用层规范
规定了HART消息包中的3类命令,*类是通用命令,适用于遵守HART协议的所有产品,为符合HART协议的设备提供功能描述:第二类是普通操作命令,适用于遵守HART协议的大部分产品;第三类是设备特殊命令,适用于遵守HART协议的特殊产品 。
三、基于HART协议的智能电磁流量计的通讯模块设计
带有HART通讯协议的智能电磁流量计的硬件系统电路采用模块化设计,主要包括传感器模块,MCU模块、HART通讯模块和人机界面模块四个部分 。
由单片机控制的低频励磁电流输出到传感器的励磁线圈中,同时来自电磁流量传感器的微小电势信号经前置放大后通过AD模数转换电路送入到单片机 。 单片机对这些信号进行数据采集,分析处理送至液晶显示屏进行瞬时流量和累积流量的显示 。 同时单片机通过计算公式对得到的流量值进行补偿,将补偿后的流量信号通过HART通讯模块实现与上位机的远程通讯 。 本文只介绍HART通讯模块设计:
芯片用来实现HART协议中通讯信号的解调及调制过程 。 HART信号的解调过程:由带通滤波器输出的脉冲信号进入HT2012后,调制解调器分别将脉冲信号中的1200Hz和2200Hz解调为数字1和0,再将数字信号由HT2012的ORXD端口输出,微处理器(CPU)对接收到的数据进行判断并执行相应的任务 。
HART数字信号规范是峰值为1mA、平均值为OmA正弦交流电流信号,此信号经线路阻抗转化为正弦交流电压信号,而HT2012输入和输出信号是0~5V的方波信号,因此在HT2012和外部的HART信号之间还需要有滤波电路和整形电路 。
由TLC27组成的滤波器是带通滤波器,用来减少接收信号的噪声干扰 。 滤波器还用来消除波形中的尖峰,从而使接收到的信号变得平缓 。 TLC37组成的数字方波产生回路把经过TLC27滤波后的正弦波转变成相应的方波,以便于HT2012接收缓冲器74HC126的作用是使方波的上升沿和下降沿趋于平缓,使信号满足HART物理层规范所要求的信号波形上升沿和下沿的时要求,因为较平缓的上升沿和下降沿时间可以降低与其它网络间的串扰 。 HT2012需要外部提供460.8kHz的时钟信号,且要求时钟频率的误差是±0.1%,若直接输入一个460.8kHz的晶振不仅会引起系统功耗的增加,而且该晶振属于非标准晶振,需专门定制 。 为了解决这一问题,在系统中采用一片1.8432MHz的晶振以产生时钟信号,再经分频器CD4013进行4分频,可输出1.8432MHz/4=460.8kHz的分频信号供HT2012使用 。