[导读] 介绍一种基于HART协议的金属管浮子流量计的设计方案。应用磁阻传感器测量金属管浮子的角位移，利用HT2015和AD421实现HART协议通信物理层，并叙述了MSP430单片机的软件编程，实现了各项功能和HART通信。
0 引言
金属管浮子流量计具有灵敏度高、测量范围宽、压力损失较小和耐高温、耐高压、耐腐蚀等特点，广泛应用于中小流速流量的工业计量。该流量计利用电容式角位移传感器测量机械连杆的旋转角度原理进行设计[1，2]，但电路设计复杂，功耗较大，精度不高。HART协议[3]使用FSK技术，在4~20mA模拟信号上叠加频率信号，使得模拟信号与数字双向通信同时进行。本文提出一种使用各向异性磁阻式传感器，应用HT2015和AD421实现HART协议的新型智能金属管浮子流量计的设计方案。该流量计能实现量程范围设置、小流量切除等功能，具有功耗低、响应快等特点，能替代进口的同类型HART仪表，广泛应用于工业计量。
1 系统结构原理
金属管浮子流量计结构原理图如图1所示。它是由一个锥形管和一个置于锥形管中可以上下自由移动的浮子构成，锥形管垂直安装，浮子重心与锥管管轴相重合，磁钢内嵌在浮子中。当流体自下向上流入锥管时，作用在浮子上的力有3个：流体作用在浮子上的动压力、浮子在流体中的浮力和浮子的重力。当这些力平衡时，浮子就平稳地浮在锥管内某一位置上。对于一台给定的浮子流量计，浮子在锥管中的位置与流体流经锥管流量的大小成一一对应关系。而浮子在锥管中的位置决定于浮子的高度，因此，要实现对流量的测量取决于对浮子的高度的测量[4]。
由于浮子上下移动时，其内嵌磁钢也随之上下移动，与流量计外部磁钢形成内外磁钢磁路耦合，带动机械连杆旋转一定角度θ，将信号传递给现场显示器，指示流量大小。故对流量大小的测量转换为求角位移θ的大小。
图1 结构原理图
2 硬件设计
系统的硬件电路以MSP430F149为控制核心，主要有电源模块和HART协议物理层模块、液晶显示接口及按键接口模块等部分组成，如图2所示。
图2 系统硬件框图
2.1 MSP430F149单片机
MSP430F149单片机为TI公司生产，具有16位的RISC结构，自带12位的A/D转换，CPU中的16个寄存器和常数发生器使MSP430F149能达到最高的代码执行效率，其灵活的时钟源可以使器件达到最低的功率消耗[5，6]。同时，MSP430F149的FLASH存储器模块中有2段信息段存储器，分别为信息存储器A和B，每段各为128字节。
2.2 传感器模块
本设计选用了HONEYWELL公司生产的磁阻式传感器HMC1501来实现对机械连杆角位移的测量。它是利用含铁材料的各向异性原理感测周围磁场的变化，运用特殊工艺制成的薄膜状磁阻元件。其原理为：将4个磁阻元件构成一个金刚石状的惠斯登电桥，如图3所示。
2.3 HART协议物理层
根据HART协议物理层的要求，设计了图4所示的物理层电路。其中，HT2015是美国SMAR公司推出的专为HART设备设计的第二代低功耗调制解调器，只需外接少量元件即可构成完整的HART信号的调制解调。HT2015内部包含5个主要模块：振荡器模块、控制逻辑模块、载波检测模块、调制与发送波形整形模块、接收滤波器与解调模块。HT2015中引脚ORXD和ITXD分别和MSP430F149的异步串行通信口发送和接收端相连接。当主设备发送命令时，电流环上的HART信号送到HT2015的接收滤波器进行滤波和解调为“0”，“1”数字信号，单片机接收到有效的HART通信帧后进行命令解释，然后，返回相应的通信数字信号，经HT2015调制和波形整形后通过电容器C23加到AD421的C3端。OCD为载波检测输出，当IRXA端检测到有效的输入时，OCD端变高，产生中断，由单片机判断是否进入接收状态。INRTS是发送请求端，当CPU要返回命令时，INRTS电平变低，发送数据进入调制与发送波形整形模块。
图3 传感器原理图
AD421是美国ADI公司推出的一种单片高性能数模转换器。它由电流环供电，16位数字信号以串行方式输入，4~20mA电流输出，可实现低成本的远程智能工业控制，兼容HART协议。AD421内部含有电压调整器可提供+5，+3.3V或3V输出电压，还含有+1.25，+2.5V基准电源，均可为其自身或其他电路选用。AD421保证16位的分辨率和单调性，其积分线性误差为0.001%，失调误差为0.1%，增益误差为0.2%。
图4 HART通信协议物理层原理图
3 软件设计
单片机在上电后先执行程序初始化完成各控制寄存器的配置，如系统时钟初始化、HT2015初始化等。然后，读取FLASH中保存的参数，如，各段标定值、累计流量、报警上下限、小流量切除值等。之后，进行A/D采样，数据处理，4~20mA两线制电流输出，更新显示及保存参数等。数据处理模块包括A/D采样数据的滤波处理及根据保存的标定数据进行线性修正等。程序运行中若有中断，则置相应的标志位，分别进行HART命令处理、按键处理和定时中断处理。HART命令处理根据收到的命令进行相应的回复；按键处理可对流量计进行各段标定，4mA和20mA输出标定，小流量切除值设置，量程范围设置以及累积流量清零等操作；定时中断中则根据当前瞬时流量计算累积流量值。系统的主流程图如图5所示。
图5 系统主流程图
4 测试结果
在常温下以水作为标定介质，外接高精度电流表测量电流值，对流量计进行测试，结果如表1。由结果可知，实测电流和标称电流的相对误差不超过0.2%。通过HART智能变送器组态软件或者HART375手操器可实现HART协议的各项功能。
5 结束语
本文设计的金属管浮子流量计采用磁阻传感器进行角位移检测，使流量计的转换器不需要任何可动的机械零件，消除了机械零件之间摩擦力和传动误差，实现了流量计转换器的全电子化和小型化；同时，采用MSP430单片机进行线性修正和运算，从而使流量计的准确度、回差和重复性等主要指标得到了明显提高。可通过按键，HART375手操器或者组态软件进行多点修正、小流量切除值设置、报警设置、量程范围设置、瞬时流量和累积流量小数点设置等功能。本文设计的金属管浮子流量计具有小型化、数字化、智能化和低功耗等特点，已成功投产。