0 引言
工業儀表設備向數字化、網絡化的變遷是整個儀表行業發展必然趨勢。但是當前現場總線控制系統在功能上還不能完全取代已經發展的比較完善的DCS。在這種情況下，HART（highwayaddressableremotetransducer）協議作為一種兼容原有4～20mA模擬信號的數字通訊方式產生[1]。
本文介紹的HART協議智能變送器采用兩線制傳輸方式，這種設計方式既能給流量計提供電能，又能傳輸模擬和數字信號。這就要求流量計系統需要實現低功耗。
1 工作原理
螺旋流量計傳感器原理可以簡單用磁化線圈來說明。當管道中有流體流過時，流體的流動會帶動管道中的葉片轉動。此時葉片切割螺旋流量計傳感器的磁場，產生一個毫伏級周期性波形，波形頻率與流體流速有關。這樣通過對周期性波形頻率測量就能得到流體流速。HART傳輸則是在此基礎上，通過AD421產生4～20mA電流，利用專為實現HART協議而設計的調制解調器芯片A5191HRT來將需要傳輸的信息調制成FSK（FrequencyShiftKeying）信號或將接收外部傳送的FSK信號解調成數字信息傳輸給MCU。
HART協議規定的信號頻率（1200Hz代表l，2200Hz代表0）和傳輸速率（1200bit/s）符合美國Bell202標準。HART信號波形如圖1，這些音頻正弦波的平均值為零，所以在現存的模擬信號中不增加直流成分。因此，在2根線上可以同時傳送互不影響的模擬和數字信號。HART協議采用半雙工的通信方式，在HART通信過程中主機上位機發送命令幀，現場設備通過串行口終端接收到命令幀后由通信單元作相應的數據處理產生應答幀觸發發送終端后發出應答幀，從而完成一次命令交換。在發送應答幀之后再次進入等待狀態等待下一條主機命令。正是由于HART協議的這種優點，使它成為工業現場廣泛應用的工業標準[2]。
圖1 HART信號波形
2 系統硬件設計
系統總體框圖如圖2所示，流量計采用的16位嵌入式微處理器MSP430F435是TI公司面向低功耗儀表領域推出的16位微處理器。工作電壓范圍為1.8～3.6V，最低耗電電流為0.1μA。可以通過靈活地使用多種頻率時鐘源來實現低功耗。如采用中斷控制，數字控制的振蕩器（DCO）在小于0.6μs的時間內可以使系統從低功耗省電模式喚醒，激活到活動模式工作，當系統處理完中斷后，可通過軟件控制自動進入低功耗省電狀態[3]。從而為低功耗的實現提供了可能。MSP430F435內集成了128段液晶驅動器，可以直接驅動段碼式液晶顯示器，省去了傳統單片機系統外圍液晶驅動電路；微處理器內部集成12位逐次比較型A/D轉換器，可編程內部或外接基準源，用來對放大調理后的電壓信號進行轉換；MSP430F435內部具有256Byte用戶可編程Flash存儲器，用于存放流量計的相關重要參數，例如儀表傳感器特性曲線參數及校正參數、斷電保存的累積流量等。
圖2 智能螺旋流量計結構框圖
2.1 傳感器輸出及信號調理電路
螺旋流量計的信號輸入部分主要由傳感器和信號放大調理部分組成。信號傳感器由上面的介紹可知是一個無源傳感器，其通過葉片切割磁感應線產生一個周期性的波形。
傳感器的信號經過實際測試發現，頻率范圍在30～200Hz范圍內，幅值在50mV～300mV范圍之內。因此前置放大電路可以采用運算放大器實現，為了有效的減小共模抑制比CMRR（CommonModeRejectionRatio）的影響，因此放大電路設計成反向放大電路，放大倍數可以定為47倍。而濾波電路也可以設計成低通濾波電路。具體電路圖如圖3。
圖3 信號調理和放大電路
2.2 HART通信模塊設計
HART通信模塊由HART調制解調芯片A5191HRT及模數轉換器AD421組成，如圖4所示。
圖4 HART通信模塊電路圖
AD421是ANALOGDEVICES公司生產的一種單片低功耗、高精度、回路供電的4^20mA輸出型DAC，它為4～20mA輸出的智能型變送器提供了一種比較理想的技術方案。該芯片的數字接口為標準HART協議（三線）或其它FSK協議，DAC為16位分辨率，單調性輸出。采用回路供電方式，內含電源調整器能夠從電流環路中獲取電流，為本身和外圍器件供電，調整器的輸出電壓Vcc為+3V，+3.3V或+5V。且AD421能夠給外圍電路提供高精度的1.25V與2.5V電壓基準，數模轉換器采用∑-Δ結構DAC核和電流放大器組成，保證16位的分辨率和單調性[4]。A5191HRT是AMISemiconductor公司推出的應用于HART現場儀表的單片CMOS調制解調器，它是單片、半雙工1200b/s速率的頻移鍵控（FSK）調制解調器，可替代SYM20C15；，使用符合Be11202標準FSK頻移鍵控信號，載波為1200Hz和2200Hz；同時內部集成了接收帶通濾波器電路和發送信號波形整形電路；外接460.8kHz晶體或陶瓷濾波器內部時鐘；振蕩器或者使用外部輸人時鐘；電源電壓為3.0V-5.0V；滿足HART協議物理層的要求；功耗低。
圖4中，A5191HRT將疊加在4～20mA環路上的FSK信號經過帶通濾波、放大整形提取出來，解調為數字信號后，通過UART傳送給MSP430F435，或將從MSP430F435接收到的應答幀信息調制成FSK信號經波形整形后通過電容耦合到AD421上，通過AD421疊加在4～20mA環路上發送出去[5]。圖4中A5191HRT與MSP430F435的通信接口包括UART的HART調制輸入ITXD、載波監測OCD、請求發送INRTS、HART的解調輸出ORXD。Loop+與Loop-分別為4～20mA電流環路兩個端口，VCC為AD421對外部電路提供的3.3V供電電源。由于A5191HRT調制解調工作需要頻率為460.8kHz時鐘信號源，且時鐘信號源的頻率精度要求較高，誤差要求在1%內，而460.8kHz晶體為非標晶體，因此這里可采用MSP430F435外接1.8432MHz的標準晶振，經4分頻后與A5191HRT時鐘輸入相連或直接訂購460.8kHz的晶振。
3 系統軟件設計
螺旋流量計軟件分為四個部分，一部分是測量程序，負責傳感器信號的采集和處理；一部分是HART協議通信程序，負責使用HART協議與其它設備進行通信；一部分是將傳感器信號的頻率通過相應處理轉化成流量。最后一部分菜單設置程序，為用戶提供便利的流量計參數設置功能。
3.1 傳感器信號的采集和處理
系統采用MSP430F435為核心，該單片機具有低功耗模式特點，因此將軟件設計成單片機在程序完成系統各模塊初始化之后進入低功耗模式LPM3[6]，采用定時器作為系統心跳的方式來定時中斷喚醒執行測量程序。
當系統心跳定時器中斷產生時，系統自動執行測量程序。但是此時系統會自動的將其它中斷響應屏蔽，為防止在執行測量程序時有HART通信的請求，因此在進入心跳定時器時應先將所有屏蔽打開。
3.2 HART協議通信程序
螺旋流量計的HART協議通信程序根據HART協議規范要求，完成從設備數據鏈路層、應用層以及層間接口程序實現HART通信鏈路連接，鏈路仲裁，信號接收、識別、響應和發送。在系統開始運行時，系統自動對HART協議通信模塊的初始化配置，配置內容包括MSP430F435內部UART模塊工作方式、通信波特率、數據幀格式等。在沒有通信請求時HART協議通信程序工作在待機狀態。當A5191HRT的載波檢測輸出腳OCD變為高電平時，此時表明外部有數據傳入，此時進入HART通信模塊中斷程序處理。處理包括檢查數據幀格式，校驗碼，存放數據，執行命令，產生應答幀，將應答幀通過UART傳送給A5191HRT，由A5191HRT調制成FSK信號通過AD421疊加在4～20mA電流環上傳送給主機，在完成應答后，退出中斷子程序，若沒有接收到主機命令的情況下，儀表進入低功耗模式LPM3，利用系統心跳定時器中斷周期性地喚醒并執行測量主程序。
HART協議通信模塊采用這種接收命令并應答的方式完成現場儀表和主機之間的通信，可以實現通訊主機對現場儀表的各個工作參數的設置、測量結果的讀取、儀表工作狀態的檢測等功能，并且具有程序設計靈活的優點。
3.3 傳感器頻率信號處理程序
由上文的介紹可知傳感器輸出信號是頻率信號，當頻率信號被濾波放大采集后，MSP430F435需要對頻率進行處理，將其轉化為流量。而由于流體管道中流體流動時可能不穩定，存在一定紊流情況，再加上工業現場可能會有其它電器的干擾，因此頻率信號不會很穩定。為了得出準確而又穩定的流量，需要通過軟件的處理將干擾和波動去除。
去除干擾的方法是對頻率信號的周期寬度進行測量，由于流體流速不可能突變，因此如果在檢測的過程中發現如果突然存在信號周期比正常時的周期一半還小時，可以判定此信號為干擾，應該將其去除。去除波動的方法是使用中值濾波法。在上述去除干擾的基礎上，依次檢測得到8個瞬時流量值，此時將8個中最小的3個和最大的3個去除，再將剩下的兩個進行平均即可。這樣的話可以很有效的減小流量的波動。
4 結束語
本設計在基于傳統流量計的基礎上，加入了使用A5191HRT和AD421設計HART協議通信模塊，提高了流量計與其它儀表或上位機之間的通信聯系。同時選用了超低功耗的16位嵌入式處理器MSP430F435作為壓力變送器的核心，提高了系統的集成度同時，降低了系統功耗。
目前，該智能螺旋流量計已實現批量生產和銷售，并廣泛應用于油田注水站、注聚站等監測現場。
參考文獻
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[2]劉煥成，劉智勇，嚴征琦，等.基于HART協議智能變送器設計[J].單片機與嵌入式系統應用（合訂本），2001，（126）：82286.
[3]沈建華，楊艷琴，瞿驍曙.MSP430系列16位超低功耗單片機原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2004：902247.
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