[導讀] 介紹一種基于HART協議的金屬管浮子流量計的設計方案。應用磁阻傳感器測量金屬管浮子的角位移，利用HT2015和AD421實現HART協議通信物理層，并敘述了MSP430單片機的軟件編程，實現了各項功能和HART通信。
0 引言
金屬管浮子流量計具有靈敏度高、測量范圍寬、壓力損失較小和耐高溫、耐高壓、耐腐蝕等特點，廣泛應用于中小流速流量的工業計量。該流量計利用電容式角位移傳感器測量機械連桿的旋轉角度原理進行設計[1，2]，但電路設計復雜，功耗較大，精度不高。HART協議[3]使用FSK技術，在4~20mA模擬信號上疊加頻率信號，使得模擬信號與數字雙向通信同時進行。本文提出一種使用各向異性磁阻式傳感器，應用HT2015和AD421實現HART協議的新型智能金屬管浮子流量計的設計方案。該流量計能實現量程范圍設置、小流量切除等功能，具有功耗低、響應快等特點，能替代進口的同類型HART儀表，廣泛應用于工業計量。
1 系統結構原理
金屬管浮子流量計結構原理圖如圖1所示。它是由一個錐形管和一個置于錐形管中可以上下自由移動的浮子構成，錐形管垂直安裝，浮子重心與錐管管軸相重合，磁鋼內嵌在浮子中。當流體自下向上流入錐管時，作用在浮子上的力有3個：流體作用在浮子上的動壓力、浮子在流體中的浮力和浮子的重力。當這些力平衡時，浮子就平穩地浮在錐管內某一位置上。對于一臺給定的浮子流量計，浮子在錐管中的位置與流體流經錐管流量的大小成一一對應關系。而浮子在錐管中的位置決定于浮子的高度，因此，要實現對流量的測量取決于對浮子的高度的測量[4]。
由于浮子上下移動時，其內嵌磁鋼也隨之上下移動，與流量計外部磁鋼形成內外磁鋼磁路耦合，帶動機械連桿旋轉一定角度θ，將信號傳遞給現場顯示器，指示流量大小。故對流量大小的測量轉換為求角位移θ的大小。
圖1 結構原理圖
2 硬件設計
系統的硬件電路以MSP430F149為控制核心，主要有電源模塊和HART協議物理層模塊、液晶顯示接口及按鍵接口模塊等部分組成，如圖2所示。
圖2 系統硬件框圖
2.1 MSP430F149單片機
MSP430F149單片機為TI公司生產，具有16位的RISC結構，自帶12位的A/D轉換，CPU中的16個寄存器和常數發生器使MSP430F149能達到最高的代碼執行效率，其靈活的時鐘源可以使器件達到最低的功率消耗[5，6]。同時，MSP430F149的FLASH存儲器模塊中有2段信息段存儲器，分別為信息存儲器A和B，每段各為128字節。
2.2 傳感器模塊
本設計選用了HONEYWELL公司生產的磁阻式傳感器HMC1501來實現對機械連桿角位移的測量。它是利用含鐵材料的各向異性原理感測周圍磁場的變化，運用特殊工藝制成的薄膜狀磁阻元件。其原理為：將4個磁阻元件構成一個金剛石狀的惠斯登電橋，如圖3所示。
2.3 HART協議物理層
根據HART協議物理層的要求，設計了圖4所示的物理層電路。其中，HT2015是美國SMAR公司推出的專為HART設備設計的第二代低功耗調制解調器，只需外接少量元件即可構成完整的HART信號的調制解調。HT2015內部包含5個主要模塊：振蕩器模塊、控制邏輯模塊、載波檢測模塊、調制與發送波形整形模塊、接收濾波器與解調模塊。HT2015中引腳ORXD和ITXD分別和MSP430F149的異步串行通信口發送和接收端相連接。當主設備發送命令時，電流環上的HART信號送到HT2015的接收濾波器進行濾波和解調為“0”，“1”數字信號，單片機接收到有效的HART通信幀后進行命令解釋，然后，返回相應的通信數字信號，經HT2015調制和波形整形后通過電容器C23加到AD421的C3端。OCD為載波檢測輸出，當IRXA端檢測到有效的輸入時，OCD端變高，產生中斷，由單片機判斷是否進入接收狀態。INRTS是發送請求端，當CPU要返回命令時，INRTS電平變低，發送數據進入調制與發送波形整形模塊。
圖3 傳感器原理圖
AD421是美國ADI公司推出的一種單片高性能數模轉換器。它由電流環供電，16位數字信號以串行方式輸入，4~20mA電流輸出，可實現低成本的遠程智能工業控制，兼容HART協議。AD421內部含有電壓調整器可提供+5，+3.3V或3V輸出電壓，還含有+1.25，+2.5V基準電源，均可為其自身或其他電路選用。AD421保證16位的分辨率和單調性，其積分線性誤差為0.001%，失調誤差為0.1%，增益誤差為0.2%。
圖4 HART通信協議物理層原理圖
3 軟件設計
單片機在上電后先執行程序初始化完成各控制寄存器的配置，如系統時鐘初始化、HT2015初始化等。然后，讀取FLASH中保存的參數，如，各段標定值、累計流量、報警上下限、小流量切除值等。之后，進行A/D采樣，數據處理，4~20mA兩線制電流輸出，更新顯示及保存參數等。數據處理模塊包括A/D采樣數據的濾波處理及根據保存的標定數據進行線性修正等。程序運行中若有中斷，則置相應的標志位，分別進行HART命令處理、按鍵處理和定時中斷處理。HART命令處理根據收到的命令進行相應的回復；按鍵處理可對流量計進行各段標定，4mA和20mA輸出標定，小流量切除值設置，量程范圍設置以及累積流量清零等操作；定時中斷中則根據當前瞬時流量計算累積流量值。系統的主流程圖如圖5所示。
圖5 系統主流程圖
4 測試結果
在常溫下以水作為標定介質，外接高精度電流表測量電流值，對流量計進行測試，結果如表1。由結果可知，實測電流和標稱電流的相對誤差不超過0.2%。通過HART智能變送器組態軟件或者HART375手操器可實現HART協議的各項功能。
5 結束語
本文設計的金屬管浮子流量計采用磁阻傳感器進行角位移檢測，使流量計的轉換器不需要任何可動的機械零件，消除了機械零件之間摩擦力和傳動誤差，實現了流量計轉換器的全電子化和小型化；同時，采用MSP430單片機進行線性修正和運算，從而使流量計的準確度、回差和重復性等主要指標得到了明顯提高。可通過按鍵，HART375手操器或者組態軟件進行多點修正、小流量切除值設置、報警設置、量程范圍設置、瞬時流量和累積流量小數點設置等功能。本文設計的金屬管浮子流量計具有小型化、數字化、智能化和低功耗等特點，已成功投產。