电磁流量计的hart通信设计

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1、电磁流量计的HART通信设计刘志梅、陆德康、杨艳、林志良（宁波东海仪表水道有限公司，浙江宁波315181）摘要：本文在简述电磁流量计原理和设计的基础上，重点讨论了电磁流量计的励磁电路和HART通信协议，从硬件电路和软件程序两个方面对系统设计进行了阐述。本设计可实现自动化控制，极大便利了电磁流量计的现场应用和维护。关键词：电磁流量计；励磁；HART0引言电磁流量计由于传感器结构简单、测量精度高、量程比宽、重复性和线性度优良、压损极底、适用范围广等优点[1]，在石化、电力、冶金、制药等行业和排水、污水处理、引水工程等项目应用广泛[2]。 现场总线技术作为当今自动

2、化领域技术发展的热点之一，可实时、高效、方便可靠地从现场得到详尽的仪表诊断、维护和管理信息。HART通信协议是一种现场总线过渡性协议，因其具有模拟信号和数字信号兼容的特性，在目前的智能仪表设计中有着广泛的应用。通过HART协议，在原有的4-20mA回路上叠加频率信号，即可实现对现场仪表的量程、阻尼等参数的设置，过程变量的监控，故障的判断，实现双向通信[3]。本文在研发新型电磁流量计0.5级、量程比优于50:1，励磁电流80mA的基础上，增加了HART通信部分的设计。该电磁流量计不仅具有良好的精度、量程比和线性度，同时可方便的与HART手抄器和上位机进行可靠通

3、讯。电磁流量计使用广泛、运行环境复杂，HART通信技术极大的便利了仪表的维护管理、流量数据的通讯和实时监控。1电磁流量计与HART通信基于法拉第电磁感应原理，电磁流量计的关键部件是励磁电路和一对严格对称的电极，电极信号的幅度与流体流速成正比，是一种计量导电液体流量的速度式仪表[4]8。电磁流量计的通讯方式较多，通常包括定量脉冲输出，即一个脉冲当量代表1m3或0.1m3，常用于累积流量的标定；频率输出，如0-5KHz或0-10KHz，以频率代表瞬时流量的大小；RS485通讯，联合上位机进行Modbus或485通讯，实现流量数据的传递，是一种数字通讯方式；4-2

4、0mA电流输出，电流代表瞬时流量的大小，常用于报警或者控制。HART是在原有4-20mA环路的基础上，叠加数字信号进行双向通讯。采用HART通讯，不仅可以获取仪表的过程变量如瞬时流量、4-20mA电流等，还可获得其他类型的信息，如设备状态和诊断报警；基于协议，仪表的互操作性强。HART手抄器的应用，使得现场维护和诊断更为的有效。本文的电磁流量计的HART通讯设计，从HART协议命令出发，除包括通用命令和常用命令外，主要在于专有命令的实现。通用命令仅能实现阻尼、量程上限、下限等基本参数的设置及极少过程变量的监控。要实现电磁流量计的灵活控制和完备功能，需增加专有

5、命令，电磁流量计的关键参数如口径、累积流量、报警功能、小流量修正等。2系统硬件设计仪表总体结构如图1所示。仪表的主芯片采用TI的微功耗芯片MSP430F5418A，主要包含励磁电路、信号处理模块、4-20mAHART通讯模块以及按键、显示和存储部分。图1.仪表系统总体结构框图仪表系统初始化上电后，主芯片定时控制励磁电路产生三值波励磁信号[5]8，电磁流量计传感器感应到励磁信号后，在对称电极间产生微弱的电压信号，即与流速成正比的流量信号。经过信号处理电路后，主芯片计算瞬时流量以及累积流量等实时测量数据，送数据库存储并显示。AD421模块对测量的瞬时流量进行4-

6、20mA的转换，A5191HRT调制解调模块配合实现HART通讯功能，调制或者解调4-20mA环路上的FSK频率信号。按键和显示用于对系统菜单的设置，如口径、阻尼、量程范围等参数的设置。此外，本系统还包含红外通讯、掉电检测模块、RS485通讯模块、0-10KHz频率输出模块等，因不是本文的重点，不详细叙述。2.1励磁模块设计励磁电路是电磁电流计的关键技术之一，传感器的工作磁场由励磁电路产生，与仪表测量的准确度息息相关。励磁电路用于提供低频三值矩形波。要提供稳定变化的磁场，需解决的核心问题是恒定的励磁电流，即恒流源和励磁电流频率的稳定控制。图2.励磁电路及对应

7、的三值波输出图2为本文电磁流量计的励磁电路。当三极管BGN1、BGN4导通，励磁电流从K1流向K2；当三极管BGN1、BGN2、BGN3和BGN4均不导通，无励磁电流，当三极管BGN2、BGN3导通，励磁电流从K2流向K1，因此产生恒流三值波，如图2，第一、二、三、四三极管也可以是达林顿管。2.2HART通信模块设计图3为HART通讯模块原理框图，包括三大部分：主芯片，DA转换模块和调制解调模块。基本的原理如下：主芯片将测量的瞬时流量通过DA转换模块形成4-20mA电流环路；8HART信号是叠加在4-20mA电流上的频率信号，HART调制解调模块从4-20m

8、A环路上通过IRXA脚接收HART信号进行解调，解调