隨著工業(yè)的發(fā)展,電磁流量計(jì)因其無(wú)污染成為目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)運(yùn)用得較多的一種流量?jī)x表。智能化是電磁流量計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)。國(guó)外的一些知名儀器儀表公司如E+H公司、 Rosemount公司均開(kāi)發(fā)生產(chǎn)了智能化的電磁流量計(jì)。相對(duì)來(lái)說(shuō),我國(guó)在這一產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)起步較晚,技術(shù)還不是十分成熟。筆者有幸參與了國(guó)內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)型智能電磁流量計(jì)研究、開(kāi)發(fā)和工程化課題的一些相關(guān)工作?？梢哉f(shuō),這一課題的開(kāi)發(fā)將大大縮小與國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品的差距,有力推動(dòng)我國(guó)智能電磁流量計(jì)產(chǎn)品的發(fā)展,加速我國(guó)儀器儀表的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程。
1、電磁流量計(jì)的工作原理及組成
電磁流暈計(jì)的工作原理為法拉第電磁感應(yīng)定律。導(dǎo)電液體在磁場(chǎng)中流動(dòng)切割磁力線(xiàn),產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)E。
E=KBLV
K為比例常數(shù);
B為磁感應(yīng)強(qiáng)度;
L為測(cè)量電極之間的距離;
V為被測(cè)流體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的平均速度。
電磁流量計(jì)主要由變送器(又稱(chēng)一次裝置、檢出器或傳感器)和轉(zhuǎn)換器(又稱(chēng)二次裝置或變換器)及流量顯示儀表3部分組成。變送器把流過(guò)的被測(cè)液體的流量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的感應(yīng)電勢(shì)。轉(zhuǎn)換器的作用是把電磁流量變送器輸出的與流量成比例的毫伏級(jí)電壓信號(hào)放大并轉(zhuǎn)換成為可被工業(yè)儀表接收的標(biāo)準(zhǔn)直流電流、電壓或脈沖信號(hào)輸出,以便與儀表及調(diào)節(jié)器配合,實(shí)現(xiàn)流的指示、記錄和運(yùn)算。
本文主要討論的是如何實(shí)現(xiàn)電磁流量計(jì)轉(zhuǎn)換器的智能化,以及轉(zhuǎn)換器與 HART通信協(xié)議的接口實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)的電磁流量計(jì)一旦開(kāi)機(jī)后,能自動(dòng)進(jìn)行連續(xù)不斷的測(cè)量,但外界無(wú)法控制其運(yùn)行情況,只能按生產(chǎn)時(shí)規(guī)定的運(yùn)行方式運(yùn)行,因此功能比較單一,無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)代測(cè)量靈活實(shí)時(shí)的要求。所謂電磁流計(jì)的智能化,就是流量計(jì)開(kāi)機(jī)后,能按照程序規(guī)定的模式進(jìn)行測(cè)量,并且在運(yùn)行過(guò)程中,能接受外界的意圖,根據(jù)外界的命令隨時(shí)做出相應(yīng)的調(diào)整。因此智能化的電磁流量計(jì)功能較齊全,并能由人為控制,運(yùn)行相當(dāng)靈活。例如,當(dāng)電磁流量計(jì)以30Hz的勵(lì)磁頻率進(jìn)行測(cè)量時(shí),測(cè)量人員根據(jù)流量的實(shí)際情況,想把勵(lì)磁頻率改為60Hz,就可以根據(jù)產(chǎn)品說(shuō)明書(shū),按下電磁流量計(jì)的某個(gè)按鈕,使儀表按照要求做出改變,而傳統(tǒng)的流量計(jì)是無(wú)法做到這一點(diǎn)的。當(dāng)然,這種智能化的實(shí)現(xiàn)是建立在單片機(jī)系統(tǒng)上的。而所謂的HART協(xié)議其目的是在智能化的基礎(chǔ)上將各種類(lèi)型儀表統(tǒng)一起來(lái),同一指令能控制多種儀表,使各儀表能彼此聯(lián)系,協(xié)調(diào)工作。
(1)智能電磁流量計(jì)轉(zhuǎn)換器的主要功能
1)A/D采樣,每隔1/12s采樣一次
2)D/A轉(zhuǎn)換,輸出4~20mA電流
3)產(chǎn)生電磁流量計(jì)必需的2路相位相反、頻率相同的勵(lì)磁方波信號(hào),要求類(lèi)率為30、60Hz兩種;
4)產(chǎn)生對(duì)2路勵(lì)磁方波信號(hào)高電平接近下降沿的20ms脈沖采樣信號(hào);
5)液晶顯示,顯示流量結(jié)果、檢測(cè)狀態(tài)(空/滿(mǎn)管狀態(tài)、正/反流量)、設(shè)置參數(shù)和自診斷結(jié)果等;
6)鍵盤(pán)管理,設(shè)置3個(gè)按鍵,對(duì)鍵盤(pán)動(dòng)作進(jìn)行處理；
7)脈沖量輸出,將流量結(jié)果轉(zhuǎn)換成0-10Hz范圍內(nèi)的脈沖信號(hào)輸出;
8)兼容HART協(xié)議,對(duì)手持式通信器發(fā)出的命令作出反應(yīng);
9)流量狀態(tài)檢測(cè)/輸出,檢測(cè)管道為空管或滿(mǎn)管,流量方向?yàn)檎蚧蚍聪?并輸出相應(yīng)的開(kāi)關(guān)量等。
(2)設(shè)計(jì)思路及功能的實(shí)現(xiàn)
根據(jù)工作條件,選擇 Motorola公司M68HC11系列的單片機(jī)設(shè)計(jì)智能化方案。M68HC11系列以功能強(qiáng)、速度高著稱(chēng),是功能*強(qiáng)的8位單片機(jī)。它與其他系列單片機(jī)*的區(qū)別在于其具有4種工作方式:正常單片方式、正常擴(kuò)展方式、特殊自引導(dǎo)方式及特殊測(cè)試方式。對(duì)于開(kāi)發(fā)儀表, Motorola公司推薦使用正常單片方式。單片機(jī)處于正常單片方式時(shí)對(duì)外不提供地址線(xiàn)和數(shù)據(jù)線(xiàn)。由于內(nèi)部帶有相當(dāng)可觀的RAM和ROM,通常不需要外接存儲(chǔ)器,并且具備相當(dāng)多的并行I/O口及高速的同步串行通信口和異步串行通信口。采用M68HC11系列開(kāi)發(fā)儀表,相對(duì)來(lái)說(shuō),能大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì),減小系統(tǒng)體積,接口簡(jiǎn)單,便于調(diào)試。
由于此項(xiàng)目對(duì)智能電磁流量計(jì)的要求很高,不僅要求具備電磁流量計(jì)的基本測(cè)量功能,液晶顯示模塊還要能夠顯示大量的信息,并且要能與HART協(xié)議兼容。隨之帶來(lái)的問(wèn)題是功能越多,結(jié)構(gòu)越復(fù)雜。由塊單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)全部的功能是不太可能的。比較國(guó)外的同類(lèi)產(chǎn)品可以發(fā)現(xiàn),它們均采用了多CPU系統(tǒng)。因此設(shè)計(jì)了一套多CPU系統(tǒng)的方案。其中一片CPU作為主機(jī),負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)A/D采樣、D/A轉(zhuǎn)換、與HART通信協(xié)議的接口及開(kāi)關(guān)量檢測(cè)、輸出功能。主機(jī)另個(gè)重要任務(wù)是合理安排測(cè)量程序,以及如何與其他CPU的通信問(wèn)題。其余CPU均作為從機(jī)。主要用于實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁方波信號(hào)、脈沖采樣信號(hào)、液晶顯示及鍵盤(pán)管理。顯而易見(jiàn),多CPU之間的數(shù)據(jù)交換是非常頻繁復(fù)雜的。如何實(shí)現(xiàn)CPU之間的數(shù)據(jù)通信以及如何做到它們之間的協(xié)調(diào),是所有問(wèn)題中*關(guān)鍵的一個(gè)。
M68HC11系列的單片機(jī)之間的通信可采用同步串行通信口SPI。采用串行通信的優(yōu)點(diǎn)在于連接簡(jiǎn)單,傳輸迅速。但國(guó)內(nèi)大多數(shù)產(chǎn)品及文獻(xiàn)只涉及了比較簡(jiǎn)單的雙CPU通信。對(duì)于多CPU的相互通信卻提及甚少。SPI是 Motorola單片機(jī)**的一種功能,主要用于與外圍器件通信,也可在多機(jī)系統(tǒng)中完成處理機(jī)之間的通信。SPI系統(tǒng)具有足夠的靈活性,只要用法得當(dāng),考慮周密,完全可以勝任多CPU的通信問(wèn)題。
SPI使用3根線(xiàn)進(jìn)行通信:數(shù)據(jù)入、數(shù)據(jù)出和串行時(shí)鐘。包含4個(gè)引腳:MISO主機(jī)輸入從機(jī)輸出腳MOSI主機(jī)輸入從機(jī)輸出腳、SCLK時(shí)鐘腳及SS腳。單片機(jī)設(shè)置為主機(jī)方式時(shí),SCLK信號(hào)由內(nèi)部CPU總線(xiàn)時(shí)鐘給出。單片機(jī)為從機(jī)方式時(shí),在允許SPI系統(tǒng)后,SS為輸入腳,它用于允許SPI從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù),相當(dāng)于從機(jī)的片選信號(hào)。圖1為利用SPI進(jìn)行雙機(jī)通信的示意圖。
在整個(gè)單片機(jī)設(shè)計(jì)系統(tǒng)中,必須自始至終保證只能有一片單片機(jī)作為主機(jī)。當(dāng)一片單片機(jī)設(shè)置為主機(jī)后,其余的單片機(jī)只能作為從機(jī)。圖1中,主機(jī)的Ss接高電平。主機(jī)的一個(gè)I/O腳PCO用于控制從機(jī)的SRPI允許SS腳工作。當(dāng)PCO設(shè)置為低電平時(shí),允許從機(jī)的SPI工作。在傳送時(shí),數(shù)據(jù)同時(shí)發(fā)送(串行移位輸出)和接收(串行移位輸入)。不論是主機(jī)接收、從機(jī)發(fā)送,還是主機(jī)發(fā)送、從機(jī)接收,均由主機(jī)啟動(dòng)次傳送過(guò)程,因此,當(dāng)主機(jī)檢測(cè)到從機(jī)發(fā)來(lái)的準(zhǔn)備好信號(hào)后オ啟動(dòng)一次傳送。因此,兩片單片機(jī)之間必須有相互握手信號(hào)。*簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)辦法是兩片單片機(jī)的某兩個(gè)I/O腳對(duì)接,一根線(xiàn)用于主機(jī)發(fā)送、從機(jī)檢
測(cè),一根用于從機(jī)發(fā)送、主機(jī)檢測(cè)。無(wú)論發(fā)送或接收,兩片單片機(jī)均可相互查詢(xún),以便做到相互之間的協(xié)調(diào)同步。例如,主機(jī)想要向從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù),就應(yīng)先發(fā)出請(qǐng)求,當(dāng)檢測(cè)到從機(jī)的回應(yīng),表示準(zhǔn)備就緒之后,主機(jī)才能開(kāi)始發(fā)送;否則,主機(jī)發(fā)送而從機(jī)還在處理其他程序,就會(huì)導(dǎo)致從機(jī)根本未接收到或接收得不完整,導(dǎo)致通信錯(cuò)誤。多單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原理與上述類(lèi)似,區(qū)別在于主機(jī)必須由不同的I/O腳來(lái)控制各個(gè)從機(jī)的SS端,對(duì)各從機(jī)分別選中。同樣必須注意的是主機(jī)與從機(jī)之間的通信同步問(wèn)題,也就是說(shuō),各個(gè)主機(jī)與從機(jī)之間必須設(shè)有各自的握手信號(hào),能通過(guò)查詢(xún)進(jìn)行相互之間的請(qǐng)求和作出回應(yīng)。數(shù)據(jù)傳送必須完整無(wú)遺漏,這就要求主、從機(jī)之間發(fā)送、接收同時(shí)進(jìn)行。
3、 HART通信協(xié)議
所謂現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn),就是 Rosemount公司同國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)一起協(xié)作定義的一種高速現(xiàn)場(chǎng)通信標(biāo)準(zhǔn)。這種新的標(biāo)準(zhǔn)具有更強(qiáng)的功能,既增加了通信速度,又增強(qiáng)了數(shù)據(jù)可存取性。本項(xiàng)目采用的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)為HART通信協(xié)議。HART協(xié)議采用標(biāo)準(zhǔn)的Bel202頻移鍵控信號(hào)以12000/s通信,以低電平加載于4~-20mA模擬測(cè)量信號(hào)上。由于載波信號(hào)的平均值為零,如圖2所示,它對(duì)模擬信號(hào)沒(méi)有影響。
HART協(xié)議是一個(gè)主從協(xié)議,這意味著現(xiàn)場(chǎng)裝置僅在被查詢(xún)時(shí)才響應(yīng)。每個(gè)信息包含源地址、目的地址和一個(gè)用于檢測(cè)信息正誤的校驗(yàn)和,如圖3所示。
HART協(xié)議的命令分為3組:通用命令是所有現(xiàn)場(chǎng)裝置都配備的,如讀制造商碼和設(shè)備類(lèi)型,讀傳感器編號(hào)和極限等;專(zhuān)用命令提供的功能大部分裝置都配備,如寫(xiě)阻尼時(shí)間常數(shù)和執(zhí)行自檢等;特殊命令所提供的功能只對(duì)一些特殊的現(xiàn)場(chǎng)裝置適用,如讀或?qū)懙土髁拷刂怪岛妥x結(jié)構(gòu)材料信息等。
HART協(xié)議手持式通信器與智能電磁流量計(jì)轉(zhuǎn)換器單片機(jī)的通信采用專(zhuān)用調(diào)制解調(diào)芯片HT20C15來(lái)實(shí)現(xiàn)。D/A轉(zhuǎn)換輸出的4~20mA的電流正是HART通信所必須的信號(hào)載體。當(dāng)手持式通信器發(fā)出命令后,加載了數(shù)字信息的模擬電流通過(guò)HT20C15芯片,濾去模擬成分,保留數(shù)字信息,通過(guò)單片機(jī)的異步串行通信口就能傳輸給單片機(jī)。而單片機(jī)就能根據(jù)接收的數(shù)字信息加以鑒別,從而執(zhí)行這組數(shù)字信息所代表的命令。這就是HART協(xié)議的通俗解釋。
HT20C15是專(zhuān)為HART通信設(shè)計(jì)的調(diào)制解調(diào)芯片。它與單片機(jī)的通信采用了單片機(jī)的異步串行通信接口SCI。串行口的大量應(yīng)用是符合設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單原則的,在儀表開(kāi)發(fā)中也經(jīng)常大量運(yùn)用串行外圍器件。
4、結(jié)束語(yǔ)
綜上所述,在整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的智能電磁流量計(jì)轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)中,不僅用到了同步串行通信口SPI,還用到了異步串行通信口scCI。SPI除了用于CPU之間的通信,還用于擴(kuò)展A/D、D/A芯片,即A/D、D/A轉(zhuǎn)換與單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換都由SPI口來(lái)實(shí)現(xiàn)。值得欣喜的是,在調(diào)試階段,SPI口擴(kuò)展A/D、D/A芯片已經(jīng)實(shí)現(xiàn),CPU之間的通信在不斷摸素中也已經(jīng)達(dá)到預(yù)期的目標(biāo),能做到各CPU之間的通信數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無(wú)
誤,為我們積累了使用SPI口的經(jīng)驗(yàn)。對(duì)于SCI口與單片機(jī)的通信,也已經(jīng)獲得了初步的成功?，F(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)智能電磁流量計(jì)的研究和開(kāi)發(fā),對(duì)提高我國(guó)在智能電磁流量計(jì)領(lǐng)域方面的技術(shù)具有積極的意義。從某種程度上來(lái)說(shuō),現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的智能型儀表在國(guó)內(nèi)仍是一個(gè)空白,其具有的高速通信、可靠運(yùn)行及方便的人機(jī)交流的優(yōu)點(diǎn)是令人無(wú)法忽視的。
上一條：
嵌入式電磁流量計(jì)智能監(jiān)控終端的設(shè)計(jì)
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電磁流量計(jì)在復(fù)雜工業(yè)管道中的選型與安裝
