基于HART協議的智能渦街流量計的設計與實現

在石油化工生產過程的自動檢測和控制中，為了有效地操作、控制和監測，需要檢測各種流體的流量。渦街流量計在管道內無可動部件，具有壓力損失小、運行可靠、維護簡單、測量精度高等優點［1］。HART協議智能渦街流量計在輸出（4～20）mA模擬信號上疊加數字信號進行雙向通信［2］，可傳送被測變量、儀表設置參數等多種信息，通過HART手操器可對現場儀表測量范圍、阻尼常數等進行遠程監控和設置，并能對渦街流量計故障進行自診斷。

    針對渦街傳感器在流量較低時存在較大非線性特性問題，微處理器根據其輸出特性曲線進行非線性校正，擴展了流量計的測量下限，從而提高了渦街流量計的量程比。

    1 系統工作原理與總體設計

    1.1 工作原理

    渦街傳感器信號輸出電極上產生的感應電動勢是一個交替變化的信號，它的變化頻率即為漩渦的分離頻率，根據卡門渦街理論，在一定的雷諾數范圍內，漩渦分離頻率f與流體流量u有確定的關系：

       （1）

    式中：d為漩渦發生體的特征尺寸；S_t為斯特羅哈爾數。S_t與漩渦發生體寬度d及雷諾數Re有關，當Re在2×10⁴～7×10⁶的范圍內，St基本保持不變。

    式（1）表明，當d與S_t為定值時，漩渦產生的頻率f與流體的平均流速u成正比，渦街流量計就是根據上述原理進行流量測量的。由于渦街傳感器所測的并不是平均流速，而大約是漩渦發生體兩側的流速。不同的雷諾數下，流速分布規律是不同的，即不同的流速下具有不同的流速分布，進而說明渦街流量傳感器檢測到的主要反映漩渦發生體兩側的流速與管道平均流速的關系不是唯一確定的。這說明渦街流量傳感器的非線性誤差是由其檢測機理所決定的［3］。在實際使用時，先測出傳感器的儀表系數k與頻率f的試驗曲線F（f）：

      （2）

    式中：G（f）為同一口徑的渦街傳感器具有的相同特性曲線，對該曲線進行分段線性處理，固化在流量計的存儲器中；K為平均儀表系數，可以根據實際現場工況，通過鍵盤輸入K值，從而實現渦街傳感器的非線性修正。

    1.2 系統總體設計分析

    系統主要由如下模塊組成：渦街傳感器信號調理模塊，人機交互模塊，HART通信模塊以及電源與掉電檢測模塊，系統框圖如圖1所示。    

圖1 智能渦街流量計系統框圖

    渦街傳感器信號調理模塊是將傳感器輸出的微弱信號進行濾波與放大，再經施密特觸發電路進行*，轉換為MCU可以測量的方波信號。

    人機交互模塊主要由液晶顯示屏和鍵盤組成，主要用于渦街流量計菜單設置，完成本地參數的設置和修改，并在測量狀態下將瞬時流量和累積流量實時顯示出來。

    HART通信模塊一方面將MCU輸出的數字量，經D/A與V/I轉換得到對應的（4～20）mA電流；另一方面HART調制解調器將疊加在電流環路上的FSK數字信號解調后，再經過通用串行接口送入MCU，并將MCU發送的應答幀調制成FSK數字信號，疊加在（4～20）mA電流信號上發送出去［4］。

    電源模塊將儀表安裝現場提供的24V直流電壓轉換為合適的電壓提供給其他電路模塊。掉電檢測模塊能對外部電源電壓進行監測，在系統掉電瞬間產生中斷，MCU在中斷程序中將累積流量等重要數據存儲到非易失性存儲器中。

    2 系統硬件設計

    系統采用16位嵌入式微處理器MSP430F147為控制核心，MSP430F147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［5］，微處理器內部具有定時器、內部用戶可編程Flash存儲器以及UART通用串行接口等先進外設，提高了系統的集成度與可靠性。

    2.1 信號調理模塊設計

    渦街傳感器輸出信號頻率f（漩渦的分離頻率）變化范圍為（5～600）Hz，感應信號幅度最低達0.2mV左右。

    信號調理模塊結構圖如圖2所示，傳感器輸出的微弱信號經前置放大電路、二階低通濾波電路、后置限幅放大電路、施密特*電路轉換為微處理器可以識別的TTL方波信號，送入MSP430F147的定時器捕捉端口進行頻率測量。    

圖2 傳感器信號調理模塊結構圖

    2.2 掉電檢測模塊設計

    電源掉電模塊設計采用MAXIM公司的電壓比較器MAX9017，該芯片自帶1．236V高精度電壓基準，電源電壓經電阻分壓后與高精度基準電壓比較，實現電源電壓的監控。當電源電壓低于一定值時，電壓比較器產生跳變觸發中斷，在中斷程序中，微處理器完成對累積流量等重要數據的保存。MSP430F147內部集成了256Byte用戶可編程Flash存儲器，從而省去了對外圍存儲芯片的需要。

    2.3 HART通信模塊設計

    HART通信模塊由MSP430F147微處理器、HART調制解調芯片A5191HRT和電流環產生電路組成。

    A5191HRT是AMISemiconductor公司推出的單片HART調制解調器，采用相位連續的FSK半雙工工作方式，數據率為1200b/s。A5191HRT內部集成了符合Bell202標準的調制器、解調器、接收濾波器、發送信號*電路、載波檢測等電路［6］，所以只要使用較少的外部無源元件就能夠構建滿足HART協議物理層要求的電路。

    HART通信模塊電路如圖3所示，A5191HRT與MSP430F147通用串行接口信號包括經光電隔離后的載波監測OCD、HART的解調輸出ORXD、來自UART的HART調制輸入ITXD和請求發送IN-RTS。

圖3 HART通信模塊電路圖

    電流環產生電路采用V/I轉換電路，輸入電壓范圍為（0～2.5）V，采樣電阻選用阻值為120Ω的精密金屬膜電阻，當輸入電壓為2．4V時，輸出電流為20mA。電流產生電路中的1N4148二極管作用是在電流環輸出開路時，采樣電阻上流過的電流由運放輸出端提供，從而避免運放工作在飽和狀態。圖3中I＋與I－分別為（4～20）mA電流環路兩輸出端口。

    3 系統軟件設計

    系統軟件主要由五部分組成：①測頻子程序，負責傳感器信號頻率的測量；②定時器“心跳”程序，實現非線性校正、累積計算和輸出顯示；③HART通信子程序，當檢測到HART通信載波信號時，進入中斷子程序，進行信號的接收、識別和響應；④掉電保護子程序；⑤菜單設置程序，當有按鍵按下時，可以對流量計進行本地參數設置和修改。

    系統上電復位后，MSP430F147首先完成各模塊初始化，之后進入低功耗模式LPM3［7］。通過中斷喚醒MCU的方式執行相應功能模塊，中斷完成后恢復低功耗模式。系統軟件流程圖如圖4所示。

圖4 軟件流程圖      

    3.1 非線性校正算法設計

    采用分段直線方程的非線性校正方法，傳感器試驗得出的特性曲線反應的是傳感器輸出頻率與儀表系數的對應關系，對曲線進行合適的分段，每一段曲線可以近似看成是一直線段，曲線分段后，各段端點對應被測頻率信號分別為F0，F1，F2…Fm，傳感器對應的儀表系數為K0，K1，K2…Km，其中F0、Fm分別對應被測頻率最小值與最大值。顯然曲線上任一點可由分段直線段上的點近似表示，則有：

        （3）

    式（3）就是得到的兩點式分段直線校正方程。在系統上電初始化是先依次把校正方程參數（Fi，Ki）（其中i=1，2，3，…，m）讀入內存，在非線性校準時，先要判斷當前測得頻率f位于哪一個直線段，再根據相應的直線段校正參數，由校正方程求出相應的儀表系數。渦街傳感器非線性校正與流量積算在定時器“心跳”斷程序中實現，具體算法軟件流程圖如圖5所示。    

圖5 非線性校正算法流程圖

    3.2 HART通信軟件設計

    HART協議通信程序根據HART協議規范要求，主要由HART協議數據鏈路層和應用層軟件構成。渦街流量計在HART協議通信時作為從設備使用終端，系統僅需進行從設備通信軟件設計。

    由于HART總線為半雙工模式，從設備必須在接收到通信主機（上位機或手操器）命令幀后，由微處理器做出相應的數據處理，并產生應答幀。為了能夠及時地接收到主機發送的命令又不影響主程序正常運行，HART通信模塊程序主要在中斷程序來實現。當A5191HRT的載波檢測輸出腳OCD變為高電平時，觸發硬件中斷，MCU完成主機命令的接收和處理后，生成相應的應答幀，在完成應答后，退出中斷子程序。HART通信程序流程圖如圖6所示。

圖6 HART通信程序流程圖

    HART協議通信模塊采用這種接收命令并應答的方法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。    

    4 結語

    該智能渦街流量計充分利用微處理器MSP430F147內部功能模塊，提高了系統集成度與可靠性，采用了簡單實用且方便實現的分段直線方程的非線性校正算法，有效地解決了渦街傳感器非線性特性的問題。采用該算法后，試驗運行表明，流量計的量程比可達25∶1。

    儀表硬件上設計了隔離式的HART通信模塊，通信軟件設計符合HART協議要求，可由上位機或手操器進行遠程操作，并且數字通信不影響（4～20）mA模擬信號輸出，與傳統模擬儀表有較好的兼容性。目前，該智能渦街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］馬小永，黃玲．傳統變送器的HART改造［J］．自動化儀表，2005，26（1）：22－24．
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    ［4］崔巍，朱迎春．HART協議在智能化儀表中的研究與應用［J］．中國儀器儀表，2006（11）：73－75．
    ［5］謝敏．基于MSP430的低功耗儀表系統設計［J］．微計算機信息，2007，23（8－1）：142－144．
    ［6］顧偉，周建明．A5191HRT型HART調制解調器的原理與應用［J］．國外電子元器件，2006（4）：28－31．
    ［7］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．