隨著工業的發展,電磁流量計因其無污染成為目前國內市場運用得較多的一種流量儀表。智能化是電磁流量計的發展趨勢。國外的一些知名儀器儀表公司如E+H公司、 Rosemount公司均開發生產了智能化的電磁流量計。相對來說,我國在這一產品的開發起步較晚,技術還不是十分成熟。筆者有幸參與了國內現場總線型智能電磁流量計研究、開發和工程化課題的一些相關工作。可以說,這一課題的開發將大大縮小與國外同類產品的差距,有力推動我國智能電磁流量計產品的發展,加速我國儀器儀表的國產化進程。
1、電磁流量計的工作原理及組成
電磁流暈計的工作原理為法拉第電磁感應定律。導電液體在磁場中流動切割磁力線,產生感應電勢E。
E=KBLV
K為比例常數;
B為磁感應強度;
L為測量電極之間的距離;
V為被測流體在磁場中運動的平均速度。
電磁流量計主要由變送器(又稱一次裝置、檢出器或傳感器)和轉換器(又稱二次裝置或變換器)及流量顯示儀表3部分組成。變送器把流過的被測液體的流量轉換為相應的感應電勢。轉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電壓信號放大并轉換成為可被工業儀表接收的標準直流電流、電壓或脈沖信號輸出,以便與儀表及調節器配合,實現流的指示、記錄和運算。
本文主要討論的是如何實現電磁流量計轉換器的智能化,以及轉換器與 HART通信協議的接口實現。傳統的電磁流量計一旦開機后,能自動進行連續不斷的測量,但外界無法控制其運行情況,只能按生產時規定的運行方式運行,因此功能比較單一,無法滿足現代測量靈活實時的要求。所謂電磁流計的智能化,就是流量計開機后,能按照程序規定的模式進行測量,并且在運行過程中,能接受外界的意圖,根據外界的命令隨時做出相應的調整。因此智能化的電磁流量計功能較齊全,并能由人為控制,運行相當靈活。例如,當電磁流量計以30Hz的勵磁頻率進行測量時,測量人員根據流量的實際情況,想把勵磁頻率改為60Hz,就可以根據產品說明書,按下電磁流量計的某個按鈕,使儀表按照要求做出改變,而傳統的流量計是無法做到這一點的。當然,這種智能化的實現是建立在單片機系統上的。而所謂的HART協議其目的是在智能化的基礎上將各種類型儀表統一起來,同一指令能控制多種儀表,使各儀表能彼此聯系,協調工作。
(1)智能電磁流量計轉換器的主要功能
1)A/D采樣,每隔1/12s采樣一次
2)D/A轉換,輸出4~20mA電流
3)產生電磁流量計必需的2路相位相反、頻率相同的勵磁方波信號,要求類率為30、60Hz兩種;
4)產生對2路勵磁方波信號高電平接近下降沿的20ms脈沖采樣信號;
5)液晶顯示,顯示流量結果、檢測狀態(空/滿管狀態、正/反流量)、設置參數和自診斷結果等;
6)鍵盤管理,設置3個按鍵,對鍵盤動作進行處理；
7)脈沖量輸出,將流量結果轉換成0-10Hz范圍內的脈沖信號輸出;
8)兼容HART協議,對手持式通信器發出的命令作出反應;
9)流量狀態檢測/輸出,檢測管道為空管或滿管,流量方向為正向或反向,并輸出相應的開關量等。
(2)設計思路及功能的實現
根據工作條件,選擇 Motorola公司M68HC11系列的單片機設計智能化方案。M68HC11系列以功能強、速度高著稱,是功能*強的8位單片機。它與其他系列單片機*的區別在于其具有4種工作方式:正常單片方式、正常擴展方式、特殊自引導方式及特殊測試方式。對于開發儀表, Motorola公司推薦使用正常單片方式。單片機處于正常單片方式時對外不提供地址線和數據線。由于內部帶有相當可觀的RAM和ROM,通常不需要外接存儲器,并且具備相當多的并行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系列開發儀表,相對來說,能大大簡化系統設計,減小系統體積,接口簡單,便于調試。
由于此項目對智能電磁流量計的要求很高,不僅要求具備電磁流量計的基本測量功能,液晶顯示模塊還要能夠顯示大量的信息,并且要能與HART協議兼容。隨之帶來的問題是功能越多,結構越復雜。由塊單片機來實現全部的功能是不太可能的。比較國外的同類產品可以發現,它們均采用了多CPU系統。因此設計了一套多CPU系統的方案。其中一片CPU作為主機,負責實現A/D采樣、D/A轉換、與HART通信協議的接口及開關量檢測、輸出功能。主機另個重要任務是合理安排測量程序,以及如何與其他CPU的通信問題。其余CPU均作為從機。主要用于實現勵磁方波信號、脈沖采樣信號、液晶顯示及鍵盤管理。顯而易見,多CPU之間的數據交換是非常頻繁復雜的。如何實現CPU之間的數據通信以及如何做到它們之間的協調,是所有問題中*關鍵的一個。
M68HC11系列的單片機之間的通信可采用同步串行通信口SPI。采用串行通信的優點在于連接簡單,傳輸迅速。但國內大多數產品及文獻只涉及了比較簡單的雙CPU通信。對于多CPU的相互通信卻提及甚少。SPI是 Motorola單片機**的一種功能,主要用于與外圍器件通信,也可在多機系統中完成處理機之間的通信。SPI系統具有足夠的靈活性,只要用法得當,考慮周密,完全可以勝任多CPU的通信問題。
SPI使用3根線進行通信:數據入、數據出和串行時鐘。包含4個引腳:MISO主機輸入從機輸出腳MOSI主機輸入從機輸出腳、SCLK時鐘腳及SS腳。單片機設置為主機方式時,SCLK信號由內部CPU總線時鐘給出。單片機為從機方式時,在允許SPI系統后,SS為輸入腳,它用于允許SPI從機發送數據,相當于從機的片選信號。圖1為利用SPI進行雙機通信的示意圖。
在整個單片機設計系統中,必須自始至終保證只能有一片單片機作為主機。當一片單片機設置為主機后,其余的單片機只能作為從機。圖1中,主機的Ss接高電平。主機的一個I/O腳PCO用于控制從機的SRPI允許SS腳工作。當PCO設置為低電平時,允許從機的SPI工作。在傳送時,數據同時發送(串行移位輸出)和接收(串行移位輸入)。不論是主機接收、從機發送,還是主機發送、從機接收,均由主機啟動次傳送過程,因此,當主機檢測到從機發來的準備好信號后オ啟動一次傳送。因此,兩片單片機之間必須有相互握手信號。*簡單的實現辦法是兩片單片機的某兩個I/O腳對接,一根線用于主機發送、從機檢
測,一根用于從機發送、主機檢測。無論發送或接收,兩片單片機均可相互查詢,以便做到相互之間的協調同步。例如,主機想要向從機發送數據,就應先發出請求,當檢測到從機的回應,表示準備就緒之后,主機才能開始發送;否則,主機發送而從機還在處理其他程序,就會導致從機根本未接收到或接收得不完整,導致通信錯誤。多單片機系統設計的原理與上述類似,區別在于主機必須由不同的I/O腳來控制各個從機的SS端,對各從機分別選中。同樣必須注意的是主機與從機之間的通信同步問題,也就是說,各個主機與從機之間必須設有各自的握手信號,能通過查詢進行相互之間的請求和作出回應。數據傳送必須完整無遺漏,這就要求主、從機之間發送、接收同時進行。
3、 HART通信協議
所謂現場總線,就是 Rosemount公司同國際標準化委員會一起協作定義的一種高速現場通信標準。這種新的標準具有更強的功能,既增加了通信速度,又增強了數據可存取性。本項目采用的現場總線標準為HART通信協議。HART協議采用標準的Bel202頻移鍵控信號以12000/s通信,以低電平加載于4~-20mA模擬測量信號上。由于載波信號的平均值為零,如圖2所示,它對模擬信號沒有影響。
HART協議是一個主從協議,這意味著現場裝置僅在被查詢時才響應。每個信息包含源地址、目的地址和一個用于檢測信息正誤的校驗和,如圖3所示。
HART協議的命令分為3組:通用命令是所有現場裝置都配備的,如讀制造商碼和設備類型,讀傳感器編號和極限等;專用命令提供的功能大部分裝置都配備,如寫阻尼時間常數和執行自檢等;特殊命令所提供的功能只對一些特殊的現場裝置適用,如讀或寫低流量截止值和讀結構材料信息等。
HART協議手持式通信器與智能電磁流量計轉換器單片機的通信采用專用調制解調芯片HT20C15來實現。D/A轉換輸出的4~20mA的電流正是HART通信所必須的信號載體。當手持式通信器發出命令后,加載了數字信息的模擬電流通過HT20C15芯片,濾去模擬成分,保留數字信息,通過單片機的異步串行通信口就能傳輸給單片機。而單片機就能根據接收的數字信息加以鑒別,從而執行這組數字信息所代表的命令。這就是HART協議的通俗解釋。
HT20C15是專為HART通信設計的調制解調芯片。它與單片機的通信采用了單片機的異步串行通信接口SCI。串行口的大量應用是符合設計簡單原則的,在儀表開發中也經常大量運用串行外圍器件。
4、結束語
綜上所述,在整個現場總線的智能電磁流量計轉換器系統中,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,還用于擴展A/D、D/A芯片,即A/D、D/A轉換與單片機之間的數據交換都由SPI口來實現。值得欣喜的是,在調試階段,SPI口擴展A/D、D/A芯片已經實現,CPU之間的通信在不斷摸素中也已經達到預期的目標,能做到各CPU之間的通信數據準確無
誤,為我們積累了使用SPI口的經驗。對于SCI口與單片機的通信,也已經獲得了初步的成功。現場總線智能電磁流量計的研究和開發,對提高我國在智能電磁流量計領域方面的技術具有積極的意義。從某種程度上來說,現場總線的智能型儀表在國內仍是一個空白,其具有的高速通信、可靠運行及方便的人機交流的優點是令人無法忽視的。
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