電磁流量計(jì)的工作原理及組成
電磁流量計(jì)的工作原理為法拉第電磁感應(yīng)定律。導(dǎo)電液體在磁場中流動切割磁力線，產(chǎn)生感應(yīng)電勢。表達(dá)式為：
E=KBLv
式中，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度；L為測量電之間的距離；v為被測流體在磁場中運(yùn)動的平均速度；K為比例常數(shù)。
電磁流量計(jì)主要由變送器（又稱一次裝置、檢出器或傳感器）和轉(zhuǎn)換器（又稱二次裝置或變換器）及流量顯示儀表三部分組成。變送器把流過的被測液體的流量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的感應(yīng)電勢。轉(zhuǎn)換器的作用是把電磁流量變送器輸出的和流量成比例的毫伏級電壓信號放大并轉(zhuǎn)換成為可被工業(yè)儀表接收的標(biāo)準(zhǔn)直流電流、電壓或脈沖信號輸出，以便與儀表及調(diào)節(jié)器配合，實(shí)現(xiàn)流量的指示、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)一旦開機(jī)后，能自動進(jìn)行連續(xù)不斷的測量，但外界無法控制其運(yùn)行情況，它只能按生產(chǎn)時(shí)規(guī)定的運(yùn)行方式運(yùn)行，因此功能比較單一，運(yùn)行比較死板，無法滿足現(xiàn)代測量靈活實(shí)時(shí)的要求。所謂電磁流量計(jì)的智能化，就是流量計(jì)開機(jī)后，能按照程序規(guī)定的模式進(jìn)行測量，并且在運(yùn)行過程中，能接受外界的意圖，根據(jù)外界的命令隨時(shí)作出相應(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30 Hz的勵磁頻率進(jìn)行測量時(shí)，測量人員根據(jù)流量的實(shí)際情況，想把勵磁頻率改為60 Hz，他就可以根據(jù)產(chǎn)品說明書，按下電磁流量計(jì)的某個(gè)按鈕，以使儀表按照他的意圖作出改變，而傳統(tǒng)的流量計(jì)是無法做到這一點(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)上將各種類型儀表統(tǒng)一起來，同一指令能控制多種儀表，使各儀表能彼此，協(xié)調(diào)工作。
智能電磁流量計(jì)的主要功能和設(shè)計(jì)思路
本項(xiàng)目中要求智能電磁流量計(jì)轉(zhuǎn)換器所實(shí)現(xiàn)的主要功能有：
① A/D采樣，每隔1/12 s采樣一次；
② D/A轉(zhuǎn)換，輸出4～20 mA電流；
③ 產(chǎn)生電磁流量計(jì)必需的2路相位相反、頻率相同的勵磁方波信號，要求頻率為30 Hz和60 Hz兩種；
④ 產(chǎn)生對2路勵磁方波信號高電平接近下降沿的20 ms脈沖采樣信號；
⑤ 液晶顯示，顯示流量結(jié)果、檢測狀態(tài)（空/滿管狀態(tài)、正/反流量）、設(shè)置參數(shù)和自診斷結(jié)果等等；
⑥ 鍵盤管理，設(shè)置3個(gè)按鍵，對鍵盤動作進(jìn)行處理；
⑦ 脈沖量輸出，將流量結(jié)果轉(zhuǎn)換成0～1 000 Hz范圍內(nèi)的脈沖信號輸出；
⑧ 兼容HART協(xié)議，對手持式通信器發(fā)出的命令作出反應(yīng)；
⑨ 流量狀態(tài)檢測/輸出，檢測管道為空管或滿管，流量方向?yàn)檎蚧蚍聪?，并輸出相?yīng)的開關(guān)量等等。
根據(jù)工作條件和工作經(jīng)驗(yàn)，我們選擇了Motorola公司的M68HC11系列的單片機(jī)來設(shè)計(jì)智能化方案。M68HC11系列以功能強(qiáng)、速度高而著稱，是功能z強(qiáng)的8位單片機(jī)。它與其他系列單片機(jī)z大的區(qū)別在于它具有4種工作方式，即正常單片方式、正常擴(kuò)展方式、殊自引導(dǎo)方式及殊測試方式。對于開發(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)對外不提供地址線和數(shù)據(jù)線。由于內(nèi)部帶了相當(dāng)可觀的RAM和ROM，因此它通常不需要外接存儲器，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系列開發(fā)儀表，相對來說，能大大簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，減小系統(tǒng)體積，接口簡單，便于調(diào)試。
由于此項(xiàng)目對智能電磁流量計(jì)的要求很高，不僅要求具備電磁流量計(jì)的基本測量功能，液晶顯示模塊要能夠顯示大量的信息，并且要能與HART協(xié)議兼容。隨之帶來的問題是功能越多，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜。由一塊單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)全部的功能是不太可能的。比較國外的同類產(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)議的接口及開關(guān)量檢測、輸出的功能。主機(jī)另一個(gè)重要任務(wù)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(jī)。主要用于實(shí)現(xiàn)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(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)，是所有問題中z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)在于連接簡單，傳輸迅速。但國內(nèi)大多數(shù)產(chǎn)品及文獻(xiàn)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(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，*可以勝任多CPU的通信問題。
SPI使用3根線進(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信號由內(nèi)部CPU總線時(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。圖1為利用SPI進(jìn)行雙機(jī)通信的示意圖。
圖1 利用SP1的雙機(jī)通信
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)。圖中，主機(jī)的SS接高電平。主機(jī)的一個(gè)I/O腳PC0用于控制從機(jī)的SPI允許SS腳。當(dāng)PC0設(shè)置為低電平時(shí)，允許從機(jī)的SPI。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)啟動一次傳送過程，因此，當(dāng)主機(jī)檢測到從機(jī)發(fā)來的準(zhǔn)備好信號后才啟動一次傳送。因此，兩片單片機(jī)之間必須有相互握手信號。z簡單的實(shí)現(xiàn)辦法是兩片單片機(jī)的某兩個(gè)I/O腳對接，一根線用于主機(jī)發(fā)送、從機(jī)檢測，一根用于從機(jī)發(fā)送、主機(jī)檢測。無論發(fā)送或接收，兩片單片機(jī)均可相互查詢，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)出請求，當(dāng)檢測到從機(jī)的回應(yīng)，表示準(zhǔn)備就緒之后，主機(jī)才能開始發(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)的原理與上述類似，區(qū)別在于主機(jī)必須由不同的I/O腳來控制各個(gè)從機(jī)的SS端，對各從機(jī)分別選中。同樣必須注意的是主機(jī)與從機(jī)之間的通信同步問題，也就是說，各個(gè)主機(jī)與從機(jī)之間必須設(shè)有各自的握手信號，能通過查詢進(jìn)行相互之間的請求和作出回應(yīng)。數(shù)據(jù)傳送必須完整無遺漏，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)場總線，就是Rosemount公司同標(biāo)準(zhǔn)化委員會一起協(xié)作定義的一種高速現(xiàn)場通信標(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)場總線標(biāo)準(zhǔn)為HART通信協(xié)議。
HART協(xié)議采用標(biāo)準(zhǔn)的Bell 202頻移鍵控信號以1 200 bit/s通信，以低電平加載于4～20 mA模擬測量信號上。由于載波信號的平均值為零，如圖2所示，所以它對模擬信號沒有影響。
圖2 數(shù)字信號的平均值為0，不影響模擬傳輸信號
HART協(xié)議是一個(gè)主從協(xié)議，這意味著現(xiàn)場裝置僅在被查詢時(shí)才響應(yīng)。每個(gè)信息包含源地址、目的地址和一個(gè)用于檢測信息正誤的校驗(yàn)和。如圖3所示。
圖3 HART協(xié)議的信息結(jié)構(gòu)形式
HART協(xié)議的命令分為3組：通用命令是所有現(xiàn)場裝置都配備的，如讀制造商碼和設(shè)備類型，讀傳感器編號和限等；命令提供的功能大部分裝置都配備，如寫阻尼時(shí)間常數(shù)和執(zhí)行自檢等；殊命令所提供的功能只對一些殊的現(xiàn)場裝置適用，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)換器的單片機(jī)的通信采用調(diào)制解調(diào)芯片HT20C15來實(shí)現(xiàn)。D/A轉(zhuǎn)換輸出的4～20 mA的電流正是HART通信所必須的信號載體。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HT20C15芯片，濾去模擬成分，保留數(shù)字信息，通過單片機(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)簡單原則的，在儀表開發(fā)中也經(jīng)常大量運(yùn)用串行外圍器件。
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