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基于HART協議的智能電磁流量計的硬件設計
發布時間：2023-05-11 08:38:27
帶有HART通訊協議的智能電磁流量計的硬件系統電路采用模塊化設計,主要包括傳感器模塊、MCU模塊.HART通訊模塊和人機界面模塊4個部分.
由單片機控制的低頻勵磁電流輸出到傳感器的勵磁線圈中,同時來自電磁流量傳感器的微小電勢信號經前置放大后通過AD模數轉換電路送入到單片機.單片機對這些信號進行數據采集,分析處理送至液晶顯示屏進行瞬時流量和累積流量的顯示.同時單片機通過計算公式對得到的流量值進行補償,將補償后的流量信號通過HART通訊模塊實現與上位機的遠程通訊.
2.1HART通訊模塊設計
HT2012芯片用來實現HART協議中通訊信號的解調及調制過程.圖2為調制解調器與微處理器的連接.
HART信號的解調過程:由帶通濾波器輸出的脈沖信號進入HT2012后,調制解調器分別將脈沖信號中的1200Hz和2200Hz解調為數字1和0再將數字信號由HT2012的ORXD端口輸出,CPU對接收到的數據進行判斷并執行相應的任務.
2.2HT2012與外部接口.
HART數字信號規范是峰值為1mA、平均值為0mA正弦交流電流信號,此信號經線路阻抗轉化為正弦交流電壓信號,而HT2012輸入和輸出信號是0~5V的方波信號,因此在HT2012和外部的HART信號之間還需要有濾波電路和整形電路.
如圖3所示,由TLC27組成的濾波器是帶通濾.波器,用來減少接收信號的噪聲干擾.濾波器還用來消除波形中的尖峰,從而使接收到的信號變得平緩.TLC37組成的數字方波產生回路把經過TLC27濾波后的正弦波轉變成相應的方波,以便于HT2012接收.
如圖4所示,緩沖器74HC126的作用是使方波的.上升沿和下降沿趨于平緩,使信號滿足HART物理層規范所要求的信號波形上升沿和下沿的時要求,因為較平緩的上升沿和'下降沿時間可以降低與其它網絡間的串擾.
HT2012需要外部提供4608kHz的時鐘信號,且要求時鐘頻率的誤差是Q1%,若直接入一個4608kHz的晶振不僅會引起系統功耗的增加,而且該晶振屬于非標準晶振,需專門定制.為了解決這一問題,在系統中采用一片1.8432MHz的晶振以產生時鐘信號,再經分頻器CD4013進行4分頗,可輸出1.8432MHz4=4608kHz的分頻信號供HT2012使用.
AD421其內部的電壓調節器與外部的場效應管DN25D對輸入到AD421的電壓進行調整,可提供十33V電壓作為其他設備的電源.HART發出的FSK信號,經過一個電容耦合送到AD421中,轉換成相應的0.5mA正弦電流信號,實現電壓信號到電流信號的轉換,同時,疊加在4~20mA的電流.上送給接收設備,實現了智能電磁流量計HART協議的信息的交換.本電路耦合電容取為0.0033HE,如圖5所示.
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