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无线HART的涡街流量计的设计原理

来源:www.jsowyb.com 发布时间:2013-09-04 09:19:46

  随着无线传感器技术成为进入2000年以来公认的新兴前沿热点研究领域,在2007年9月,HART通信基金会正式推出了HART通信协议第七版即HART7.0,其中WirelessHART标准是HART7.0的核心部分。无线HART是一种专门为过程自动化应用设计的无线网格型(Mesh)网络通信协议。目前有很多厂家生产的涡街流量计均支持有线HART通信,但支持无线HART通信的国内流量计生产厂家没有。另外有简单的基于无线HART网络的数据采集器和基于无线HART协议的智能仪表在线诊断与管理系统,但都没有具体的流量计产品。而现有支持有线HART涡街流量计,不适用于一些旋转、难以布线或偏远布线成本高等的场所,而基于无线HART的涡街流量计的研制,能解决这一难题,因此能够扩大涡街流量计的应用范围。
  本无线HART涡街流量计的研制,是在Softing公司WirelessHART套件的开发环境上设计和测试的,它主要包括硬件和软件两个部分。

    1 硬件设计

    在硬件设计时,需要根据流量仪表整体性能的要求选择适当型号的单片机。本设计主要考虑频谱分析信号处理,选用TI公司的MSP430F5438作为本测量系统的MCU。单片机选择MSP430F5438,主要因为它具有以下优点:

    (1)功耗较低。超低功耗低至:0.1μARAM保持模式、2.5μA实时时钟模式、165μA/MIPS工作模式、在5μs之内快速从待机模式唤醒

    (2)相对较高的时钟频率。在1.8V~3.6V的工作电压范围内性能高达25MIPS。

    (3)储存空间大。闪存高达256KB、RAM高达16KB

    (4)丰富的外围设备。DMA、硬件乘法器、RTC、USCI、12位DAC等,使单片机的性能更有所提升,满足系统的需求。

    该涡街流量计模块硬件上主要由MSP430F5438单片机、电荷放大器、程控放大器、低通滤波器、电压跟随器、带通滤波器组、多路选择开关、峰值检测电路、脉冲整形电路、温压补偿模块等组成,它和WD-H无线HART通信模块通过UART连接,硬件总体框图如图1所示。

    1.1 无线HART通信模块

    WirelessHART模块WD-H由SOFTING提供,是一个用于传输过程数据的无线通信模块。其外形小巧,便于集成到涡街流量计中。利用这一成熟设计,可以削减无线现场设备的高昂开发成本。

    WD-H无线HART通信模块,其硬件特点是:(1)TDMIARM7处理器;(2)IEEE802.15.42.4G射频接口;(3)其它技术参数如下:

    供电电压:2.7V~3.3V;

    工作温度范围:-40°C~+85°C(-40°C~+75°C,在ATEX环境使用);

    工作电流:58mA(发送,+10dBm)、37mA(发送,+0dBm),27mA(接收)、25μA(休眠);

    频带:2.4GHz…2.48GHz;

    信道数:15;

    信道间距:5MHz;

    所占带宽:2.7MHz;

    原始数据速率:250kbps;

    接收机灵敏度:-90dBm;

    输出功率:-30dBm~+10dBm;

    输出阻抗:50Ω;

    频率稳定性:-40ppm~+40ppm;

    软件特点有:(1)实时操作系统;(2)WiTECK’sWirelessHART协议栈;(3)HART7突发和时件模式;(4)外部诊断。

    1.2 信号调理模块

    涡街流量计信号调理包括温度、压力、流量的信号调理,其中流量的信号调理包括电荷放大、程控放大、低通滤波、电压跟随、带通滤波、多路开关选择、峰值检测、脉冲整形;信号处理模块主要包括以下几个部分:

    (1)压电传感器信号的放大、低通滤波。压电传感器可等效为一个与电容器并联的电荷源,其输出为低幅值的小信号,采用一种三运放差分电荷放大器将其转换为电压信号。在电荷放大器后加上一个可控的程控放大器,根据流量信号的大小自动调节放大系数,从而提高AD转换的精度。这里采用AD5160BRJ数字电位器,其串行控制接口与MSP430的SPI接口相连。程控放大器的放大比例由峰值检测出来的信号幅度与当前的放大系数确定,然后在程控放大器的后级进行低通滤波,滤去涡街信号中的高频噪音。

(2)多通道的可选择带通滤波。带通滤波器采用高通滤波器与低通滤波器串联的方式构成,与多路选择开关一起就构成涡街信号的滤波环节。采用8路选择器,将信号频率分成8个频段,每个频段之间有叠加,保证信号的无缝连接。多路选择开关采用MC74VHC4051ADR2,由ABC三位组成的二进制数进行选择。(3)峰值检测。为了保证信号不产生误触发和不触发的情 况,必须将信号的幅值控制在一定的范围内。因此需要对带通滤波后的信号幅值进行检测。
    峰值检测电路由两级运算放大器、限流电阻、二极管、MOSFET和充电电容构成。

    (4)信号的整形输入。为了实现单片机对交变的涡街信号进行频率计算,要将滤波后的信号转换成等同频率的脉冲信号。采用滞回比较器电路可以方便简单地把涡街正弦信号整形为矩形脉冲波形。出于低功耗的考虑,选择TI公司的TLV3491。门限电压分别为1.088V和1.3585V,滞回电压为0.27V。

    此外,硬件设计上还有其它电路模块,包括电源、人机交互模块等。

    2 软件设计

    由于无线HART协议协议栈这部分软件完全由WD-H无线HART通信模块完成,因此,我们只需对涡街流量计模块进行编程设计,使它实现HART7.0仪表这部分功能即可。采用IAR5.10forMSP430作为测量系统软件的开发平台,利用C语言编程。单片机上电后,先执行初始化,如果有按键,则执行键盘操作;如果没有按键,则定时刷新总累积流量、瞬时流量的显示。定时查询流量值、频谱分析处理、脉冲输出都由中断打标记触发。主函数流程图如图2,通信主程序流程图如图3。

    3 测试结果   

    无线HART涡街流量计属于无线HART现场设备,必须和无线HART网关和无线HART网络管理器其它要素一起,构成一个网络,才能检验无线HART涡街流量计的各项技术指标和功能。采用Softing公司WirelessHART套件中的P+F网关、PCATware软件、美名软件的fdt框架程序进行了测试,测试的P+F网关管理界面如图4(略)。

  本文给出了一种基于WirelessHART通信的涡街流量计设计方案,重点分析了硬件上的方案设计、WirelessHART模块、涡街信号调理模块和软件上的主函数流程图,并通过无线HART网关和无线HART网络管理器,对无线HART涡街流量计的各项技术功能进行了测试,测试结果表明无线HART流量计通信正常可靠。无线HART涡街计也能适用于一些旋转、难以布线或偏远布线成本高等场所,因此大大拓宽了涡街流量计的应用范围。
 

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