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基于HART协议的智能电磁流量计的硬件设计
发布时间：2023-05-11 08:38:27
带有HART通讯协议的智能电磁流量计的硬件系统电路采用模块化设计,主要包括传感器模块、MCU模块.HART通讯模块和人机界面模块4个部分.
由单片机控制的低频励磁电流输出到传感器的励磁线圈中,同时来自电磁流量传感器的微小电势信号经前置放大后通过AD模数转换电路送入到单片机.单片机对这些信号进行数据采集,分析处理送至液晶显示屏进行瞬时流量和累积流量的显示.同时单片机通过计算公式对得到的流量值进行补偿,将补偿后的流量信号通过HART通讯模块实现与上位机的远程通讯.
2.1HART通讯模块设计
HT2012芯片用来实现HART协议中通讯信号的解调及调制过程.图2为调制解调器与微处理器的连接.
HART信号的解调过程:由带通滤波器输出的脉冲信号进入HT2012后,调制解调器分别将脉冲信号中的1200Hz和2200Hz解调为数字1和0再将数字信号由HT2012的ORXD端口输出,CPU对接收到的数据进行判断并执行相应的任务.
2.2HT2012与外部接口.
HART数字信号规范是峰值为1mA、平均值为0mA正弦交流电流信号,此信号经线路阻抗转化为正弦交流电压信号,而HT2012输入和输出信号是0~5V的方波信号,因此在HT2012和外部的HART信号之间还需要有滤波电路和整形电路.
如图3所示,由TLC27组成的滤波器是带通滤.波器,用来减少接收信号的噪声干扰.滤波器还用来消除波形中的尖峰,从而使接收到的信号变得平缓.TLC37组成的数字方波产生回路把经过TLC27滤波后的正弦波转变成相应的方波,以便于HT2012接收.
如图4所示,缓冲器74HC126的作用是使方波的.上升沿和下降沿趋于平缓,使信号满足HART物理层规范所要求的信号波形上升沿和下沿的时要求,因为较平缓的上升沿和'下降沿时间可以降低与其它网络间的串扰.
HT2012需要外部提供4608kHz的时钟信号,且要求时钟频率的误差是Q1%,若直接入一个4608kHz的晶振不仅会引起系统功耗的增加,而且该晶振属于非标准晶振,需专门定制.为了解决这一问题,在系统中采用一片1.8432MHz的晶振以产生时钟信号,再经分频器CD4013进行4分颇,可输出1.8432MHz4=4608kHz的分频信号供HT2012使用.
AD421其内部的电压调节器与外部的场效应管DN25D对输入到AD421的电压进行调整,可提供十33V电压作为其他设备的电源.HART发出的FSK信号,经过一个电容耦合送到AD421中,转换成相应的0.5mA正弦电流信号,实现电压信号到电流信号的转换,同时,叠加在4~20mA的电流.上送给接收设备,实现了智能电磁流量计HART协议的信息的交换.本电路耦合电容取为0.0033HE,如图5所示.
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