基于HART協(xié)議的智能金屬管浮子流量計

路宗強（承德石油高等專科學(xué)校,河北 承德067000）

基于HART協(xié)議的智能金屬管浮子流量計

路宗強
（承德石油高等?？茖W(xué)校,河北 承德067000）

摘 要：介紹了智能金屬管浮子流量計的設(shè)計思路，以及系統(tǒng)硬件及軟件設(shè)計。該流量計由于采用了高性能微處理器，一方面將HART協(xié)議移植到金屬管浮子流量計上實現(xiàn)總線通信，另一方面采用Kalman濾波方法，提高了流量計的精度。同時在產(chǎn)品的設(shè)計上采用模塊化設(shè)計降低了系統(tǒng)的運行故障。經(jīng)現(xiàn)場測試，流量計在組態(tài)、精度、可靠性等方面都達(dá)到了設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞：HART協(xié)議；智能金屬管浮子流量計；低功耗；Kalman濾波

1 引言

早期的流量計都是模擬式儀表，信息傳輸采用的是4～20mA 或1～5V的模擬信號，進(jìn)行儀表參數(shù)的設(shè)定都需要到現(xiàn)場，通過按鍵來完成。隨著控制技術(shù)，特別是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，智能儀表正逐步取代傳統(tǒng)的模擬儀表，其標(biāo)志主要體現(xiàn)在高可靠性、高精度和總線通信。在流量測量方面，智能的差壓流量計、電磁流量計都得到廣泛應(yīng)用。而金屬管浮子流量計雖然在石油、化工、醫(yī)藥等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，但由于大多工作環(huán)境惡劣，金屬管浮子流量計的智能化改造有著一定的技術(shù)困難，加之金屬管浮子流量計本身是低成本的儀表，如果改造成本過高，將會使其喪失本身的成本優(yōu)勢。

筆者設(shè)計了智能金屬管浮子流量計，通過選用高性能、低功耗、低成本的微處理器，一方面將HART協(xié)議移植到金屬管浮子流量計上實現(xiàn)總線通信，另一方面采用Kalman濾波方法，提高了流量計的精度。

2 流量計的硬件設(shè)計

智能金屬管浮子流量計的硬件采用模塊化設(shè)計，共分為傳感器單元、微處理器單元、顯示單元、總線通信單元和供電單元等五個模塊。硬件框圖如圖1所示。

現(xiàn)場信號的檢測，由傳感器單元來完成，將磁鋼嵌在流量計的浮子內(nèi)部，霍爾元件固定在流量計外管壁，當(dāng)流量改變時，浮子位置改變，磁鋼的磁場隨之改變，霍爾元件輸出的電壓經(jīng)放大調(diào)理后送入微處理器單元。

微處理器單元的核心選用TI公司的MSP430FE425，其運算速度高、超低功耗的同時，內(nèi)部集成了AD轉(zhuǎn)換器和FLASH存儲器，因此可以有效地減少系統(tǒng)的配置，大大簡化了系統(tǒng)的硬件組成，提高系統(tǒng)的運行的可靠性。微處理器單元接收傳感器單元的檢測信號，經(jīng)濾波、溫度補償后將現(xiàn)場實際流量值送至顯示單元顯示，同時經(jīng)總線通信單元、HART總線送至上位機。

總線通信單元是HART協(xié)議物理層的硬件實現(xiàn)。一方面微處理器單元送出的數(shù)字信號經(jīng)調(diào)制解調(diào)器HT2012調(diào)制成FSK頻移鍵控信號，疊加在環(huán)路上發(fā)送到HART總線。另一方面總線通信單元將從HART總線接收到的信號解調(diào)，然后將數(shù)字信號送給微處理器單元。從而實現(xiàn)了智能金屬管浮子流量計和上位機之間的雙向通信。

3 流量計的軟件設(shè)計

智能金屬管浮子流量計的軟件設(shè)計采用模塊化編程結(jié)構(gòu)，主要包括三個部分：輸入模塊、控制模塊、輸出模塊。所有程序代碼均采用C語言編寫。

輸入模塊主要包括數(shù)據(jù)采集、濾波、溫度補償、非線性補償和數(shù)值計算等，總體采用定時器中斷方式，程序流程圖如圖2所示。輸入模塊中的非線性補償程序采用分段線性擬合的方式來實現(xiàn)。通過采集9組或11組流量信號，作為擬合直線的端點，當(dāng)前采樣值按數(shù)據(jù)大小得到擬合曲線段的斜率和初始數(shù)據(jù)，代入擬合方程即可得到修正后的流量數(shù)據(jù)。

控制模塊包括鍵盤處理程序和看門狗程序，鍵盤處理功能是通過中斷方式設(shè)置標(biāo)志位在置入?yún)?shù)子程序中實現(xiàn)的。智能金屬管浮子流量計在通過總線組網(wǎng)，實現(xiàn)上位機組態(tài)調(diào)試的同時，通過鍵盤，可以就地調(diào)試。

輸出模塊包括顯示程序和通信中斷服務(wù)程序。通信中斷服務(wù)程序流程圖如圖3所示。

4 結(jié)論

在設(shè)計過程中，我們一方面采用了高性能、低功耗、低成本的微處理器，在金屬管浮子流量計上實現(xiàn)了HART總線通信，實現(xiàn)了上位機組態(tài)，連接圖如圖4所示。另一方面充分考慮智能金屬管浮子流量計在現(xiàn)場工作時由于管道機械振動和磁場不穩(wěn)定的干擾，微處理器獲得的信號有噪音，采用數(shù)字信號處理方法結(jié)合現(xiàn)代濾波技術(shù)，采用Kalman濾波方法，提高了流量計的精度。同時由于采取了溫度補償措施，提高了流量計的抗溫度干擾能力。

經(jīng)過現(xiàn)場測試，該流量計的瞬時流量基本誤差為0.8675%，回差為0.725%；累計精度不超過1.5%，溫度影響0.0019%/℃。

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作者簡介：路宗強（1971-），男，河北承德人，主要從事：教學(xué)和自動化儀表科研工作。