1　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(dòng)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為測量電極之間的距離；v為被測流體在磁場中運(yùn)動(dòng)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(jí)電壓信號(hào)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(hào)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(dòng)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(lì)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(lì)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。

2　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；
　?、邸‘a(chǎn)生電磁流量計(jì)必需的2路相位相反、頻率相同的勵(lì)磁方波信號(hào)，要求頻率為30 Hz和60 Hz兩種；
　?、堋‘a(chǎn)生對(duì)2路勵(lì)磁方波信號(hào)高電平接近下降沿的20 ms脈沖采樣信號(hào)；
　?、荨∫壕э@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；
　?、蕖℃I盤管理，設(shè)置3個(gè)按鍵，對(duì)鍵盤動(dòng)作進(jìn)行處理；
　?、摺∶}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(hào)輸出；
　　⑧　兼容HART協(xié)議，對(duì)手持式通信器發(fā)出的命令作出反應(yīng)；
　?、帷×髁繝顟B(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zui強(qiáng)的8位單片機(jī)。它與其他系列單片機(jī)zui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、特殊自引導(dǎo)方式及特殊測試方式。對(duì)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(duì)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(chǔ)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(duì)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(duì)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(lì)磁方波信號(hào)、脈沖采樣信號(hào)、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zui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(duì)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(hào)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(hào)。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(dòng)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(hào)后才啟動(dòng)一次傳送。因此，兩片單片機(jī)之間必須有相互握手信號(hào)。zui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(duì)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(huì)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(duì)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(hào)，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(huì)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(hào)以1 200 bit/s通信，以低電平加載于4～20 mA模擬測量信號(hào)上。由于載波信號(hào)的平均值為零，如圖2所示，所以它對(duì)模擬信號(hào)沒有影響。

圖2　數(shù)字信號(hào)的平均值為0，不影響模擬傳輸信號(hào)

　　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(hào)和極限等；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；特殊命令所提供的功能只對(duì)一些特殊的現(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(hào)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。