HART协议在智能电磁流量计中的应用
符合标准的智能电磁流量计 HART协议 不仅具备流量检测和本地显示功能，还支持通过主机进行远程配置。用户可以调节流量计的零点和测量范围，并进行自诊断。这些特性显著简化了操作和维护流程，从而提升了市场竞争力。本文将从硬件电路设计的角度分析基于HART协议的智能电磁流量计的技术实现挑战。
智能电磁流量计的硬件系统电路采用模块化设计，主要包括四个部分：传感器模块、MCU模块、HART通信模块和人机界面模块。
微控制器控制流经电磁流量传感器的低频激励电流，同时检测来自电磁流量传感器的微弱电信号。这些信号经放大后，由微控制器通过模数转换器 (ADC) 进行处理。微控制器采集、分析和处理数据，并在液晶显示屏上显示瞬时流量和累计流量。此外，它还使用预定义的公式进行流量补偿，并将调整后的信号通过 HART 通信模块传输到主机，以实现远程控制。
1、HART通信模块的设计
HT2012芯片用于处理HART协议中通信信号的解调和调制。下图显示了调制解调器和微处理器之间的连接。
HART信号的解调过程：连接到微处理器的HT2012芯片接收来自带通滤波器的脉冲信号。该芯片对这些信号进行解调，将1200Hz和2200Hz的脉冲信号分别转换为数字信号1和0。然后，数字信号通过HT2012芯片的ORXD端口输出。CPU处理接收到的数据以执行相应的任务。
2、HT2012 和外部接口
HART 数字信号规范为峰值 1mA、平均值 0mA 的正弦交流电流信号，通过线路阻抗转换为正弦交流电压信号。相比之下，HT2012 的输入和输出信号为 0 至 5V 的方波信号。因此，HT2012 与外部 HART 信号之间需要滤波和整形电路。
如图所示，基于TLC27的滤波器用作带通滤波器，以降低接收信号中的噪声干扰。它还能消除波形尖峰，使接收信号更加平滑。由TLC37构成的数字方波电路将滤波后的正弦波转换为相应的方波，使HT2012能够接收该信号。
在下图所示的电路中，缓冲器 74HC126 用于平滑方波的上升沿和下降沿，确保信号满足 HART 物理层对信号波形边缘的规范要求。更平滑的边缘过渡可以减少与其他网络的串扰。
HT2012 设备需要一个外部提供的高精度 460.8kHz 时钟信号，频率精度要求严格为 ±0.1%。直接连接标准的 460.8kHz 晶体振荡器不仅会增加系统功耗，而且由于需要定制生产非标元件，还会增加成本。为了解决这一难题，该系统采用 1.8432MHz 晶体振荡器来产生时钟信号。经 CD4013 分频器四倍频处理后，得到的 1.8432MHz/4=460.8kHz 频率信号完全满足 HT2012 的运行要求。
此外，AD421 的内部稳压器与外部场效应晶体管 DN25D 协同工作，调节输入电压，为其他器件提供稳定的 +3.3V 电源。通过 HART 协议传输的 FSK 信号经电容耦合后输入 AD421，并被转换为相应的 ±0.5mA 正弦电流信号。这种转换实现了电压信号到电流信号的无缝过渡，最终得到的电流信号叠加在 4-20mA 范围内，并传输至接收器件，从而完成 HART 协议的数据交换。在该电路中，耦合电容经过精确校准，容量为 0.0033μF，以确保信号传输的稳定性。
