HART協定在智慧電磁流量計的應用
符合標準的智慧型電磁流量計 HART協議 不僅具備流量偵測和本地顯示功能，還支援透過主機進行遠端設定。使用者可以調整流量計的零點和測量範圍，並進行自我診斷。這些特性顯著簡化了操作和維護流程，從而提升了市場競爭力。本文將從硬體電路設計的角度分析基於HART協定的智慧電磁流量計的技術實現挑戰。
智慧電磁流量計的硬體系統電路採用模組化設計，主要包括四個部分：感測器模組、MCU模組、HART通訊模組和人機介面模組。
微控制器控制流經電磁流量感測器的低頻激勵電流，同時偵測來自電磁流量感測器的微弱電訊號。這些訊號經過放大後，由微控制器透過類比數位轉換器 (ADC) 進行處理。微控制器收集、分析和處理數據，並在液晶顯示器上顯示瞬時流量和累積流量。此外，它還使用預先定義的公式進行流量補償，並將調整後的訊號透過 HART 通訊模組傳輸到主機，以實現遠端控制。
1、HART通訊模組的設計
HT2012晶片用於處理HART協定中通訊訊號的解調和調變。下圖顯示了數據機和微處理器之間的連接。
HART訊號的解調過程：連接到微處理器的HT2012晶片接收來自帶通濾波器的脈衝訊號。此晶片對這些訊號進行解調，將1200Hz和2200Hz的脈衝訊號分別轉換為數位訊號1和0。然後，數位訊號透過HT2012晶片的ORXD埠輸出。 CPU處理接收到的資料以執行對應的任務。
2、HT2012 和外部介面
HART 數位訊號規格為峰值 1mA、平均值 0mA 的正弦交流電流訊號，透過線路阻抗轉換為正弦交流電壓訊號。相較之下，HT2012 的輸入和輸出訊號為 0 至 5V 的方波訊號。因此，HT2012 與外部 HART 訊號之間需要濾波和整形電路。
如圖所示，基於TLC27的濾波器用作帶通濾波器，以降低接收訊號中的雜訊幹擾。它還能消除波形尖峰，使接收訊號更加平滑。由TLC37構成的數位方波電路將濾波後的正弦波轉換為對應的方波，使HT2012能夠接收此訊號。
在下圖所示的電路中，緩衝器 74HC126 用於平滑方波的上升沿和下降沿，確保訊號符合 HART 物理層對訊號波形邊緣的規格要求。更平滑的邊緣過渡可以減少與其他網路的串擾。
HT2012 設備需要一個外部提供的高精度 460.8kHz 時脈訊號，頻率精度要求嚴格為 ±0.1%。直接連接標準的 460.8kHz 晶體振盪器不僅會增加系統功耗，而且由於需要客製化生產非標元件，還會增加成本。為了解決這個難題，系統採用 1.8432MHz 晶體振盪器來產生時脈訊號。經 CD4013 分頻器四倍頻處理後，所得的 1.8432MHz/4=460.8kHz 頻率訊號完全符合 HT2012 的運轉要求。
此外，AD421 的內部穩壓器與外部場效電晶體 DN25D 協同工作，調節輸入電壓，為其他裝置提供穩定的 +3.3V 電源。透過 HART 協定傳輸的 FSK 訊號經電容耦合後輸入 AD421，並轉換為對應的 ±0.5mA 正弦電流訊號。這種轉換實現了電壓訊號到電流訊號的無縫過渡，最終得到的電流訊號疊加在 4-20mA 範圍內，並傳輸至接收裝置，從而完成 HART 協定的資料交換。在該電路中，耦合電容經過精確校準，容量為 0.0033μF，以確保訊號傳輸的穩定性。
