HART協(xié)議在多變量渦街流量計(jì)中的實(shí)現(xiàn)
引言
HART fHighwayAddressableRemoteTransducer)協(xié) 議 是 美國(guó) Rosemout公 司于 8O年 代 提 出的一種用于 現(xiàn)場(chǎng) 智 能儀表 和控制 室 設(shè)備通 訊 的協(xié)議 ，它 具 有兼 容 4—20mA模擬 信 號(hào)與 數(shù)字 通信 的性質(zhì) 。符合 HART協(xié)議 的智 能流量 計(jì)不 僅可 以實(shí)現(xiàn)各種 流體 的檢測(cè) 與就 地顯示 ，而且 還可 以通 過上 位機(jī)進(jìn) 行遠(yuǎn) 程設(shè) 定 ，改變流量計(jì)的零 點(diǎn) 、量程 ，以及完 成 自診 斷 等 功 能 ，在很 大程 度 上方便 了流量計(jì)的維 護(hù) 。本文所 研 究的 流量計(jì) 是在 現(xiàn)有 渦街流 量計(jì) 的基礎(chǔ) 上 ．融入 了溫 度 和壓力 參 數(shù)的測(cè) 量 ，并將 HART通 訊協(xié)議 應(yīng) 用 其 中 ．設(shè) 計(jì) 出 集 溫 度 、壓 力 、流 量 測(cè) 量 于 一 體 的帶 有HART協(xié)議 的 多變 量 流量 計(jì) 。經(jīng)研 究表 明 ，這種 多變量 渦街 流量計(jì) 不僅 能夠測(cè) 量溫 度 、壓 力和流 量 ，而 且* 符合 HART協(xié) 議規(guī)范 ，實(shí)現(xiàn) 了與上位 機(jī) 的遠(yuǎn)程 操作 ，因而 具有廣 闊的發(fā)展 前景 。
1HART協(xié)議簡(jiǎn) 介
HART通 訊協(xié) 議 是 參 照 國(guó) 際標(biāo) 準(zhǔn) 化 組織 (IS0)的 “開 放 性 系統(tǒng)互 連 (osD”模 型標(biāo) 準(zhǔn)并 簡(jiǎn) 化 引用 其 中 3層 而 制 定 的 ，即 物 理層 、數(shù)據(jù) 鏈路 層和 應(yīng)用 層 。
(1)物 理 層 規(guī) 定 了 HART通 信 的物 理 方 式 和 傳 輸 介 質(zhì) 。HART協(xié)議 采用 了美 國(guó) 電話 通訊 系 統(tǒng) Bell202標(biāo) 準(zhǔn) ，在 4-20mA的模 擬信 號(hào) 上 疊加 幅度 為±O．5mA 的正 弦波 ，1200Hz代 表 邏輯 ”
1”．2200Hz代 表邏 輯 …0’。因?yàn)樗?/span> 疊加 的正 弦信號(hào) 平均 值為 0，所以數(shù) 字通 訊信 號(hào) 不會(huì)干 擾 4～20mA的模擬 信 號(hào) 。
(2)數(shù)據(jù) 鏈路 層規(guī) 定 了數(shù)據(jù) 幀格 式 ，如 圖 1所 示 。其可 尋址范 圍是 0～15，當(dāng)?shù)?/span> 址為 0時(shí) ，智能 變送器 處 于 4～20mA與數(shù) 字通訊兼 容狀 態(tài) ．當(dāng)?shù)刂?/span> 為 l～l5時(shí) ，則 處于全 數(shù)字通 訊 狀態(tài) ，這 時(shí)可聯(lián)結(jié) 成 多站模 式 ，并通過全 數(shù)字通 訊狀況 來尋找對(duì) 話的變送 器。馬 永 成 ：碩 士 研 究 生(北京化工大學(xué))馬永成 莫德 舉
Ma，Yongcheng Mo，Deju
蘭絲l塞 l壘 l蘭! 墼l墼塑I墮竺!!
主 設(shè)備到從設(shè)備 的幀格式
蘭 塞 竺I l魚竺l蘭! 塑l窒里l墼塑I墮竺蘭!
從設(shè)備到主設(shè)備的幀格式
圖 1HART協(xié)議 的幀 格 式
(3)應(yīng)用 層規(guī) 定 了 HART通 訊命令 的 內(nèi)容 ，共分 為 3類 。類是通 用命 令 ，適用 于所 有 符合 HART協(xié) 議的 產(chǎn) 品，如 讀制造廠 號(hào) 、產(chǎn) 品型 號(hào) 等 ；第 二類 是 普通 應(yīng) 用命 令 ，適用 于 大 部分 符 合HART協(xié)議 的產(chǎn) 品 ，但不 同公司 的 HART產(chǎn) 品可 能 還略 有 區(qū)別 ，如寫主 變量 單位 、微調(diào) D／A 的零點(diǎn)等 。 以上兩 大命令 規(guī) 定 了符合 HART通 信 協(xié)議 的產(chǎn) 品具有 一定 的互 換性 。第三 類是特 殊命令 ，它是各 公司 自己所 * 的 ，不 互相兼 容 ，如特 征 化 ，傳感 器校正等 。
2基 于 HART協(xié) 議 的多變 量 渦街流 量 計(jì)
的硬 件設(shè) 計(jì)帶有 HART通訊 協(xié)議 功 能的多 變量 渦街 流量 計(jì) 的硬 件系 統(tǒng)結(jié)構(gòu) 如 圖 2所 示 。 電路 采取模 塊化 設(shè) 計(jì) ，主 要 包含 了傳 感器 模塊 、MCU模 塊 、HART通 訊模 塊和 顯示模 塊 四個(gè) 部分 。放 波卜
首先 ．由傳 感 器模 塊測(cè) 得 的頻 率 信 號(hào)經(jīng) 放 大 、濾 波 、整 形 后送入 單片機(jī) 進(jìn)行 線形 化處 理 、量程 轉(zhuǎn)換 、累計(jì)流 量計(jì) 算和 單位 轉(zhuǎn)換等 。而 獲得 的溫 度 和壓 力信 號(hào)送 入 A．，D轉(zhuǎn) 換器 中 ，通 過模 數(shù)轉(zhuǎn)換 進(jìn)入 單片 機(jī) 中 。一方 面 經(jīng)過 MCU處 理直 接送 入顯 示模塊 進(jìn)行顯 示 ：另 一方面 通過 計(jì)算 公式對(duì) 得 到的流 量值 進(jìn)行 溫壓 補(bǔ)償 。然 后 ．經(jīng)過 溫壓 補(bǔ)償 后 的流量 信號(hào)通 過 HART通 訊模 塊實(shí)現(xiàn) 與上 位機(jī) 的遠(yuǎn)程 通 訊。
2．1HART通訊 模塊 設(shè)計(jì)
HART通 訊模 塊部 分 主要 由 D／A轉(zhuǎn) 換器 和 Bel202MODEM及其 附屬 電路來 實(shí)現(xiàn) ，部分 電路 連接 如 HART通訊 模塊 電路 圖略。其 中，D／A轉(zhuǎn) 換器 的作 用是 直接將 主 要變量 的數(shù) 字信 號(hào)轉(zhuǎn) 換成 4—20mA 電流 輸 出 ．Bell202MODEM及 其 附屬 電 路 的作 用 是對(duì)疊 加在 4-20mA環(huán) 路上 的信 號(hào)進(jìn) 行 帶通 濾波 放 大后 ，對(duì) 獲得的信 號(hào)進(jìn) 行調(diào) 制或解 調(diào) 。
D／A轉(zhuǎn)換 器采用 AD421．它是 美 國(guó) ADI公司推 出的 一種單片 高性 能數(shù) 模轉(zhuǎn) 換器 ，由環(huán) 路供 電，16位數(shù) 字信 號(hào) 以串行 方 式輸 入 ，可 以將 數(shù) 字信 號(hào)直接 轉(zhuǎn)換 成 4—20mA 電流 輸 出 。它 提供 了高精度 、全 集成 、低 功 耗 的解 決 方 案 ，采 用 16引腳 DIP、TSSOP、IF) ／ 、 中國(guó)自控網(wǎng)：http：／／www．autocontro1．cn目自控霸郵局訂閱號(hào) ：82—946 120元 ，年 一13—維普資訊 中文核心期刊 《微計(jì)算機(jī)信息》(測(cè)控自動(dòng)化)2005年第 21卷第 1期
SOIC封裝 ，可 實(shí)現(xiàn)低 成 本 的遠(yuǎn) 程 智 能工 業(yè)控 制 。AD421除了 能
進(jìn) 行 串行 16位 D／A轉(zhuǎn) 換 外 ，還 提 供 可 選 擇 的 (5V、3．3V 或 3v)
穩(wěn)壓輸出以供電路其它部分的用電
HARTMODEM 采 用 Smar公 司 的 HT2012．它 是 符 合 Bell
202通 訊標(biāo)準(zhǔn) 的半雙 工 調(diào) 制解調(diào) 器 ．實(shí)現(xiàn) HART協(xié)議 規(guī) 定 的數(shù)字通 訊 的編碼 和譯 碼 ，采用 16腳 DIP和 28腳 PLCC封裝 。附屬 電路主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)的濾波整形，由帶通濾波器和方波整 形 電路 組成 (見 圖 3和 圖 4)。其 中 ，方 波整 形 電路將 HT2012輸 出 的電壓信 號(hào) 整形 為方波 。產(chǎn) 生數(shù)字 電路所要 求 的陡峭 的上升 沿和 下 降沿 ．然后 通過 電容 耦合 到 AD421的 C3端 口。帶 通濾波 器 由兩片低 功耗 運(yùn)算 放大 器及 電阻 、電容組 成 ，其通 帶頻 率大約為 950-2550Hz 它將 4-20mA環(huán) 路上±0．5mAHART電流信 號(hào)轉(zhuǎn)換成 電壓信號(hào)，經(jīng)過 HT2012解調(diào) ，再送入單片機(jī) 串行通訊接口中．從而 完成 數(shù)據(jù) 接 收任 務(wù) 。
由于 本 流量 計(jì) 采 用 電源 線和 信 號(hào)線 復(fù) 用 的兩 線 制方 式 ，其電路 消耗 的 電流 加 上 0．5mA的 HART正弦 調(diào) 制 波信 號(hào) 電 流不得 超 過 4mA 的回 路 電流 ，即系 統(tǒng) 功 耗 必須 小 于 3．5mA，所 以硬件 設(shè) 計(jì)必須 符 合低 功耗 條 件 ，這 也是 HART通 訊模 塊 設(shè)計(jì) 的關(guān)鍵 和最 大難 點(diǎn) 。以往 國(guó)內(nèi)有采 用 軟件 降低功 耗 的做法 ，但 此舉 降低 了單 片機(jī) 運(yùn)算 和 處理數(shù) 據(jù) 的能力 ，而且 可能 會(huì)在 某些情 況 下無法 兼 顧 HART通 訊 、準(zhǔn) 確 定 時(shí)和 低 功 耗 三個(gè) 方 面 ，所 以在 這里 ．筆者 采用 了純硬 件 的方法 來 降低 功耗 。
經(jīng) 過 多 方 面 選 擇 和 比較 ，最 終 所 選 用 的 A／D、D／A、EEP-ROM、液 晶顯 示 器件 以及 頻 率信 號(hào) 放 大 電路這 幾 部 分 的 電流 之和 不 超 過 2．2mA MCU 部 分 選 用 了 以低 功 耗 為 特 征 的 MI-CROCHIP 公 司 的 PIC16F877芯 片 ，它在 1．8432MHz下工 作 電流小于 0．8mA 壓 力和溫 度測(cè) 量 電路 部分 則采 用 了 0．5mA 的恒流源 串聯(lián) 供 電 。這 樣 整 個(gè) 系 統(tǒng) 的 電流 不 超 過 3．5mA，完 全 符 合HART協(xié)議 的要 求 ．可 在此 基礎(chǔ) 上 疊加 HART信 號(hào) ，保證 總 電流不 會(huì)超 過 4mA。
由于 HT2012芯 片 需 要 外部 提 供 460．8kHz的時(shí) 鐘信 號(hào) ，且要求 其偏 差在 ±0．1％的 范 圍內(nèi) ，故 必須 使 用振 蕩 頻率 穩(wěn) 定 的晶振 但 是 ．晶振 的 功耗較 大 ，加入 一 片 460．8kHz的晶振 后 ，系統(tǒng)的 功 耗 電 流 明 顯 增 加 ，超 出 了 HART 協(xié) 議 的 要 求 ，而 且460．8kHz的晶振 并非 標(biāo)準(zhǔn) 晶振 ，需 要專 門定 制 。
為避 免專 門定 制 晶振和 使用 功耗 較大 的 晶振 電路 ，這 里利用 通用數(shù) 字 集成 電路 74系列搭 建 一個(gè) 串聯(lián)諧 振式 振蕩 器 ，以產(chǎn)生 1．8432MHz的頻率 信 號(hào)。再利 用 分頻 器對(duì) 其 四分 頻 ，從 而 獲得 一個(gè) 460．8kHz的 時(shí)鐘信 號(hào)送 給 HT2012。經(jīng) 實(shí)驗(yàn) 表 明 ，該信 號(hào)完 全符 合 HT2012的 時(shí)鐘信 號(hào) 要 求 ，而 且 在 不增 加 芯 片 的基礎(chǔ)上保證 了較低 的功耗。
3HART通 訊協(xié) 議的 軟件設(shè) 計(jì)
HART通 訊軟 件亦 即 HART協(xié)議 數(shù)據(jù) 鏈 路層 和應(yīng) 用 層 的軟件 實(shí)現(xiàn) ，是 HART多 變量 渦街 流量 計(jì) 的設(shè)計(jì) 重點(diǎn)HART協(xié)議 通過 MCU的 串行 口采用 主 從方式 進(jìn) 行通 訊 流量計(jì) 在上 位 機(jī)詢 問時(shí)發(fā) 出應(yīng) 答信 號(hào) ，通 過 HT2012實(shí) 現(xiàn) 數(shù)據(jù) 的接 收和發(fā) 送 。先 由上 位機(jī) 發(fā)送 命令 幀格 式 ．渦街 流量 計(jì) 由 串行 口中斷接 收 到命 令 幀后 ，由 MCU作相 應(yīng) 的數(shù) 據(jù) 處理 ．然 后將 處 理過 的數(shù) 據(jù)整 理后 作 為應(yīng) 答 幀 的內(nèi) 容放 入發(fā) 送 緩沖 區(qū) ．再 由 MCU觸 發(fā)發(fā) 送 中斷 ，發(fā) 出應(yīng)答 幀 ，從而 完成 一 次命令 的交 換 。接 收數(shù)據(jù) 時(shí) ．若 該流量 計(jì)檢 測(cè)到 數(shù)據(jù) 有錯(cuò) ．則等到 上位 機(jī)命 令幀 發(fā)送 完以后 ．它 發(fā)出置 有相 應(yīng)錯(cuò) 誤狀 態(tài)位 的應(yīng) 答幀 ，告知上 位機(jī) 數(shù) 據(jù)接收有誤 ，上位 機(jī) 接 收該 應(yīng) 答幀 后 ，則重 發(fā)命 令 幀 ，從而 保 證通 訊的準(zhǔn)確 無誤 基 本 的串行 中斷程 序框 圖如 圖 5所 示 。圖 5 串行 中斷程 序框 圖
4結(jié)束語(yǔ)
研究表明，這種多變量渦街流量計(jì)不僅具有普通儀表的量程 、零 點(diǎn) 、單位 轉(zhuǎn)換 等 功能 ，而且 * 符合 HART協(xié) 議 的要求 ，可與上位 機(jī)進(jìn) 行遠(yuǎn) 程操 作 ，由上 位機(jī) 遠(yuǎn)程 讀取 瞬時(shí) 流量 、累 積流量等 參 數(shù) ，或?qū)?/span> 量程 、零 點(diǎn) 、單位 等進(jìn) 行設(shè) 置 ，便于 實(shí)時(shí) 監(jiān)控 。同時(shí) ，由于 引入 了溫度 、壓 力信 號(hào) 的多變 量測(cè) 量 ，渦街 流量 計(jì) 的測(cè)量 精度大 為提 高 。因此 ，這種 帶有 HART協(xié)議 的多變量 渦街 流量 計(jì)在 國(guó) 內(nèi)具 有 良好 的發(fā)展前景 。
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