HART( Highway Addressable Remote Transducer)協(xié)議是美國(guó) Rosemout 2公司于80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(guò)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,而且完全符合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。
1.HART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(ISO)的“開(kāi)放性系統(tǒng)互連(OSI'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±0.5mA的正弦波,1200Hz代表邏輯“1”,2200Hz代表邏輯“0”。因?yàn)樗B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)刂窞?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)刂窞?~15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(guò)全數(shù)字通訊狀況來(lái)尋找對(duì)話的變送器。
(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,它是各公司自己所特有的,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
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(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換進(jìn)入單片機(jī)中,一方面經(jīng)過(guò)MCU處理直接送入顯示模塊進(jìn)行顯示;另一方面通過(guò)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(guò)溫壓補(bǔ)償后的流量信號(hào)通過(guò)HART通訊模塊實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的遠(yuǎn)程通訊。
2.1 HART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Bel202 MODEM及其附屬電路來(lái)實(shí)現(xiàn)?,部分電路連接如圖3所示。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,Bel1202 MODEN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、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。
HART MODEV采用Smar公司的HT2012,它是符合Bell202通訊標(biāo)準(zhǔn)的半雙工調(diào)制角解調(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DP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(jiàn)圖4和圖5)。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(guò)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9502550Hz。它將4-20mA環(huán)路上±0.5 MAHIARI電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào),經(jīng)過(guò)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)。
2.2低功耗設(shè)計(jì)
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(guò)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)鍵和一大難點(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(wú)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(lái)降低功耗。
經(jīng)過(guò)多方面選擇和比較,ZUI終所選用的A/D、D/A、 EEPROM、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(guò)2.2mA。MCU部分選用了以低功耗為特征的MICROCHIP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(guò)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(guò)4mA。
2.3晶振的選擇與設(shè)計(jì)
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。
3.HART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(guò)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(wèn)時(shí)發(fā)出應(yīng)答信號(hào),通過(guò)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(guò)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(wú)誤。基本的串行中斷程序框圖如圖6所示。
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,而且完全符合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)α砍?、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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電磁流量計(jì)的電極與勵(lì)磁線圈不對(duì)稱誤差
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電磁流量計(jì)的輸出型與顯示型
