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HART协议在多变量涡街流量计中的实现

发表时间:2020-07-15
HART( Highway Addressable Remote Transducer)协议是美国 Rosemout 2企业于80年代提出的一种用于现场智能仪表和控制室设备通讯的协议,它具有兼容420mA模拟信号与数字通信的性质。符合HART协议的智能流量计不仅可以实现各种流体的检测与就地显示,而且还可以通过上位机进行远程设定,改变流量计的零点、量程,以及完成自诊断等功能,在很大程度上方便了流量计的维护。本文所研究的流量计是在现有涡街流量计的基础上,融入了温度和压力参数的测量,并将HART通讯协议应用其中,设计出集温度、压力、流量测量于ー体的带有HART协议的多变量流量计。经研究表明,这种多变量涡街流量计不仅能够测量温度、压力和流量,而且完全符合HART协议规范,实现了与上位机的远程操作,因而具有广阔的发展前景。
 
1、HART协议概况
HART通讯协议是参照国际标准化组织(ISO)的“开放性系统互连(OSI'模型标准并简化引用其中3层而制定的,即物理层、数据链路层和应用层。
(1)物理层规定了HART通信的物理方式和传输介质。HART协议采用了美国电话通讯系统Bell202标准,在4~20mA的模拟信号上叠加幅度为±0.5mA的正弦波,1200Hz代表逻辑“1”,2200Hz代表逻辑“0”。因为所叠加的正弦信号平均值为0,所以数字通讯信号不会干扰4~20mA的模拟信号。
(2)数据链路层规定了数据帧格式,如图1所示。其可寻址范围是0~15,当地址为0时,智能变送器处于4~20mA与数字通讯兼容状态,当地址为1~15时,则处于全数字通讯状态,这时可联结成多站模式,并通过全数字通讯状况来寻找对话的变送器
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(3)应用层规定了HART通讯命令的内容,共分为3类。第一类是通用命令,适用于所有符合HART协议的产品,如读制造厂号、产品型号等:第二类是普通应用命令,适用于大部分符合HART协议的产品,但不同企业的HART产品可能还略有区别,如写主变量单位、微调D/A的零点等。以上两大命令规定了符合HART通信协议的产品具有一定的互换性。第三类是特殊命令,它是各企业自己所特有的,不互相兼容,如特征化,传感器校正等。
 
2、基于HART协议的多变量涡街流量计的硬件设计
带有HART通讯协议功能的多变量涡街流量计的硬件系统结构如图2所示。电路采取模块化设计,主要包含了传感器模块、MCU模块、HART通讯模块和显示模块四个部分
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首先,由传感器模块测得的频率信号经放大、滤波、整形后送入单片机进行线形化处理、量程转换、累计流量计算和单位转换等。而获得的温度和压力信号送入A/D转换器中,通过模数转换进入单片机中,一方面经过MCU处理直接送入显示模块进行显示;另一方面通过计算公式对得到的流量值进行温压补偿。然后,经过温压补偿后的流量信号通过HART通讯模块实现与上位机的远程通讯。
2.1HART通讯模块设计
HART通讯模块部分主要由DA转换器和Bel102 MODEM及其附属电路来实现,部分电路连接如图3所示。其中,DA转换器的作用是直接将主要变量的数字信号转换成4-20mA电流输出,Bel202 MODEN及其附属电路的作用是对叠加在4-20mA环路上的信号进行带通滤波放大后,对获得的信号进行调制或解调。
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D/A转换器采用AD421,它是美国ADI企业推出的一种单片高性能数模转换器,由环路供电,16位数字信号以串行方式输入,可以将数字信号直接转换成4-20mA电流输出。它提供了高精度、全集成、低功耗的解决方案,采用16引脚DP、 TSSOP、SOIC封装,可实现低成本的远程智能工业控制。AD421除了能进行串行16位DA转换外,还提供可选择的(5V、
3.3V或3V)稳压输出以供电路其它部分的用电
HART MODEM采用Smar企业的HT2012,它是符合Bell202通讯标准的半双工调制解调器,实现HART协议规定的数字通讯的编码和译码,采用16脚DIP和28脚PLCC封装。附属电路主要实现信号的滤波整形,由带通滤波器和方波整形电路组成(见图4和图5)
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其中,方波整形电路将HT2012输出的电压信号整形为方波,产生数字电路所要求的陡峭的上升沿和下降沿,然后通过电容耦合到AD421的C3端口。带通滤波器由两片低功耗运算放大器及电阻、电容组成,其通带频率大约为950-2550Hz。它将4-20mA环路上±0.5 MAHART电流信号转换成电压信号,经过HT2012解调,再送入单片机串行通讯接口中,从而完成数据接收任务。
 
2.2低功耗设计
由于本流量计用电源线和信号线复用的两线制方式,其电路消耗的电流加上0.5mA的HART正弦调制波信号电流不得超过4mA的回路电流,即系统功耗必须小于3.5mA,所以硬件设计必须符合低功耗条件,这也是HART通讯模块设计的关键和ZUI大难点。以往国内有采用App降低功耗的做法,但此举降低了单片机运算和处理数据的能力,而且可能会在某些情况下无法兼顾HART通讯、准确定时和低功耗三个方面,所以在这里,笔者采用了纯硬件的方法来降低功耗。
经过多方面选择和比较,最终所选用的A/D、D/A、 EEPROM、液晶显示器件以及频率信号放大电路这几部分的电流之和不超过2.2mA。MCU部分选用了以低功耗为特征的MICROCHIP企业的PIC16F877芯片,它在1.8432MHz下工作电流小于0.8mA。压力和温度测量电路部分则采用了0.5mA的恒流源串联供电,这样整个系统的电流不超过3.5mA,完全符合HART协议的要求,可在此基础上叠加HART信号,保证总电流不会超过4mA。
2.3晶振的选择与设计
由于HT2012芯片需要外部提供460.8kHz的时钟信号,且要求其偏差在±0.1%的范围内,故必须使用振荡频率稳定的晶振。但是,晶振的功耗较大,加入一片460.8kHz的晶振后,系统的功耗电流明显增加,超出了HART协议的要求,而且460.8kHz的晶振并非标准晶振,需要专门定制。
为避免专门定制晶振和使用功耗较大的晶振电路,这里利用通用数字集成电路74系列搭建一个串联诸振式振荡器,以产生1.8432MHz的频率信号。再利用分频器对其四分频,从而获得一个460.8kHz的时钟信号送给HT2012。经实验表明,该信号完全符合HT2012的时钟信号要求,而且在不增加芯片的基础上保证了较低的功耗
 
3、HART通讯协议的App设计
HART通讯App亦即HART协议数据链路层和应用层的App实现,是HART多变量涡街流量计的设计重点。
HART协议通过MCU的串行口采用主从方式进行通讯。流量计在上位机询问时发出应答信号,通过HT2012实现数据的接收和发送。先由上位机发送命令帧格式,涡街流量计由串行口中断接收到命令帧后,由MCU作相应的数据处理,然后将处理过的数据整理后作为应答帧的内容放入发送缓冲区,再由MCU触发发送中断,发出应答帧,从而完成一次命令的交换。接收数据时,若该流量计检测到数据有错,则等到上位机命令帧发送完以后,它发出置有相应错误状态位的应答帧,告知上位机数据接收有误,上位机接收该应答帧后,则重发命令帧,从而保证通讯的准确无误。基本的串行中断程序框图如图6所示。
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4、结束语
研究表明,这种多变量涡街流量计不仅具有普通仪表的量程、零点、单位转换等功能,而且完全符合HART协议的要求,可与上位机进行远程操作,由上位机远程读取瞬时流量、累积流量等参数,或对量程、零点、单位等进行设置,便于实时监控。同时,由于引入了温度压力信号的多变量测量,涡街流量计的测量精度大为提高。因此,这种带有HART协议的多变量涡街流量计在国内具有良好的发展前景。
 

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