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    網站首頁技術文獻 >> HART協議在多變量渦街流量計中的實現

    HART協議在多變量渦街流量計中的實現

    引言

    HART fHighwayAddressableRemoteTransducer) 美國 Rosemout 司于 8O 出的一種用于 現場 能儀表 和控制 設備通 的協議 ,它 有兼 420mA模擬 號與 數字 通信 的性質 。符合 HART協議 的智 能流量 計不 僅可 以實現各種 流體 的檢測 與就 地顯示 ,而且 還可 以通 過上 位機進 行遠 程設 ,改變流量計的零 、量程 ,以及完 自診 ,在很 大程 上方便 了流量計的維 。本文所 究的 流量計 是在 現有 渦街流 量計 的基礎 .融入 了溫 和壓力 數的測 ,并將 HART 訊協議 .設 、壓 、流 的帶 HART協議 多變 流量 。經研 究表 ,這種 多變量 渦街 流量計 不僅 能夠測 量溫 、壓 力和流 ,而 且完全 符合 HART 議規范 ,實現 了與上位 的遠程 操作 ,因而 具有廣 闊的發展 前景 。

    1HART協議簡

    HART 訊協 際標 組織 (IS0) “開 系統互 (osD”模 型標 準并 引用 3 ,即 理層 、數據 鏈路 層和 應用 。

    (1) HART 的物 。HART協議 采用 了美 電話 通訊 Bell202 ,在 4-20mA的模 擬信 疊加 幅度 為±O5mA 的正 弦波 ,1200Hz 邏輯

    1”.2200Hz 表邏 0’。因為所 疊加 的正 弦信號 平均 值為 0,所以數 字通 訊信 不會干 420mA的模擬 。

    (2)數據 鏈路 層規 了數據 幀格 ,如 1 。其可 尋址范 圍是 015,當地 址為 0 ,智能 變送器 420mA與數 字通訊兼 容狀 .當地址 ll5 ,則 處于全 數字通 狀態 ,這 時可聯結 多站模 ,并通過全 數字通 訊狀況 來尋找對 話的變送 器。馬 :碩 (北京化工大學)馬永成 莫德

    Ma,Yongcheng Mo,Deju

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    設備到從設備 的幀格式

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    從設備到主設備的幀格式

    1HART協議 的幀

    (3)應用 層規 HART 訊命令 內容 ,共分 3 。第一類是通 用命 ,適用 于所 符合 HART 議的 品,如 讀制造廠 、產 品型 ;第 二類 普通 用命 ,適用 部分 HART協議 的產 ,但不 同公司 HART 品可 還略 區別 ,如寫主 變量 單位 、微調 DA 的零點等 。 以上兩 大命令 了符合 HART 協議 的產 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 ,不 互相兼 ,如特 ,傳感 器校正等 。

    2 HART 的多變 渦街流

    的硬 件設 計帶有 HART通訊 協議 能的多 變量 渦街 流量 的硬 件系 統結構 2 。 電路 采取模 塊化 ,主 包含 了傳 感器 模塊 、MCU 、HART 訊模 塊和 顯示模 四個 部分 。放 波卜

    首先 .由傳 器模 塊測 的頻 號經 、濾 、整 后送入 單片機 進行 線形 化處 、量程 轉換 、累計流 量計 算和 單位 轉換等 。而 獲得 的溫 和壓 力信 號送 A.,D 換器 ,通 過模 數轉換 進入 單片 。一方 經過 MCU 理直 接送 入顯 示模塊 進行顯 :另 一方面 通過 計算 公式對 到的流 量值 進行 溫壓 補償 。然 .經過 溫壓 補償 的流量 信號通 HART 訊模 塊實現 與上 位機 的遠程 訊。

    21HART通訊 模塊 設計

    HART 訊模 塊部 主要 DA 換器 Bel202MODEM及其 附屬 電路來 實現 ,部分 電路 連接 HART通訊 模塊 電路 圖略。其 中,DA 換器 的作 用是 直接將 要變量 的數 字信 號轉 換成 420mA 電流 Bell202MODEM 附屬 的作 是對疊 加在 4-20mA 路上 的信 號進 帶通 濾波 大后 ,對 獲得的信 號進 行調 制或解 調 。

    DA轉換 器采用 AD421.它是 ADI公司推 出的 一種單片 高性 能數 模轉 換器 ,由環 路供 電,16位數 字信 以串行 式輸 ,可 以將 字信 號直接 轉換 420mA 電流 。它 提供 了高精度 、全 集成 、低 的解 ,采 16引腳 DIP、TSSOP、IF) 、 中國自控網:http://wwwautocontro1cn目自控霸郵局訂閱號 82946 120 ,年 13—維普資訊 http://www.cqvip.com中文核心期刊 《微計算機信息》(測控自動化)2005年第 21卷第 1

    SOIC封裝 ,可 實現低 的遠 能工 業控 。AD421除了

    串行 16 DA ,還 (5V、33V 3v)

    穩壓輸出以供電路其它部分的用電

    HARTMODEM Smar HT2012.它 Bell

    202 訊標準 的半雙 調 制解調 .實現 HART協議 的數字通 的編碼 和譯 ,采用 16 DIP 28 PLCC封裝 。附屬 電路主要實現信號的濾波整形,由帶通濾波器和方波整 電路 組成 ( 3 4)。其 ,方 波整 電路將 HT2012 的電壓信 整形 為方波 。產 生數字 電路所要 的陡峭 的上升 沿和 降沿 .然后 通過 電容 耦合 AD421 C3 口。帶 通濾波 由兩片低 功耗 運算 放大 器及 電阻 、電容組 ,其通 帶頻 率大約為 950-2550Hz 它將 4-20mA 路上±05mAHART電流信 號轉換成 電壓信號,經過 HT2012解調 ,再送入單片機 串行通訊接口中.從而 完成 數據 收任 。

    由于 流量 電源 線和 號線 的兩 制方 ,其電路 消耗 電流 05mA HART正弦 調 波信 流不得 4mA 的回 電流 ,即系 必須 35mA,所 以硬件 計必須 合低 功耗 ,這 也是 HART 訊模 設計 的關鍵 和最 大難 。以往 國內有采 軟件 降低功 的做法 ,但 此舉 降低 了單 片機 運算 處理數 的能力 ,而且 可能 會在 某些情 下無法 HART 、準 時和 三個 ,所 以在 這里 .筆者 采用 了純硬 的方法 降低 功耗 。

    比較 ,最 AD、DA、EEP-ROM、液 晶顯 器件 以及 率信 電路這 電流 之和 22mA MCU 以低 MI-CROCHIP PIC16F877 ,它在 18432MHz下工 電流小于 08mA 力和溫 度測 電路 部分 則采 05mA 的恒流源 串聯 。這 電流 35mA,完 HART協議 的要 .可 在此 基礎 疊加 HART ,保證 電流不 會超 4mA。

    由于 HT2012 外部 4608kHz的時 鐘信 ,且要求 其偏 差在 ±01%的 圍內 ,故 必須 使 用振 頻率 的晶振 .晶振 功耗較 ,加入 4608kHz的晶振 ,系統的 ,超 HART ,而 4608kHz的晶振 并非 標準 晶振 ,需 要專 門定 。

    為避 免專 門定 晶振和 使用 功耗 較大 晶振 電路 ,這 里利用 通用數 集成 電路 74系列搭 一個 串聯諧 振式 振蕩 ,以產生 18432MHz的頻率 號。再利 分頻 器對 四分 ,從 獲得 一個 4608kHz 時鐘信 號送 HT2012。經 實驗 ,該信 號完 全符 HT2012 時鐘信 ,而 不增 的基礎上保證 了較低 的功耗。

    3HART 訊協 議的 軟件設

    HART 訊軟 件亦 HART協議 數據 路層 和應 的軟件 實現 ,是 HART 變量 渦街 流量 的設計 重點HART協議 通過 MCU 串行 口采用 從方式 行通 流量計 在上 機詢 問時發 出應 答信 ,通 HT2012 數據 的接 收和發 。先 由上 位機 發送 命令 幀格 .渦街 流量 串行 口中斷接 到命 幀后 ,由 MCU作相 的數 處理 .然 后將 理過 的數 據整 理后 為應 的內 容放 入發 緩沖 .再 MCU 發發 中斷 ,發 出應答 ,從而 完成 次命令 的交 。接 收數據 .若 該流量 計檢 測到 數據 有錯 .則等到 上位 機命 令幀 發送 完以后 .它 發出置 有相 應錯 誤狀 態位 的應 答幀 ,告知上 位機 據接收有誤 ,上位 收該 答幀 ,則重 發命 ,從而 證通 訊的準確 無誤 的串行 中斷程 序框 圖如 5 。圖 5 串行 中斷程 序框

    4結束語

    研究表明,這種多變量渦街流量計不僅具有普通儀表的量程 、零 、單位 轉換 功能 ,而且 完全 符合 HART 的要求 ,可與上位 機進 行遠 程操 ,由上 位機 遠程 讀取 瞬時 流量 、累 積流量等 ,或對 量程 、零 、單位 等進 行設 ,便于 實時 監控 。同時 ,由于 引入 了溫度 、壓 力信 的多變 量測 ,渦街 流量 的測量 精度大 為提 。因此 ,這種 帶有 HART協議 的多變量 渦街 流量 計在 內具 良好 的發展前景 。

     

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