一般我們所使用的流量計(jì)如電磁流量計(jì)、渦街了流量計(jì)等都會帶HART協(xié)議這一功能HART通訊協(xié)議是參照標(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.HART fHighwayAddressableRemoteTransducer)協(xié)議是美國Rosemout公司于8O年代提出的一種用于現(xiàn)場智能儀表和控制室設(shè)備通訊的協(xié)議,它具有兼容4—20mA模擬信號與數(shù)字通信的性質(zhì).

(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)議采用了美國通訊系統(tǒng)Bell202標(biāo)準(zhǔn),在4-20mA的模擬信號上疊加幅度為±O．5mA的正弦波,1200Hz代表邏輯”

1”．2200Hz代表邏輯…0’.因?yàn)樗B加的正弦信號平均值為0,所以數(shù)字通訊信號不會干擾4～20mA的模擬信號.

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.

(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?/span>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)刂窞?/span>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、產(chǎn)品型號等；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)議功能的多變數(shù)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．由傳感器模塊測得的頻率信號經(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)字信號轉(zhuǎn)換成4—20mA電流輸出．Bell202MODEM及其附屬電路的作用是對疊加在4-20mA環(huán)路上的信號進(jìn)行帶通濾波放大后,對獲得的信號進(jìn)行調(diào)制或解調(diào).

D／A轉(zhuǎn)換器采用AD421．它是美國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)字信號以串行方式輸入,可以將數(shù)字信號直接轉(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)／、中國自控網(wǎng):http:／／www．autocontro1．cn目自控霸郵局訂閱號:82—946 120元,年一13—維普信息http://www.cqvip。。ｃｏｍ中文核心期刊《微電腦信息》(測控自動化)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)壓輸出以供電路其他部分的用電

由于本流量計(jì)采用電源線和信號線復(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zui大難點(diǎn).以往國內(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.

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)字通訊的編碼和解碼,采用16腳DIP和28腳PLCC封裝.附屬電路主要實(shí)現(xiàn)信號的濾波整形,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電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號,經(jīng)過HT2012解調(diào),再送入單片機(jī)串行通訊界面中．從而完成數(shù)據(jù)接收任務(wù).

經(jīng)過多方面選擇和比較,zui終所選用的A／D、D／A、EEP-ROM、液晶顯示器件以及頻率信號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,*符合HART協(xié)議的要求．可在此基礎(chǔ)上疊加HART信號,保證總電流不會超過4mA.

由于HT2012芯片需要外部提供460．8kHz的時(shí)鐘信號,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.