进源品牌带HART协议的涡街流量计你了解多少

一般我们所使用的流量计如电磁流量计、涡街了流量计等都会带HART协议这一功能HART通讯协议是参照标准化组织(IS0)的“开放性系统互连(osD”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.HART fHighwayAddressableRemoteTransducer)协议是美国Rosemout公司于8O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4—20mA模拟信号与数字通信的性质.

(1)物理层规定了HART通信的物理方式和传输介质.HART协议采用了美国通讯系统Bell202标准,在4-20mA的模拟信号上叠加幅度为±O．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.

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、流量测量于一体的带有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*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.

(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l～l5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.马永成:硕士研究生(北京化工大学)马永成莫德举

Ma,Yongcheng Mo,Deju

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主设备到从设备的帧格式

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从设备到主设备的帧格式

图1HART协议的帧格式

(3)应用层规定了HART通讯命令的内容,共分为3类.*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,但不同公司的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,它是各公司自己所*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数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.放波卜

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D／A转换器和Bel202MODEM及其附属电路来实现,部分电路连接如HART通讯模块电路图略.其中,D／A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．Bell202MODEM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.

D／A转换器采用AD421．它是美国ADI公司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DIP、TSSOP、IF)／、中国自控网:http:／／www．autocontro1．cn目自控霸邮局订阅号:82—946 120元,年一13—维普信息http://www.cqvip。。ｃｏｍ中文核心期刊《微电脑信息》(测控自动化)2005年第21卷第1期

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D／A转换外,还提供可选择的(5V、3．3V或3v)

稳压输出以供电路其他部分的用电

由于本流量计采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.以往国内有采用软件降低功耗的做法,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.

HARTMODEM采用Smar公司的HT2012．它是符合Bell

202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解码,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3和图4).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±0．5mAHART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界面中．从而完成数据接收任务.

经过多方面选择和比较,zui终所选用的A／D、D／A、EEP-ROM、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MI-CROCHIP公司的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,*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.

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.