1、HART協議簡介
HART通訊協議是參照國際標準化組織(ISO)的"開放性系統互連(OSI)"模型標準并簡化引用其中3層而制定的,即物理層、數據鏈路層和應用層。
(1)物理層規定了HART通信的物理方式和傳輸介質。HART協議采用了美國電話通訊系統Bell202標準,在4~20mA的模擬信號上疊加幅度為±0.5mA的正弦波,1200Hz代表邏輯“1”,2200Hz代表邏輯“0”。因為所疊加的正弦信號平均值為0,所以數字通訊信號不會干擾4~20mA的模擬信號。
(2)數據鏈路層規定了數據幀格式,如圖1所示。其可尋址范圍是0~15,當地址為0時,智能變送器處于4~20mA與數字通訊兼容狀態,當地址為1~15時,則處于全數字通訊狀態,這時可聯結成多站模式,并通過全數字通訊狀況來尋找對話的變送器。
(3)應用層規定了HART通訊命令的內容,共分為3類。*類是通用命令,適用于所有符合HART協議的產品,如讀制造廠號、產品型號等:第二類是普通應用命令,適用于大部分符合HART協議的產品,但不同公司的HART產品可能還略有區別,如寫主變量單位、微調D/A的零點等。以上兩大命令規定了符合HART通信協議的產品具有一定的互換性。第三類是特殊命令,它是各公司自己所有的,不互相兼容,如特征化,傳感器校正等。
2、基于HART協議的多變量渦街流量計的硬件設計
帶有HART通訊協議功能的多變量渦街流量計的硬件系統結構如圖2所示。電路采取模塊化設計,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部分。
首先,由傳感器模塊測得的頻率信號經放大、濾波、整形后送入單片機進行線形化處理、量程轉換、累計流量計算和單位轉換等。而獲得的溫度和壓力信號送入A.D轉換器中,通過模數轉換進入單片機中,一方面經過MCU處理直接送入顯示模塊進行顯示:另一方面通過計算公式對得到的流量值進行溫壓補償。然后,經過溫壓補償后的流量信號通過HART通訊模塊實現與上位機的遠程通訊。
2.1HART通訊模塊設計
HART通訊模塊部分主要由D/A轉換器和Bel202 MODEM及其附屬電路來實現,部分電路連接如圖3所示。其中,D/A轉換器的作用是直接將主要變量的數字信號轉換成4-20mA電流輸出,Bel1202 MODEM及其附屬電路的作用是對疊加在4-20mA環路上的信號進行帶通濾波放大后,對獲得的信號進行調制或解調D/A轉換器采用AD421,它是美國ADI公司推出的一種單片高性能數模轉換器,由環路供電,16位數字信號以串行方式輸入,可以將數字信號直接轉換成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,可實現低成本的遠程智能工業控制。AD421除了能進行串行16位DA轉換外,還提供可選擇的(5V、3.3V或3V)穩壓輸出以供電路其它部分的用電。
HART MODEM采用Smar公司的HT2012,它是符合Bell202通訊標準的半雙工調制解調器,實現HART協議規定的數字通訊的編碼和譯碼,采用16腳DIP和28腳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形電路組成(見圖4和圖5)。
其中,方波整形電路將HT2012輸出的電壓信號整形為方波,產生數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環路上±0.5 MAHART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,從而完成數據接收任務。
2.2低功耗設計
由于本流量計采用電源線和信號線復用的兩線制方式,其電路消耗的電流加上0.5mA的HART正弦調制波信號電流不得超過4mA的回路電流,即系統功耗須小于3.5mA,所以硬件設計須符合低功耗條件,這也是HART通訊模塊設計的關鍵和ZUI大難點。以往國內有采用軟件降低功耗的做法,但此舉降低了單片機運算和處理數據的能力,而且可能會在某些情況下無法兼顧HART通訊、準確定時和低功耗三個方面,所以在這里,筆者采用了純硬件的方法來降低功耗。
經過多方面選擇和比較,ZUI終所選用的AD、D/A、 EEPROM、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。壓力和溫度測量電路部分則采用了0.5mA的恒流源串聯供電,這樣整個系統的電流不超過3.5mA,完全符合HART協議的要求,可在此基礎上疊加HART信號,保證總電流不會超過4mA。
2.3晶振的選擇與設計
由于HT2012芯片需要外部提供460.8kHz的時鐘信號,且要求其偏差在士0.1%的范圍內,故須使用振蕩頻率穩定的晶振。但是,晶振的功耗較大,加入一片460.8kHz的晶振后,系統的功耗電流明顯增加,超出了HART協議的要求,而且460.8kHz的晶振并非標準晶振,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,這里利用通用數字集成電路74系列搭建一個串聯諧振式振蕩器,以產生1.8432MHz的頻率信號。再利用分頻器對其四分頻,從而獲得一個460.8kHz的時鐘信號送給HT2012。經實驗表明,該信號完全符合HT2012的時鐘信號要求,而且在不增加芯片的基礎上保證了較低的功耗。
3、HART通訊協議的軟件設計
HART通訊軟件亦即HART協議數據鏈路層和應用層的軟件實現,是HART多變量渦街流量計的設計重點。
HART協議通過MCU的串行口采用主從方式進行通訊。流量計在上位機詢問時發出應答信號,通過HT2012實現數據的接收和發送。先由上位機發送命令幀格式,渦街流量計由串行口中斷接收到命令幀后,由MCU作相應的數據處理,然后將處理過的數據整理后作為應答幀的內容放入發送緩沖區,再由MCU觸發發送中斷,發出應答幀,從而完成一次命令的交換。接收數據時,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,告知上位機數據接收有誤,上位機接收該應答幀后,則重發命令幀,從而保證通訊的準確無誤。基本的串行中斷程序框圖如圖6所示
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、零點、單位轉換等功能,而且完全符合HART協議的要求,可與上位機進行遠程操作,由上位機遠程讀取瞬時流量、累積流量等參數,或對量程、零點、單位等進行設置,便于實時監控。同時,由于引入了溫度、壓力信號的多變量測量,渦街流量計的測量精度大為提高。因此,這種帯有HART協議的多變量渦街流量計在國內具有良好的發展前景。
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