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        基于HART協(xié)議的智能型壓力變送器的設(shè)計

        2010-04-03 00:59:20顧麗
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2010年14期
        關(guān)鍵詞:主程序模擬信號數(shù)字信號

        曹 偉 顧麗

        (哈爾濱理工大學(xué) 測控技術(shù)與通信工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱150040)

        1 引言

        壓力變送器作為工業(yè)過程檢測和控制的基礎(chǔ)儀器使用廣泛,其發(fā)展總趨勢是數(shù)字化、智能化、高精度、高適應(yīng)性和高安全性。目前數(shù)字智能式變送器正在主導(dǎo)壓力變送器的發(fā)展方向,然而由于模擬現(xiàn)場儀表的大量使用,受原投資保值的限制,從傳統(tǒng)的壓力變送器到全數(shù)字智能壓力變送器的更新還需要很長一段時間[1]。為解決這一問題,本設(shè)計將引進HART協(xié)議,在不改變原有設(shè)施的基礎(chǔ)上,實現(xiàn)模擬信號和數(shù)字信號兼容通信。

        2 HART協(xié)議的簡介

        HART (Highway Addressable Remote Transducer)協(xié)議即可尋址遠程傳感器高速通道開放通信協(xié)議,是美國Rosement公司于1985年推出的一種用于現(xiàn)場智能儀表和控制室設(shè)備之間的通信協(xié)議。HART協(xié)議采用半雙工通訊,參考“ISO/OSI”的模型標準,簡化并應(yīng)用其中三層即:物理層,數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層,它能在現(xiàn)有模擬信號傳輸線上實現(xiàn)數(shù)字信號通信,實現(xiàn)模擬信號和數(shù)字信號兼容[2]。

        第一層:物理層。這層規(guī)定了信號的傳輸方法和傳輸介質(zhì)。HART協(xié)議采用BELL202標準的頻移鍵控技術(shù)FSK,即在4~20mA模擬信號上疊加幅度為0.5mA的正弦調(diào)制波,數(shù)字信號的傳送波特率設(shè)定為 1200bps,1200Hz代表邏輯“1”,2200Hz代表邏輯“0”。由于FSK信號的平均值為0,所以數(shù)字通信信號不會干擾4~20mA的模擬信號,保證了與現(xiàn)有模擬系統(tǒng)的兼容性。

        HART信號疊加原理如圖1所示。

        圖1 HART信號疊加原理

        通信介質(zhì)的選擇以傳輸距離長短而定。通常采用雙絞同軸電纜作為傳輸介質(zhì)時,最大傳輸距離可達到1.5Km。

        第二層:數(shù)據(jù)鏈路層。規(guī)定了HART幀的格式,實現(xiàn)建立、維護、終結(jié)鏈路通訊的功能。HART協(xié)議根據(jù)冗余檢錯碼信息,采用自動重復(fù)請求發(fā)送機制,消除由于線路噪音或其他干擾引起的數(shù)據(jù)通訊出錯,實現(xiàn)通訊數(shù)據(jù)無差錯傳送。

        第三層:應(yīng)用層。為HART命令集,用于實現(xiàn)HART指令。命令分為三類,即通用命令、普通命令和專用命令。

        3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

        變送器的硬件部分主要由以下幾部分組成:傳感器模塊、AD模塊、MCU模塊、通信模塊、鍵盤和顯示模塊。傳感器采集的壓力信號通過AD模塊、MCU模塊、通信模塊進行處理后,輸送到HART總線上或通過顯示模塊顯示。變送器的總體構(gòu)成如圖2所示。

        本設(shè)計采用片上靜電電容型傳感器,當有兩壓力作用于傳感器的兩側(cè)時,傳感器內(nèi)部電容將隨壓力的大小而變化,通過測量電容變化便可知道壓力的大小。

        傳感器電容變化信號通過震蕩電路,轉(zhuǎn)化為與壓力有關(guān)的電信號,該信號通過放大,調(diào)整后送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器。本設(shè)計的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采用AD7799。它是美國AD公司生產(chǎn)的三通道、低功耗、低噪聲、高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。該芯片具有自動校準、系統(tǒng)校準和背景校準功能,可以消除零點誤差、滿量程誤差及溫度漂移的影響[3]。

        本設(shè)計MCU微處理器采用MSP430F149高性能單片機,MSP430是TI公司生產(chǎn)的超低功耗16位FLASH單片機。AD7799輸出的數(shù)字信號輸入MSP430F149后,進行非線性化補償和溫度補償,再通過HART通信模塊輸出到HART總線回路上。

        本設(shè)計HART通信模塊主要由D/A轉(zhuǎn)換電路和Bell202 MODEM及其附屬電路來實現(xiàn)。其中,DA轉(zhuǎn)換采用ADI公司推出的16位數(shù)字模擬變換器AD421,16位數(shù)字信號從其data引腳以串行方式輸入,4~20mA模擬電流從其looprtn引腳輸出。采用兩線路供電,AD421片內(nèi)有電源調(diào)整器。電源調(diào)整器可提供+5V、+3.3V或+3V輸出電壓,還含有+1.25V、+2.5V基準電源,均可為其自身或其它電路選用。本設(shè)計中AD421通過LATCH、CLOCK和DATA與MCU進行串口通信[4]。

        HT20C15是美國SMAR公司生產(chǎn)的一款HART專用調(diào)制解調(diào)器,傳送速率1200bps,采用半雙工工作方式。HT20C15與MCU交換數(shù)字信號,同時作為AD421的模擬信號接口。當從4~20mA環(huán)路上接收信號時,經(jīng)過帶通濾波、放大整形后提取出FSK信號并解調(diào)為數(shù)字信號,將1200Hz的信號解調(diào)為“1”,將2200Hz的信號解調(diào)為“0”,傳送給MCU;發(fā)送時,從MCU接收數(shù)據(jù),進行調(diào)制和波形整形后耦合到AD421內(nèi)部,將“1”調(diào)制為1200Hz,將“0”調(diào)制為2200Hz,通過AD421疊加到環(huán)路上。

        顯示模塊的實現(xiàn):為滿足低功耗的要求,采用了點陣式液晶模塊。在MSP430的控制下,配合按鍵輸出相應(yīng)的信息。

        4 智能變送器的軟件設(shè)計

        變送器的軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分三個部份:主程序、測控程序和通信程序。其中主程序是核心部分,因為整個系統(tǒng)是在主程序的控制下工作的,它直接影響系統(tǒng)的工作和運行,基本組成如圖3所示。

        主程序是整個儀器軟件的核心,上電復(fù)位后儀器首先進入主程序,主程序包括對系統(tǒng)中可編程器件輸入輸出口參數(shù)、定時器、異步串行通信口的初始化工作,以及實時中斷和處理模塊等功能。

        測控程序主要是采集溫度/壓力的A/D信號,在進行非線性和溫度補償后輸出到HART總線上。

        通信程序是HART協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層的軟件實現(xiàn),包括通訊接收和通訊發(fā)送。

        5 結(jié)語

        本文設(shè)計的基于HART協(xié)議的智能壓力變送器可單機使用,也可與工業(yè)PC、HART手操器一起構(gòu)成HART網(wǎng)絡(luò),具有通信功能,可實現(xiàn)遠程實時監(jiān)控。該變送器具有功耗低、兼容性好、實時性較強、可靠性高、成本較低等優(yōu)點。

        [1]范寬琳.我國壓力變送器的產(chǎn)品現(xiàn)狀和出路.自動化與儀表,2007.

        [2]Smart International Corp.HART技術(shù)指南.

        [3]劉煥成.基于HART協(xié)議的智能變送器設(shè)計.單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用.2001(6).

        [4]汪獻忠等.AD421在智能變送器中的應(yīng)用.儀表技術(shù)與傳感器,2006,03.

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