萬 彪

(武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院 計算機學(xué)院,武漢 430074)

基于HART協(xié)議的二線制渦輪流量變送器的開發(fā)

萬 彪

(武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院 計算機學(xué)院,武漢 430074)

以HART協(xié)議為通信標(biāo)準(zhǔn)，提出了系統(tǒng)的總體方案設(shè)計，通過對HART協(xié)議的理解與掌握，詳細(xì)的給出了基于渦輪流量變送器的軟硬件設(shè)計；硬件設(shè)計部分包括渦輪脈沖采集模塊，微處理器模塊，HART通信模塊和4～20mA環(huán)路電流模塊4個模塊，其中HART通信模塊采用HART調(diào)制解調(diào)器芯片AD5700實現(xiàn),4～20mA環(huán)路電流模塊采用環(huán)路供電專用芯片AD5421實現(xiàn)，二者共同構(gòu)成了HART協(xié)議的物理層接口，文章硬件電路所采用的都是低功耗芯片，用純硬件的方法解決了HART總線設(shè)備的低功耗難點；軟件設(shè)計部分包括主監(jiān)控程序、變送計算程序和HART協(xié)議通信程序3個程序模塊，重點講述了HART協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層的實現(xiàn)過程；最后文章對渦輪流量變送器的二線制傳輸功能和HART通信功能進行了測試；測試結(jié)果表明，變送器的設(shè)計要求基本實現(xiàn)了。

HART協(xié)議；渦輪流量變送器；二線制

0 引言

現(xiàn)場總線技術(shù)是近年來工業(yè)控制領(lǐng)域最熱門的技術(shù)之一，作為一種新型的控制技術(shù)，它具有開放性、分散化、可互操作、低成本等諸多優(yōu)勢，因此引起了各大儀表廠商的高度重視，紛紛推出了具備現(xiàn)場總線通信能力的變送器，其中，為滿足從模擬到全數(shù)字的過渡應(yīng)運而生的HART通信協(xié)議得到了廣泛應(yīng)用。渦輪流量變送器在流量測量中應(yīng)用廣泛，然而目前市面上的渦輪流量變送器很少有帶HART協(xié)議的，二線制的也不多，既是二線制的儀表又同時支持HART協(xié)議的更是寥寥無幾。因此本文就基于HART協(xié)議的二線制渦輪流量變送器做了研究，將HART協(xié)議應(yīng)用于渦輪流量變送器，并利用HART網(wǎng)絡(luò)為變送器供電實現(xiàn)其二線制傳輸。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

HART(可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道)通信協(xié)議是為工業(yè)過程測量和控制應(yīng)用而設(shè)計, 是美國羅斯蒙特公司(ROSEMOUNT)公司于1986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，主要用于智能化壓力、溫度、流量、密度及分析儀表與控制系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)傳輸。由于采用了可以從模擬信號中去除數(shù)字信號的標(biāo)準(zhǔn)過濾技術(shù)，數(shù)字信號的存在并不會影響模擬信號的輸出。

本文所設(shè)計的智能渦輪流量變送器仍是以傳統(tǒng)變送器的硬件電路為基礎(chǔ)的，比如傳感器電路、抗干擾電路等，只不過它的優(yōu)勢在于引入了微處理器和HART總線技術(shù)。引入微處理器，可通過軟件編碼來實現(xiàn)以及優(yōu)化傳感器的諸多功能，而且可以減少外圍電路元件，從而使整個系統(tǒng)功耗更低。引入HART總線技術(shù)，利用HART總線供電的特征實現(xiàn)系統(tǒng)的二線制傳輸，以及利用HART總線特有的同時支持模擬信號和數(shù)字信號傳輸，來實現(xiàn)多變量的傳輸。

傳統(tǒng)設(shè)計智能儀表都是采取模塊化思想來設(shè)計整體電路的，這種設(shè)計方法簡單易懂結(jié)構(gòu)明朗。本系統(tǒng)也采取模塊化設(shè)計方法，主要分為4個模塊，分別是渦輪脈沖采集模塊、微處理器模塊、HART通信模塊和4～20 mA環(huán)路電流模塊。基于HART協(xié)議的二線制渦輪流量變送器的模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于HART協(xié)議的二線制渦輪流量變送器的模塊結(jié)構(gòu)圖

渦輪傳感器輸出的脈沖信號經(jīng)渦輪脈沖采集模塊進行處理之后,送入到微處理器模塊進行流量積算等，然后輸出對應(yīng)的流量以及生產(chǎn)過程中相應(yīng)的過程量如儀表系數(shù)等，然后通過HART通信模塊調(diào)制成0.5 mA的HART頻率信號，輸送到4～20 mA回路上。DA轉(zhuǎn)換部分的作用是實現(xiàn)整個系統(tǒng)的二線制供電。

整個系統(tǒng)從4～20 mA電流環(huán)上得到供能，實現(xiàn)二線制傳輸。然而，4～20 mA電流環(huán)供能有限，整個變送器系統(tǒng)所耗電流加上0.5 mA的HART正弦調(diào)制波信號電流不允許超過4 mA，即整個電路系統(tǒng)功耗必須在3.5 mA以下才能保證正常工作，因此在設(shè)計時所選的電路元器件都選用了低功耗的器件。系統(tǒng)具體硬件框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)具體硬件框圖

2 關(guān)鍵模塊設(shè)計

2.1 渦輪脈沖采集模塊

霍爾開關(guān)就是利用霍爾效應(yīng)原理，再加以集成封裝等工藝而制作成的一種磁感應(yīng)式電子開關(guān)，便捷的把磁輸入信號轉(zhuǎn)化成開關(guān)量電信號輸出。根據(jù)輸出的電壓脈沖，便可實現(xiàn)對旋轉(zhuǎn)體各個物理量如轉(zhuǎn)速、角速度等的測量了。在轉(zhuǎn)軸上再固定一個葉輪，用液體或者氣體等流體去推動葉輪讓轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，由此便構(gòu)成了一個渦輪流量傳感器。傳感器輸出的電壓脈沖與待測流量成正比例關(guān)系，微處理器只需實時的捕獲脈沖的頻率就可以計算出流過渦輪的液體的實時流量了。

渦輪流量傳感器輸出的電壓脈沖信號微弱，微處理器要實現(xiàn)對它的捕獲處理工作，必須要經(jīng)過信號的放大濾波處理。由此本設(shè)計選用了雙運放集成器件LM258，它的內(nèi)部包含了兩個完全相同的運算放大器，支持3～32 V單電源供電。如圖3所示為渦輪脈沖采集電路，渦輪流量脈沖信號首先經(jīng)過RC濾波去除信號中的干擾成分，然后進行合適的放大，再通過比較電路變換成方波信號送入微處理器進行頻率計數(shù)處理和流量計算。

圖3 渦輪脈沖采集電路

2.2 HART通信模塊

HART通信模塊是根據(jù)HART通信協(xié)議物理層的設(shè)計要求而設(shè)計的硬件電路，實際上就是HART通信協(xié)議物理層的硬件實現(xiàn)。它主要由HART調(diào)制解調(diào)器、調(diào)制器出口電路、解調(diào)器入口電路、信號整形電路、濾波電路和時鐘電路組成。AD5700是亞德諾半導(dǎo)體公司推出的一種低功耗FSK半雙工調(diào)制解調(diào)器，符合HART通信協(xié)議物理層要求，性能優(yōu)良，其內(nèi)部集成了符合BELL202標(biāo)準(zhǔn)的解調(diào)器、調(diào)制器、濾波電路、信號檢測電路、信號整形等電路，所需外部元件極少，且最大電源功耗僅為115 μA，是低功耗環(huán)路供電型應(yīng)用的不錯選擇。

圖4 AD5700與微處理器接口示意圖

HART信號的調(diào)制過程為：微處理器向上位機發(fā)送數(shù)字信號時，首先經(jīng)過微處理器的串口輸出引腳SOUT將數(shù)字信號傳送至AD5700的TXD調(diào)制器輸入信號引腳，然后調(diào)制器將數(shù)字信號0或1調(diào)制為2.2 kHz或1.2 kHz的正弦波，從AD5700的HART_OUTHART信號輸出引腳輸出，最后送至波形整形輸出電路上，由此完成一次HART信號的調(diào)制過程。圖5為解調(diào)過程波形。

圖5 調(diào)制過程波形

HART信號的解調(diào)過程為：外部帶通濾波器輸出的FSK信號從ADC_IP腳進入AD5700后，解調(diào)器將信號中的2.2 kHz解調(diào)為數(shù)字0，將1.2 kHz解調(diào)為數(shù)字1，經(jīng)解調(diào)的數(shù)字信號從AD5700的RXD引腳輸出，通過微處理器的串口輸入引腳SIN進入微處理器，微處理器對接收到的數(shù)據(jù)進行分析和判斷并做出相應(yīng)的響應(yīng)，由此完成一次HART信號的解調(diào)過程。圖6為解調(diào)過程波形。

圖6 解調(diào)過程波形

圖7 AD5421電流輸出電路及外圍電路

2.3 4～20 mA環(huán)路電流模塊

在設(shè)計智能變送器硬件電路過程中，既要滿足模擬信號4～20 mA的電流輸出，又要考慮到整個變送器系統(tǒng)的低功耗要求。一般而言，有兩種方法可實現(xiàn)輸出電流控制。第一種方法是采用D/A轉(zhuǎn)換芯片，模擬電路通過D/A轉(zhuǎn)換芯片輸出的期望電壓信號實現(xiàn)對回路電流輸出的控制。第二種方法是采用電流輸出控制集成芯片，如AD421等。若采用第一種方法，外圍電路必會使用一些分立的電容電阻等元器件，這會對整個系統(tǒng)的可靠性造成影響，并且?guī)碚`差。第二種方法中，采用電流輸出控制集成芯片不僅可以提高電流精度，還可以降低溫度漂移。對兩種輸出電流控制方法進行比較分析，并對D/A各個性能指標(biāo)進行仔細(xì)評估之后，本設(shè)計選用的是美國AnalogDevices公司生產(chǎn)的一款數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD5421。它的供電是由4～20 mA電流環(huán)路提供，而且可以為其他器件供電，不需要使用額外的分立電源，符合本文的二線制設(shè)計要求。

AD5421支持3種環(huán)路輸出電流范圍，如表1所示，可通過設(shè)置RANGE1、RANGE0引腳的狀態(tài)來進行選擇。本設(shè)計將RANGE1、RANGE0引腳與COM引腳相連，選擇4 mA到20 mA的環(huán)路電流范圍。

表1 設(shè)置環(huán)路電流范圍

如圖7所示，AD5421經(jīng)過簡單的二極管保護、電感穩(wěn)流后直接輸出4～20 mA電流，LOOP+、LOOP-分別接4～20 mA電流環(huán)的正負(fù)。DVDD為AD5421對外部提供的3.3 V供電電壓。

2.4 二線制低功耗的實現(xiàn)

由于變送器二線制的設(shè)計要求，整個系統(tǒng)的功耗必須小于3.5 mA，本文是采用純硬件的方法來解決低功耗問題的。整個硬件電路采用的芯片都是高集成、低功耗的，外圍電路所需元器件也很少。本文硬件系統(tǒng)使用了四塊主芯片LM258、ADuCM360、AD5421和AD5700，它們的功耗如表2所示。

表2 硬件電路功耗

可知，整個硬件電路中，除去外圍少量的電阻電容的功耗之外，其他器件的總功耗最大值為500 uA+1 mA+0.3 mA+115 uA=1.915 mA，小于3.5 mA，完全符合二線制的低功耗設(shè)計要求，而且還有1.5 mA的裕量可供后續(xù)擴展其他芯片使用。

3 軟件設(shè)計

基于HART協(xié)議的二線制渦輪流量變送器的軟件系統(tǒng)按其功能分為3個模塊：主監(jiān)控程序、變送計算程序、HART通信程序。主監(jiān)控程序是整個軟件系統(tǒng)的核心，初始化各個子程序，并調(diào)度各個子程序的運行。變送計算程序主要是對采集來的渦輪流量的方波信號進行頻率的計算進而計算出待測流量。HART通信程序是本系統(tǒng)軟件設(shè)計的重要部分，也是主體部分，將渦輪流量變送器的運行狀態(tài)信息傳送至上位機，實現(xiàn)了上位機和變送器的實時數(shù)據(jù)通信，它實際上是HART通信協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層的具體實現(xiàn)。軟件體系組成框圖如圖8所示。

圖8 軟件體系組成框圖

變送計算程序包括對LM258所輸入的方波信號的采樣，頻率計算和流量計算。本設(shè)計是采用中斷方式實現(xiàn)的，由5 ms定時器觸發(fā)。根據(jù)單位時間內(nèi)采集到的脈沖個數(shù)計算出頻率。根據(jù)頻率與流量的正比例關(guān)系，由渦輪流量計算公式即可計算出對應(yīng)的流量。

通信軟件的主要功能是,現(xiàn)場儀表通過現(xiàn)場總線將其控制信息、運行狀態(tài)信息等傳到監(jiān)控計算機,由安裝在計算機內(nèi)的HART協(xié)議的設(shè)備管理軟件來完成計算、組態(tài)、故障診斷、監(jiān)視等功能。HART協(xié)議通信程序是基于HART協(xié)議二線制渦輪流量變送器整個程序設(shè)計的重點部分，是HART通信協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層的軟件實現(xiàn)，同時變送器與上位機的互操作性也在此得到了實現(xiàn)。

HART通信方式屬于半雙工方式，具體而言，HART通信為主從方式，所以，在HART通信過程中，渦輪流量變送器作為從設(shè)備，一般情況下(突發(fā)模式除外)，只有在接收到主設(shè)備(如上位機或者手操器)發(fā)送來的命令之后才會作出應(yīng)答。為了保證對主設(shè)備發(fā)送來的命令的實時響應(yīng)，同時又不對主監(jiān)控程序的正常運行造成影響，HART協(xié)議通信程序采用中斷方式實現(xiàn)，主要由3個中斷服務(wù)子程序組成：定時器T1的中斷子程序、外部中斷1(INT1)的載波檢測中斷子程序和串行口接收/發(fā)送服務(wù)子程序。

4 功能測試

搭建硬件測試平臺，接線圖如圖9所示，采用直流24 V電壓供電，采樣電阻RL串接于4～20 mA回路中，將電流信號和HART信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，通過RS232HART轉(zhuǎn)換器與上位機通信。此處的采樣電阻取值要求在250 Ω到1 000 Ω之間，本設(shè)計中采用的是300 Ω阻值的電阻，因為取值太大的話可能會影響環(huán)路電流。此處的RS232HART轉(zhuǎn)換器采用的是威盛公司生產(chǎn)的ESH232U型號的HART轉(zhuǎn)換器，它具有與PC兼容的標(biāo)準(zhǔn)USB-A型接口，可以通過計算機的USB接口或者RS232串口發(fā)送、接收HART命令。

圖9 HART變送器接線圖

首先測試HART通信的接口是否滿足其協(xié)議物理層要求，數(shù)據(jù)鏈路層是否搭建正確，以及整個二線制系統(tǒng)能否正常運行。采用一個第三方的HART接口測試軟件來進行測試。測試結(jié)果即界面中的“Status”項顯示測試通過，并檢測到只連接了一個從設(shè)備。

然后對HART協(xié)議應(yīng)用層進行測試。使用的是串口調(diào)試助手軟件，它能夠顯示出PC機端與下位機端的數(shù)據(jù)交換過程。打開串口調(diào)試助手,選定對應(yīng)的COM端口及波特率(1 200 bps)，設(shè)置校驗位、數(shù)據(jù)位、停止位等數(shù)據(jù)格式，接收區(qū)選擇十六進制顯示,發(fā)送區(qū)選擇十六進制發(fā)送，最后打開串口，同時接通24 V電源，發(fā)送相關(guān)命令。

比如，發(fā)送的命令0的序文：FFFFFFFFFF0280000082，其中5個FF是前導(dǎo)碼，定界符02表示是短幀數(shù)據(jù)，80是從設(shè)備地址，00代表的是HART命令0，00是數(shù)據(jù)字節(jié)，最后82是校驗字節(jié)。接收數(shù)據(jù)區(qū)返回了下位機端即變送器的響應(yīng)數(shù)據(jù)，所返回的HART響應(yīng)幀為：FFFFFFFFFF068000180001FE040405070102080000000000050-40000000004000168，其中前5個FF是前導(dǎo)碼；定界符06表示下位機傳上來的是短幀數(shù)據(jù)；80表示地址0；00代表的是HART命令0；18表示數(shù)據(jù)段字節(jié)數(shù)，18轉(zhuǎn)化為十進制是24，表示在它和校驗字節(jié)68之間有24個字節(jié)數(shù)據(jù)；0001是響應(yīng)碼字節(jié)，第一個字節(jié)為0表示通訊是成功的，反饋了正確的命令信息。040001表示這臺設(shè)備的序號。

綜上測試說明HART通信成功，基本實現(xiàn)了變送器的HART通信以及二線制傳輸功能。

5 結(jié)束語

本文以渦輪流量變送器為研究對象，從傳統(tǒng)儀表的四線制這一缺陷出發(fā)提出了二線制的改進思想，然后利用HART總線技術(shù)既支持總線供電又向前兼容現(xiàn)有儀表這一特征提出了將HART通信協(xié)議運用于渦輪流量變送器上來實現(xiàn)二線制傳輸。通過理論分析、測試驗證，渦輪流量變送器能進行二線制傳輸，而且與上位機的HART通信也正常，系統(tǒng)所要求的基本功能都實現(xiàn)了。本系統(tǒng)雖然是基于渦輪流量變送器而設(shè)計，但是其電路具有通用性，完全符合HART通信協(xié)議，軟件、硬件稍加更改即可用于其他壓力、溫度等變送器，可移植性強，可靠性高。由于HART通信協(xié)議特有的優(yōu)勢，已成為智能控制領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場通信協(xié)議，在今后很長一段時期內(nèi)，HART協(xié)議產(chǎn)品在國內(nèi)具有十分遼闊的市場。

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Development of Two Wire System Turbine Flow Transmitter Based on HART Protocol

Wan Biao

(Wuhan Polytechnic Computer Institute, Wuhan 430074, China)

Taking HART protocol as the communication standard, the overall scheme design of the system is proposed. Through the understanding and grasp of HART protocol, the detailed hardware and software design based on turbine flow transmitter is presented. Hardware design includes the four modules of turbine pulse acquisition module, microprocessor module, HART communication module and 4～20 mA loop current module. Among them, HART communication module adopts HART modem chip AD5700, and 4～20 mA loop current module adopts loop power supply special chip AD5421. The two together constitute the physical layer interface of HART protocol, In this paper, all hardware circuits adopt low power consumption chips. A pure hardware method is used to solve the difficulty of low power consumption of HART bus equipment. Software design includes three program modules: main monitoring program, transmission calculation program and HART protocol communication program. It focuses on the implementation process of the data link layer and application layer of HART protocol. Finally, the two wire system transfer function and HART communication function of the turbine flow transmitter are tested. The test results show that the transmitter design requirements are basically achieved.

HART protocol; turbine flow transmitter; two wire system

2016-10-12；

2016-11-08。

萬 彪(1975-),男,湖北荊門人，碩士，武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院計算機學(xué)院，副教授，主要從事計算機應(yīng)用方向的研究。

1671-4598(2017)03-0248-04DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp

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