hart( highway addressable remote transducer)协议是美国 rosemout 2公司于80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。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、流量测量于体的带有hart协议的多变量流量计。经研究表明,这种多变量bob半岛官网入口-bob半岛平台官方网站不仅能够测量温度、压力和流量,而且完全符合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。
1.hart协议简介
hart通讯协议是参照国际标准化组织(iso)的“开放性系统互连(osi'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。
(1)物理层规定了hart通信的物理方式和传输介质。hart协议采用了美国电话通讯系统bell202标准,在4~20ma的模拟信号上叠加幅度为±0.5ma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。
(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1~15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。
(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,它是各公司自己所特有的,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量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
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。
2.1 hart通讯模块设计
hart通讯模块部分主要由d/a转换器和bel202 modem及其附属电路来实现리,部分电路连接如图3所示。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,bel1202 moden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bob半岛平台官方网站的解决方案,采用16引脚dip、 tssop、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它部分的用电。
hart modev采用smar公司的ht2012,它是符合bell202通讯标准的半双工调制角解调器,实现hart协议规定的数字通讯的编码和译码,采用16脚dp和28脚plcc封装이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4和图5)。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9502550hz。它将4-20ma环路上±0.5 mahiari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接口中,从而完成数据接收任务。
2.2低功耗设计
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一大难点。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。
经过多方面选择和比较,zui终所选用的a/d、d/a、 eeprom、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microchip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,完全符合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。
2.3晶振的选择与设计
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。
为避免专门定制晶振和使用功耗较大的晶振电路,这里利用通用数字集成电路74系列搭建一个串联谐振式振荡器,以产生1.8432mhz的频率信号。再利用分频器对其四分频,从而获得一个460.8khz的时钟信号送给ht2012。经实验表明,该信号完全符合ht2012的时钟信号要求,而且在不增加芯片的基础上保证了较低的功耗。
3.hart通讯协议的软件设计
hart通讯软件亦即hart协议数据链路层和应用层的软件实现,是hart多变量涡街流量计的设计重点。
hart协议通过mcu的串行口采用主从方式进行通讯。流量计在上位机询问时发出应答信号,通过ht2012实现数据的接收和发送。先由上位机发送命令帧格式,涡街流量计由串行口中断接收到命令帧后,由mcu作相应的数据处理,然后将处理过的数据整理后作为应答帧的内容放入发送缓冲区,再由mcu触发发送中断,发出应答帧,从而完成一次命令的交换。接收数据时,若该流量计检测到数据有错,则等到上位机命令帧发送完以后,它发出置有相应错误状态位的应答帧,告知上位机数据接收有误,上位机接收该应答帧后,则重发命令帧,从而保证通讯的准确无误。基本的串行中断程序框图如图6所示。
4.结束语
研究表明,这种多变量bob半岛官网入口-bob半岛平台官方网站不仅具有普通仪表的量程、零点、单位转换等功能,而且完全符合hart协议的要求,可与上位机进行远程操作,由上位机远程读取瞬时流量、累积流量等参数,或对量程、零点、单位等进行设置,便于实时监控。同时,由于引入了温度压力信号的多变量测量,涡街流量计的测量精度大为提高。因此,这种带有hart协议的多变量涡街流量计在国内具有良好的发展前景。
