一般我們所使用的流量計如電磁流量計、渦街了流量計等都會帶HART協議這一功能HART通訊協議是參照標準化組織(IS0)的“開放性系統互連(osD”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.HART fHighwayAddressableRemoteTransducer)協議是美國Rosemout公司于8O年代提出的一種用于現場智能儀表和控制室設備通訊的協議,它具有兼容4—20mA模擬信號與數字通信的性質.

(1)物理層規定了HART通信的物理方式和傳輸介質.HART協議采用了美國通訊系統Bell202標準,在4-20mA的模擬信號上疊加幅度為±O．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.

符合HART協議的智能流量計不僅可以實現各種流體的檢測與就地顯示,而且還可以通過上位機進行遠程設定,改變流量計的零點、量程,以及完成自診斷等功能,在很大程度上方便了流量計的維護.本文所研究的流量計是在現有渦街流量計的基礎上．融入了溫度和壓力參數的測量,并將HART通訊協議應用其中．設計出集溫度、壓力、流量測量于一體的帶有HART協議的多變量流量計.經研究表明,這種多變量渦街流量計不僅能夠測量溫度、壓力和流量,而且*符合HART協議規范,實現了與上位機的遠程操作,因而具有廣闊的發展前景.

(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l～l5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.馬永成:碩士研究生(北京化工大學)馬永成莫德舉

Ma,Yongcheng Mo,Deju

蘭絲l塞l壘l蘭!墼l墼塑I墮竺!!

主設備到從設備的幀格式

蘭塞竺I l魚竺l蘭!塑l窒里l墼塑I墮竺蘭!

從設備到主設備的幀格式

圖1HART協議的幀格式

(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*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數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.放波卜

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Bel202MODEM及其附屬電路來實現,部分電路連接如HART通訊模塊電路圖略.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．Bell202MODEM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、IF)／、中國自控網:http:／／www．autocontro1．cn目自控霸郵局訂閱號:82—946 120元,年一13—維普信息http://www.cqvip。。ｃｏｍ中文核心期刊《微電腦信息》(測控自動化)2005年第21卷第1期

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D／A轉換外,還提供可選擇的(5V、3．3V或3v)

穩壓輸出以供電路其他部分的用電

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,即系統功耗必須小于3．5mA,所以硬件設計必須符合低功耗條件,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.

HARTMODEM采用Smar公司的HT2012．它是符合Bell

202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解碼,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3和圖4).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±0．5mAHART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界面中．從而完成數據接收任務.

經過多方面選擇和比較,zui終所選用的A／D、D／A、EEP-ROM、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MI-CROCHIP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,*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.

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±0．1％的范圍內,故必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.