電磁流量計(jì)手操器的設(shè)計(jì)

電磁流量計(jì)手操器的設(shè)計(jì)
   摘.. 要.. 論述了HART 協(xié)議及其在現(xiàn)場儀表中的應(yīng)用, 介紹了手操器的發(fā)展及工作原理, 描述了所設(shè)計(jì)的基于HART 協(xié)議的電磁流量計(jì)手操器的硬件結(jié)構(gòu)、原理及軟件功能, 并在實(shí)踐中得到了成功的應(yīng)用。
  關(guān)鍵詞.. 手操器.. 電磁流量計(jì).. HART 協(xié)議.. 串行通信
   0 .. 引言
   電磁流量計(jì)是利用法拉第電磁感應(yīng)定律測量導(dǎo)電流體的體積流量的儀表。由于安裝位置的限制, 在調(diào)試時(shí)采用手操器讀取儀表內(nèi)各參數(shù)以判斷運(yùn)行情況就成了電磁流量計(jì)應(yīng)用的一大趨勢?，F(xiàn)場總線技術(shù)是當(dāng)前自動檢測技術(shù)及過程控制領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一, 通過現(xiàn)場總線, 數(shù)字通信技術(shù)正在給現(xiàn)場儀表及過程控制系統(tǒng)帶來巨大變革。但目前基于4 ~ 20mA 的模擬設(shè)備還廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制各個領(lǐng)域, 實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化還不現(xiàn)實(shí)。為實(shí)現(xiàn)從模擬到全數(shù)字的過渡, 美國Rosemount 公司于1985 年推出了一種用于現(xiàn)場智能儀表與控制設(shè)備之間的通信協(xié)議.. HART 協(xié)議。HART 協(xié)議兼容模擬電流信號及數(shù)字通信信號, 既可進(jìn)行模擬信號傳輸, 又能進(jìn)行數(shù)字通信。作為一個開放性協(xié)議, 經(jīng)過十年多的發(fā)展, HART 協(xié)議已廣泛為智能儀表領(lǐng)域所接受。HART 通信泛的應(yīng)用是現(xiàn)場智能儀表與手持終端之間的通信。但手持終端并不適用于操作人員做常規(guī)監(jiān)控, 也不能實(shí)現(xiàn)用戶自編程序的自動控制過程, 本文針對這種情況設(shè)計(jì)了一種操作方便、能滿足用戶特殊要求、符合HART 通信標(biāo)準(zhǔn)的電磁流量計(jì)手操器, 并在現(xiàn)場測試中得到了實(shí)現(xiàn)。
   1 .. HART 協(xié)議結(jié)構(gòu)模型簡介
   HART 協(xié)議采用在4~ 20mA 模擬信號上疊加音頻數(shù)字信號的方法進(jìn)行雙向數(shù)字通信, 不會影響傳送的系統(tǒng)模擬信號大小, 保證了與現(xiàn)有模擬系統(tǒng)的兼容性。HART 協(xié)議遵循ISO 制訂的OSI 開放式系統(tǒng)互連參考模型中的層、第二層、第七層, 即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層( 見圖1) 。圖1 .. HART 通信協(xié)議模型
   1. 1 .. 物理層
   物理層規(guī)定了信號的傳輸方法和傳輸媒質(zhì)。HART 通信傳輸基于Bell202 通信標(biāo)準(zhǔn), 采用頻移鍵控.. FSK 方法, 傳遞波特率設(shè)定為1200bps, 數(shù)字信號.. 0..和.. 1..分別用.. 2200Hz..和.. 1200Hz.. 的正弦波表示, 這些頻率疊加在模擬信號上傳遞。由于FSK 信號平均值為0, 不影響模擬信號傳輸, 傳輸介質(zhì)通常采用雙絞電纜線, 傳輸距離為1500m( 見圖2) 。圖2 .. HART 信號傳輸標(biāo)準(zhǔn)
   1. 2 .. 數(shù)據(jù)鏈路層
   數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定了HART 幀的格式, 實(shí)現(xiàn)建立、維護(hù)、終結(jié)鏈路通信功能。HART 協(xié)議采用自動重復(fù)請求發(fā)送機(jī)制, 根據(jù)冗余糾錯碼信息實(shí)現(xiàn)通信數(shù)據(jù)的無差錯傳遞。
主設(shè)備..從設(shè)備的數(shù)據(jù)幀格式FF FF 定界符地址命令字節(jié)計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)校驗(yàn)字節(jié)從設(shè)備..主設(shè)備的回應(yīng)數(shù)據(jù)幀格式FF FF 定界符地址命令字節(jié)計(jì)數(shù)響應(yīng)數(shù)據(jù)校驗(yàn)字節(jié).. .. HART 協(xié)議采用2~ 20 個.. FF..作為給接收設(shè)備的同步信息, 所有主設(shè)備、從設(shè)備發(fā)送的幀均以一定數(shù)目的.. FF..字節(jié)開頭, 這些信號在物理層的協(xié)議實(shí)現(xiàn)中用于對調(diào)制解調(diào)電路系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)同步。通常HART 協(xié)議按主從方式通信, 通信由主設(shè)備發(fā)起, 從設(shè)備先聽后答。在點(diǎn)到點(diǎn)的通信中, 電磁流量計(jì)手操器即為主, 電磁流量計(jì)即為從。HART 幀以8 位(1 字節(jié)) 進(jìn)行編碼, 對每字節(jié)加上起始位、奇偶校驗(yàn)位及1 位停止位共11 位傳遞, 保證了每個字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐健?br>   2 .. 手操器的硬件設(shè)計(jì)
   2. 1 .. 基于HART 協(xié)議的硬件設(shè)計(jì)特點(diǎn)
   .. 手操器的軟硬件設(shè)計(jì)嚴(yán)格遵循HART 協(xié)議的技術(shù)規(guī)范, 應(yīng)用該手操器可以與其他符合HART 協(xié)議的設(shè)備進(jìn)行數(shù)字通信, 具備良好的兼容性。.. 模擬所有運(yùn)算均采用精度*的IEEE754 格式的浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算, 精度可達(dá)0. 1%。
   2. 2 .. 硬件電路原理圖設(shè)計(jì)
   2. 2. 1 .. CPU
   根據(jù)HART 手操器的設(shè)計(jì)要求, 選擇了MCS- 51 系列中的89C51 單片機(jī)作為微處理器, 內(nèi)含128 字節(jié)RAM、4 個8 位并行I/ O 口、1 個全雙工的串行I/ O、2個16 位字時(shí)器和兩級優(yōu)先權(quán)的5 個中斷源。89C51 指令系統(tǒng)含大量算數(shù)運(yùn)算、邏輯判斷、轉(zhuǎn)移及位操作指令, 非常適合本設(shè)計(jì)的要求。根據(jù)系統(tǒng)程序的大小, 本設(shè)計(jì)采用EPROM27256 作為手操器的程序存儲器, 程序空間32k。HART 手操器原理圖如圖3 所示。圖3 .. HART 手操器原理圖
   2. 2. 2 .. HART 調(diào)制解調(diào)器A5191HRT
   A5191HRT 是專為實(shí)現(xiàn)HART 協(xié)議而設(shè)計(jì)的低功耗調(diào)制解調(diào)器, 它幾乎包含所有在4~ 20mA 模擬現(xiàn)場儀表上疊加HART 協(xié)議所需的電路, 只需外接少量元件即可構(gòu)成HART 協(xié)議的完整應(yīng)用。它共有時(shí)鐘模塊、調(diào)制器模塊、解調(diào)器模塊和載波檢測模塊等4 個功能模塊。.. 調(diào)制當(dāng)INRTS 引腳為低電平時(shí), 調(diào)制器工作, 解調(diào)器關(guān)閉, 芯片接收CPU 送到ITXD 引腳的不歸零碼(NRZ) 數(shù)字信號并調(diào)制成FSK 信號后由OTXA 引腳輸出。ITXD 為低電平時(shí), OTXA 輸出2200Hz 信號; ITXD 為高電平時(shí), OTXA 輸出1200Hz 信號。發(fā)送信號波特率為1200bps。應(yīng)用線路圖如圖4 所示。圖4.. HART 調(diào)制解調(diào)器應(yīng)用線路圖.. 解調(diào)當(dāng)INRTS 引腳為高電平時(shí), 解調(diào)器工作, 調(diào)制器關(guān)閉。接收到的信號需經(jīng)過一個帶通濾波器, 這個濾波器部分集成在芯片內(nèi), 部分外接。A5191HRT 需要IAREF 和ICDREF 兩個參考電壓源: IAREF 為芯片內(nèi)部的放大器和比較器提供電壓基準(zhǔn), 正常為1. 235V; ICDREF 用于載波檢測, 應(yīng)比IAREF 低0. 08V, 見圖5。圖5.. HART 調(diào)制解調(diào)器解調(diào)過程.. 載波檢測當(dāng)IRXAC 的電壓小于ICDREF 時(shí), 比較器的CDCMP 輸出邏輯電平并被引入一個載波檢測模塊。當(dāng)INRTS 為高且有4 個連續(xù)脈沖到達(dá)時(shí),OCD 腳置高, 下一個有效脈沖必須在2. 5ms 內(nèi)被接收才能使OCD 保持高電平。載波檢測用于對HART 幀信號同步信號的檢測。.. 時(shí)鐘芯片正常工作需要460. 8KHz 的時(shí)鐘信號, 由引腳OXTL 和IXTL 間連接1 個晶體諧振器實(shí)現(xiàn)。
   3 .. 系統(tǒng)的軟件模塊設(shè)計(jì)
   在點(diǎn)- 點(diǎn)HART 協(xié)議智能電磁流量計(jì)的設(shè)計(jì)中采用的
是主從結(jié)構(gòu), 主機(jī)即為手操器, 從機(jī)即為電磁流量計(jì)。從機(jī)的主程序流程圖如圖6 所示。圖6.. HART 電磁流量計(jì)主程序流程圖根據(jù)流量變送器的程序流程, 從機(jī)的A5191HRT 初始化應(yīng)設(shè)定為解調(diào)接收狀態(tài), 相應(yīng)主機(jī)即手操器的A5191HRT 初始化應(yīng)設(shè)定為調(diào)制發(fā)送狀態(tài)。HART 的數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定了數(shù)據(jù)幀格式和數(shù)據(jù)通信規(guī)程, 其通信是按字節(jié)接收和發(fā)送的, 格式如下: 起始位0 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 奇偶校驗(yàn)停止位1 .. .. 規(guī)定在發(fā)送一個通信幀時(shí), 每兩個字符之間的發(fā)送間隔GAP 不能大于一個發(fā)送字節(jié)幀的時(shí)間9. 167ms (1200s .. 11) 。數(shù)據(jù)幀由若干字節(jié)組成, HART 幀分為長幀和短幀兩種, 但均遵循如下格式: 序文起始字符地址命令號字節(jié)數(shù)通信狀態(tài)通信數(shù)據(jù)檢驗(yàn)碼圖7 .. HART 電磁流量計(jì)手操器主程序流程圖.. .. 序文由兩個或兩個以上的.. FF..組成, 主要用于MODEM 接收時(shí)的幀同步; 起始字符一個字節(jié), 包括源地址和目的地址; 命令號一個字節(jié), 代表HART 的命令序號; 檢驗(yàn)碼一個字節(jié)用于校驗(yàn)接收數(shù)據(jù)的正確性。電磁流量計(jì)手操器主程序流程如圖7 所示, 中斷程序流程如圖8 所示。圖8.. HART 電磁流量計(jì)手操器中斷程序流程圖.. .. 電磁流量計(jì)的HART 協(xié)議手操器中設(shè)置了4 個參數(shù)顯示屏幕: 累積流量、瞬時(shí)流量、密度、儀表零點(diǎn)等4 個主變量為一屏; 阻尼時(shí)間、流量、小信號切除、儀表號為第二屏參數(shù); 非線性修正參數(shù)占據(jù)了第三、四屏。
   4 .. 結(jié)束語
   基于HART 協(xié)議的儀表與傳統(tǒng)4~ 20mA 標(biāo)準(zhǔn)的儀表具有兼容性, 有著廣泛的應(yīng)用空間。手操器正是與之相配套的產(chǎn)品, 具有操作靈活、使用簡單的優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)在大港油田的現(xiàn)場調(diào)試獲得成功。實(shí)踐證明, 本電磁流量計(jì)手操器的設(shè)計(jì)較好地滿足了電磁流量計(jì)現(xiàn)場調(diào)試的要求, 其功能滿足了客戶的需要。
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