基于HART协议的电容式差压_压力变送器设计

议的电容式差压/压力变送器设计 摘 要 压力变送器被广泛应用在工业过程检测和 控制中，如石油、化工、冶金、电力、轻工等行业的过程控制、检测系统 ，它是现场检测的核心。随着现场总线和微型计算机技术的高速发展，压力变 送器的数字化、智能化和网络化已成为一种发展趋势。然而早期的检测控制系 统主要是模拟仪表控制系统，设备之间是以 1 5V 或 4 20模拟信号进行通信。因为模拟现场变送器的大量使用，全数字智能压力变送器替代模拟压 力变送器还需要很长一段时间，在此过程中，开发出一种能兼容模拟信号和数 字信号的变送器将具有十分重要的现实意义。 本文的目的就是应用 议来设计电容式差压 /压力变送器。这样设计出来的变送器不仅保留了传统仪表 420拟信号的输出，而且可实现双向数字通信。硬件方面的工作主要包 括整个系统方案的确定、各个模块的设计、模块之间的连接和核心芯片的选取。 本文还编写了通信协议。软件设计主要包括设计整个软件体系结构和信息融合 技术处理等关键程序。数据处理方面确定了一系列的算法，将原始采集到的 据进行温度补偿和非线性补偿，使得补偿后的数据具有线性化误差和温度 误差更小的特点，输出的数据准确度更高。 本文设计的基于 议的电容式差压 /压力变送器具有数字信号与模拟信号兼容、高准确度、低功耗等优点，具有广阔的应用前景。 关键词 压力变送器； 息融合技术；低功耗 in as of so It is of of of a is it 5V 20mA to of of it a In it be of to a is of is to to a a is 20mA of of of of of is a of D is by of of In of 目 录 摘 要 . 1 章 绪论 . 1 题的背景 . 1 力变送器的发展状况 . 2 场总线技术简介 . 3 文研究的目的和意义 . 4 文研究的目的 . 4 文研究的意义 . 5 文研究的内容 . 5 第 2 章 系统总体设计 . 7 统的组成 . 7 体方案的确定 . 8 件总体设计 . 8 件设计 . 9 统工作过程 . 10 章小结 . 10 第 3 章 线及系统通信协议 . 11 议概况 . 11 议物理层规范 . 12 议数据链路层规范 . 13 议的设备类型 . 13 的格式 . 14 议应用层规范 . 17 议的命令分类 . 17 应码信息 . 17 议的通信模式 . 18 统通信协议 . 19 章小结 . 20 第 4 章 系统硬件设计 . 21 统硬件整体设计方案 . 21 感器模块设计 . 22 力采集单元的设计 . 22 度采集单元的设计 . 26 D 模块的设计 . 26 片的简介 . 26 口电路设计 . 27 于 控模块的硬件设计 . 28 片简介 . 28 口电路设计 . 29 口电路的设计 . 31 据存储器模块的设计 . 32 盘模块的设计 . 33 盘结构分类 . 33 盘电路 . 34 示模块的设计 . 34 主要技术参数 . 35 示电路设计 . 35 章小结 . 36 第 5 章 系统软件设计 . 37 程序 . 37 控程序 . 38 据采集 . 38 息融合技术 . 41 据处理程序的设计 . 44 信程序的设计 . 45 统时钟 . 46 议数据链路层软件设计 . 46 议应用层软件设计 . 49 助模块程序的设计 . 50 章小结 . 51 第 6 章 压力变送器的性能分析 . 52 力变送器的性能测试 . 52 力变送器的性能分析 . 52 结 论 . 54 参考文献 . 55 攻读学位期间发表的学术论文 . 58 致 谢 . 59 1第 1 章 绪论 题的背景 压力变送器被广泛应用在工业过程检测和 控制中，如石油、化工、冶金、电力、轻工等行业的过程控制、检测系统 ，它是现场检测的核心。随着我国经济的高速发展，变送器产品的市场需求量越来越大。 目前在我国的变送器市场上，智能压力变 送器更是有着巨大的市场潜力和良好的发展前景，然而智能变送器高端市 场几乎被国外的几家仪器仪表公司所垄断，占据着我国智能变送器市场的绝大 部分，其中比较有影响力的国外厂家有西门子、 斯蒙特、横河、霍尼韦尔 等。这几家仪表公司都是以智能压力变送器优越的性能、精湛的工艺以及 高度智能化显示了他们的技术实力，其核心技术是高性能传感技术及高智能化 、高集成度的专用微处理技术。这几大公司都在我国投资成立了合资或独资的 智能变送器组装生产厂，各自的年生产量大约是 5000 台 3 万台。 我国国内的变送器生产厂家如上海的威尔 泰、重庆的伟岸等年产量均已超过 1万台。但和国外产品相比较，性能上还有一定的差距，属于中端产品1。 压力变送器产品的发展总趋势是数字化、 智能化、网络化、高环境适应性及高准确度。目前数字智能压力变送器正 主导压力变送器的发展方向，此类变送器采用了先进的检测技术和智能化技术 ，消除了潮气、粉尘、温度及其它现场恶劣环境对测量的影响，精确度可达到 寿命和稳定性可达到 5 年以上，通信协议更加完善，总体性能指标可 满足大部分现场检测和控制要求，所以得到工业客户的广泛关注 。 早期的检测控制系统主要是模拟仪表 控制系统，设备之间是以 15V 或 420模拟信号进行通信，信号的精 度较低。随着计算机技术和电子技术的发展，特别是现场总线的问世，促使新 型数字智能仪表逐渐取代传统的模拟仪表，并且在性能上不断向高可靠性、高 精确度、高环境适应性的方向发展，采用数字化智能仪表已是大势所趋。在这 样的发展背景下，传统的模拟压力变送器势必也将被全数字智能压力变送器所 替代，然而因为模拟现场变送器的大量使用，受原投资保值的限制，全数字智 能变送器替代模拟仪表还需要很长一段时间，在此过程中，开发出一种能兼容 模拟信号和数字信号的智能变送器将 2具有十分重要的现实意义。 寻址远程传感器数据传送通信协议 )协议，在目前的过渡期具有较强的 市场竞争优势，在世界智能仪表市场中，带 信功能的仪表已占有很大的份额，可达 70%以上。所以， 信协议已成为智能仪表通信的国际标准。本文介绍的基于 议的电容式差压 /压力变送器是在这样的背景下开发的。 力变送器的发展状况 随着微电子技术的高速发展，微处理器芯 片的集成度越来越高，在一块小型的芯片上能同时集成 储器、比较器、定时器、计数器、并行及串行接口等。这种大规模集成电路芯片被称作 单片机。以单片机为核心芯片取代传统压力变送器的常规分散电子线路， 将计算机高新技术与检测控制技术相结合，组成新一代的 “智能压力变送器 ”，这种新型的智能压力变送器在控制过程的自动化和测量结果的数据处理方面都取得了很大的进展。 20 世纪 80 年代初，美国 司推出了第一台智能压力变送器。标志着对传统现场仪表的一次深刻变 革，并为工业自动化仪表系统向更高层次的发展奠定了基础。在 20 世纪 90 年代，由于科学技术迅猛发展，压力变送器逐渐向智能化、数字化的方向发展。 在短短的十几年间，世界各大公司都推出了各有特色的智能压力变送器，如罗 斯蒙特生产的压力变送器，它具有无可比拟的操作性能、灵活的 台，而且可以升级。性能指标保证了在不同工作状况下的准确度和稳定性。 在压力变送器生产应用领域，由于应用先 进的传感技术、计算机技术及数字通信技术，智能压力变送器的性能指标 远远高于传统压力变送器，它具有测量准确度高、控制方便、补偿性能好 、设计小巧、易于安装和功能强大等优点，特别是它具有实现现场设备与控制室 控制系统的数字通信功能，可方便的实现远程控制和检测现场仪表仪器的工作 状态，而更重要的是它为自动化网络控制系统的实现提供了必要的条件，促进了现场仪表控制系统的发展。 时至今日，智能压力变送器的发展更加完 善，功能增强，如变送器内设置报警功能。现在现场应用的许多智能压力 变送器，具有变送、远程控制、故障诊断及过程报警等功能，比 成更复杂、更智能的过程控制，优化控制系统，减小控制系统的体积，并把 中控制危险性进一步降低2。 场总线技术简介 现场总线技术是全球工业化领域技术发展 的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。为解决开放性资源的共 享问题，从产品用户到生产厂商都强烈要求形成统一的通信标准，这种形式促 使了现场总线技术的形成。现场总线技术的出现，标志着工业控制领域将进入 一个崭新的时代，并将对该技术领域的发展产生重大的影响。 现场总线的定义有多种，国际电工委员会 现场总线基金会 现场总线的定义为：现场总线应用于生产现场，在现场设备与 设备之间、现场设备与控制装置之间实现串行、双向、多节点数字通信的技术 。它是计算机技术、通信技术和控制技术高度融合集成的产物，是远程控制系统 核心。现场总线是工业数据通信网络的基础 ，它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、数字式、多点通信的控制系 统。它的应用建立了生产过程现场级控制设备之间及这些设备与其更高控制系 统之间的联系。现场总线技术是一项综合技术，它以智能传感、计算机、远程 控制、数据通信为主要内容，已受到全球的关注而成为自动化控制技术领域发 展的热点，并且现场总线将导致自动化控制系统结构和设备的深刻变革3。 目前，现场总线技术的发展已经成为工业 自动化控制领域的热点。随着国际上现场总线技术的研究和开发，模拟控 制系统逐渐突破了长期固有的控制模式，走上了开放式发展的征程。这种形式 对我国现场总线控制系统的发展提供了一个很好的机会。现场总线技术涉及的 内容十分广泛，而我国在这一技术领域刚刚起步，应不失时机地大力抓好我国 现场总线技术与产品的研发。自动化系统的数字网络化是发展的必然趋势，然 而现场总线技术又受计算机网络技术的影响十分深刻，所以网络技术将在这次 变革中起着举足轻重的作用。现在网络技术发展十分迅猛，技术更新日新月异 ，一些具有重大影响的网络新技术必将进一步融合到现场总线技术之中。具有 发展前景的现场总线技术有：智能仪表与网络设备开发的软硬件技术；网络管 理技术；组态技术；现场总线系统集成技术；人机接口、软件技术等4。目前，流行的现场总线已有 40 多种。在不同的领域，各种总线发挥着自己重要的作用。几种有影响的现场总线技术有：基金会现场总线、 线、 线、 线。基金会现场总线技术广泛 4应用在开发的、全数字化的过程控制通信系统中； 场总线目前主要应用于楼宇自动化、汽车电子、过程监控等领域； 一种不依赖于制造厂家的开放式现场总线，它可广泛 应用于制造加工自动化、过程自动化和楼宇自动化领域； 线是一种有效支持分布式控制和实时控制的串行通信网络。除 ，以上提到的总线均为全数字化现场总线协议5,6。 在智能变送器通信协议中，广泛采用的是美国 司于 1985 年推出的 寻址远程传感器数据传送通信 )协议，此协议是一种用于现场智能仪表和控制室设备之间双向通信的协议规程。 议采用了美国贝尔实验室的 准的频移键控术，即在传统的 420流模拟信号上叠加一个幅度为 正弦调制波，以实现双向数字通信。 议的技术特点如下： 1. 采用开放式混合通信协议。在 线回路中，允许模拟信号和数字信号同时传输。 优点是可在局部范围内 进行现场设备或控制系统的升级，这样使改造工作投入少，且有利于不熟悉数字通信的控制人员操作。 2. 议技术并不适合所有对象。它倾向于过程控制， 80%的过程控制操作系统可以用 现。 3. 可和其他模拟设备混合使用。既具有常规模拟通信功能，又具有全数字通信能力，且可实现模拟和数字兼容通信。 4. 支持多个数字通信主机。在一根双绞线上可 以同时连接几个智能化仪表，因此节省了接线费用。 5. 提供“应答”和“阵发”两种通信模式7。 文研究的目的和意义 文研究的目的 早期的自动化控制系统主要是模拟仪表控制系统，设备之间输送的是15V 或 420模拟信号。传输信号的准确度低而且传输过程中易受干扰。随着电子技术和计算机技术的高速发 展，特别是现场总线技术的推出，促使新型的全数字智能仪表逐渐取代模 拟仪表，并且其在性能上不断向高可靠性、高精确度、高环境适应性的方向 发展，采用数字化智能仪表已是必然趋 5势。但模拟现场仪表和全数字现场仪表存 在本质的区别，因为模拟仪表的大批量使用，要市场全面接受全数字仪表还需要一定的时间。由于 线技术具有 420模拟信号和数字信号兼容的特点，可在模拟控制系统中的智能仪表间实现数字通信提供无风险的解决方案，因此 线仪表的开发十分迅速，在这次全数字智能仪表替代传统模 拟仪表的转换过程中起到了承前启后的角色。 本课题研究的目的就是应用 议设计电容式差压 /压力变送器。这样设计出来的差压 /压力变送器不仅保留了传统仪表 420拟信号的输出，而且通过 议实现双向数字通信。它将可与任何符合 议的手操器、 或控制系统连接；由软件完 成非线性补偿和温度补偿，补偿后的输出量精度期望非常高。 文研究的意义 议是现场总线的一种，经过多年的发展， 线技术在国外发展得已十分成熟，深受广大用户和生产 厂商的青睐。目前在总线产品中其应用最为广泛，约占总线应用市场的 70%以上，已成为全世界智能仪表领域的工业标准。在国际总线市场上，其销售额仍 处于上升期，在国内可以说仅仅是初具雏形。 在国内模拟控制系统中，由于模拟现场仪 表的大批量使用，从模拟仪表到全数字智能仪表的更新较缓慢。在今后很长一段时期内，基于 线技术的产品在国内市场上仍将有十分广阔的销 售空间。所以，开发研究基于 压力变送器有着十分重要的现实意义。 文研究的内容 本文研究了基于 议的电容式差压 /压力变送器的设计和其相关技术，详细阐述了基于 议的电容式差压 /压力变送器的设计及实现过程。 在本课题中，将大量选用较新的、低功耗 、高精度芯片，使得此变送器具有高精度、超低功耗等特点。本文的内容 主要围绕压力变送器系统的硬件和软件设计进行的，硬件方面的工作主要 包括整个系统方案的确定、各模块的设计、模块之间的连接和核心芯片的选取； 编写了通信协议；软件设计主要包括设计整个软件体系结构和数据融合处理等 关键程序，并就通信和数据处理等实 6际问题进行了分析，在数据处理方面 确定了一系列的算法，将原始采集到的据进行温度补偿和非线性补偿，使得补偿后的数据线性化误差和温度误差更小，使输出的数据准确度更高。 本课题具体研究的内容如下： 1. 对压力变送器系统的国内外发展现状及发展趋势作深入了解，并结合对本文所设计压力变送器的具体要求，最终确定系统的设计方案。 2. 传感器模块的设计，该模块是系统的重要组成部分，主要实现的功能是压力、温度信号的采集。 3. 主控模块的设计，包括通信主控机的选择、接口电路的设计、数字信号和模拟信号兼容模块设计。 4. 整个系统软件的设计，包括主程序、通信 程序、数据采集/处理等程序的设计，并确定了数据融合技术的算法。 7第2章 系统总体设计 统的组成 本文的目的是设计一种基于 议的电容式差压 /压力变送器，其性能指标如下： 1. 测量介质：气体、蒸汽、液体； 2. 基本误差： 3. 量程比： 10： 1； 4. 温度影响量： 10； 5. 测量范围： a. 差压范围： 0 b. 压力范围： 0 6. 两线制， 4出，高低报警电流输出； 7. 带 信功能； 8. 长期漂移： 年； 9. 供电电源： 12型值： 24 压力变送器的电路设计是整个开发工作的 重点。硬件电路在软件的控制下完成信号的采集、处理和输出工作，并通过 议实现双向数字通信。 基于 议的电容式差压 /压力变送器的硬件部分包括传感器模块、A/D 模块、主控模块8,9。变送器总体结构图如 2示。 图 2送器总体结构图 he of 8传感器模块是将压力传感器采集的压力信 号和温度传感器采集的温度信号转换成与压力和温度有关的电信号，再进行 A/D 转换。 A/D 转换模块连接传感器模块，将传感器模 块送来的电信号经模数转换器转换成数字信号送入主控模块的 行进一步的处理。 主控模块的功能是采集来自 A/D 模块的数字信号，经过一系列的处理后，输出到总线上，同时实现 信、控制输出显示、本地按钮操作、存储现场组态数据等功能。 图中远程控制部分主要体现了此变送器可 以实现远程控制，它方便了维修工作，可以很方便的查看压力的大小，本 文并不设计这部分，在此引入就是为了更好的理解变送器在整个工业控制中的工作过程10。 变送器软件部分按其功能可分为四个部分：监测程序、测控程序、 体方案的确定 件总体设计 硬件系统包括以下几个部分： 1. 传感器模块； 2. 转换模块； 3. 块； 4. 数据存储器模块； 5. 转换模块； 6. 信模块。 本文设计的变送器硬件整体框图如图 2示。 压力传感器输出的压力电信号和温度传感器采 集的温度电信号都经过 A/一并送入 块进行非线性和温度补偿等运算处理后得出精确的压力值，并存入指定的数据存储器中，供 信模块和 D/A 转换使用。 显示压力和量程等数据。 信模块完成半双工通信，既能将压力信号调制成符合 线标准的频移键控信号到 D/A 转换模块，又可以接受来自 线的信号，将其解调成逻辑“ 1”或逻辑“ 0”的数字信号后送给微处理器。 D/A 转换模块既可直接输出4模拟信号，也可以叠加 起输出到 线回路11。 9图 2送器硬件示意图 软件设计 压力变送器的系统软件具有实时处理能力 ，主要实现处理通信接口和远端控制命令、根据被控对象实时申请中断、 完成各种测量和控制等功能。压力变送器的软件系统按其功能分为四个 部分：监控程序、测控程序、 信程序和其他模块辅助程序，其中监控主程序 是整个压力变送器系统软件的中心环节，因为整个系统是在监控程序的控制协调下工作。 监控程序又称为主程序，主程序的功能是 管理和协调全部程序的执行，所有其他程序都是在主程序控制和调用下工 作并实现其功能的，是整个系统软件的中心环节。其包括系统初始化、命令处理和自诊断等部分。 测控程序包括采集压力和温度数据、对温 度和压力信号进行信息融合技术处理和输出控制等部分。 信程序是整个变送器软件设计的关键，它是 议数据链路层和应用层的软件实现，数据链路层软件 主要包括帧接受中断子程序和帧发送中断子程序。应用层软件主要是对 的命令域中的命令进行翻译和处理，在主程序中被调用。 其它模块辅助程序主要是键盘中断子程序 和显示子程序，主要是便于现场查看和控制。 统工作过程 当有压力作用在传感器上时，传感器将产 生一个与压力有关的信号，此信号经过传感器外部电路的一系列处理，转 换为与压力变化有关的电流信号，然后再送入 块。同时温度传感器采集外界温度，把温度信号转换成数字信号，然后送入 块中。 A/D 转换模块将传感器模块送来的电流信号经模数转换器转换成数字信号，再送入微处理器中。 块将采集的压力数字信号和温度数字信号进行非线性补偿和温 度补偿等运算处理后，得出精确的压力值，存储到制定的数据存储 器中，此压力值可显示在 也可以数字信号或模拟信号的形式输出。 当以模拟形式输出时，微处理器将压力值输入到 D/A 转换模块，此模块采用了专门为 议智能仪表设计的 片，该芯片把微处理器传来的矫正过的数字信号转换成 420模拟信号输出。它也可将 议数字信号（正弦波）叠加在 420模拟信号上，然后将叠加后的信号送到输出回路，数字信号与模拟信号互不干扰。 当以数字形式输出时，微处理器将压力值输入 信模块，该模块能将压力信号调制成符合 线标准的数字信号（正弦波） ，即 1200表逻辑“ 1” ， 2200表逻辑“ 0” ，然后送给 加模拟信号后送到线回路；它也可以接受来自 线的信号，将其解调成逻辑“ 1”或逻辑“ 0”的数字信号后送给微处理器，可实现半双工通信12。 章小结 本章简要阐述了压力变送器的硬件组成及 软件设计方案。具体介绍了硬件各个模块的功能、软件的四大部分及其作 用。此外，本章还简要叙述了该系统的工作过程。 11第 3章 线及系统通信协议 议概况 多年以来， 420拟电流信号一直被作为 现场仪表信号的传输标准，在过程控制自动化系统中，设备与设备间的通信受到了很大的限制。 1985 年罗斯蒙特首先制订了 议，此协议被广泛的应用在工业控制过程中，已成为现场智能仪表数字通信的标准，引起了现场仪表通信标准的技术革命。 议采用基于美国贝尔实验室的 准的频移键控 号，在 420拟信号上叠加幅度为 弦调制波，模拟信号和数字信号互不干扰，成功的实现了模拟信号和 数字信号双向通信的功能，且不影响传输给控制系统模拟信号的大小，实现了与现有模拟系统的兼容13。 信协议以国际标准化组织的开放性互联模型 参照，采用了 型的第一层、第二层和第七层，即物理层、数据链路层和应用层， 议的分层结构如表 3示。 表 3议的层 次 物理层 准 2 数据链路层 协议规范 3 网络层 未使用 4 传输层