（控制理论与控制工程专业论文）基于hart协议的高精度流量变送器的研究与开发.pdf

摘要 随着现代化工业的发展，自动化系统不断的大型化和复杂化，加e 应用领域的扩 展，对变送器提出越来越高的要求。本论文结合某单位的技术创新项目，研究开发了 一种基于a s m e 低b 值长颈喷嘴的专用高精度给水流量测量装置，它应用于电厂汽 轮机的性能测试。本文所研究的流量变送器是在差压式流量变送器原理的基础上开发 的。通过采集差压、温度、压力三路信号来计算流体流量，实现了质量流量的测量。 论文首先介绍流量变送器的设计要求并论述总体的设计方案；然后详细介绍了变 送器的软硬件设计，包括芯片选型、模数转换电路设计、系统供电及数模转换电路设 计、h a r t 通信模块设计、流量模型计算程序以及部分功能程序的流程设计等。此外 对设讣时用到的一些软硬件抗干扰和可靠性进行了简单介绍；接着介绍了h a r t 通 信协议及上位通信软件的开发。最后本文对流量变送器的样机进行精度和通信测试。 测试结果表明，变送器的精度指标和功能均达到要求。 关键词：高精度流量变送器h a r t 通信协议m s p 4 3 0 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e mi n d u s t r y , t h ea u t o m a t i o ns y s t e mg e t sm u c hm o r e h u g e ra n dc o m p l e x i na d d i t i o n ，w i t ht h ee x p a n s i o no fi t sa p p l i c a t i o nf i e l d s ，i tp r o p o s e d h i g h e rr e q u i r e m e n t sf o rf l o wm e t e r c o m b i n e dw i t ho n ec o m p a n y st e c h n i c a li n n o v m i o n p r o j e c t ，t h i sp a p e r r e s e a r c h e sa n dd e v e l o p sas p e c i a lh i g h - p r e c i s i o nf l o wm e a s u r i n gd e v i c e w h i c hi sb a s e do na s m el o w dv a l u eo fl o n g n e c k e dn o z z l e i ti su s e di nt u r b i n e p e r f o r m a n c et e s t i n go fp l a n t t h ef l o wm e t e rt h a tt h i sp a p e r s t u d i e da n dd e v e l o p e di sb a s e d o nt h ep r i n c i p l eo fd i f f e r e n c ep r e s s u r ef l o wt r a n s m i t t e r t oa c h i e v eam a s sf l o w m e a s u r e m e n t ，i tc o l l e c t s t h r e es i g n a l s ( d i f f e r e n c ep r e s s u r e ，t e m p e r a t u r e ，p r e s s u r e ) t o c a l c u l a t et h ef l u i df l o w t h ep a p e rf i r s ti n t r o d u c e st h ed e s i g nr e q u i r e m e n t so ft h ef l o wm e t e ra n dg i v e st h e e n t i r ed e s i g np r o g r a ma c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t s ；t h e ni ti n t r o d u c e sd e t a i l so ft h e m e t e r sh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n ，t h a ti n c l u d i n gc h i ps e l e c t i o n ，a n a l o g d i g i t a l c o n v e r s i o nc i r c u i td e s i g n ，s y s t e mp o w e rs u p p l yc i r c u i td e s i g n ，d i g i t a l a n a l o gc o n v e r s i o n c i r c u i td e s i g na n dh a r tc o m m u n i c a t i o nm o d u l ed e s i g na sw e l la st h ep r o c e s s e sd e s i g no f s o m ef u n c t i o nm o d u l e b e s i d e s i tg i v e sab r i e fi n t r o d u c t i o no fa n t i i n t e r f e r e n c ea n d r e l i a b i l i t yd e s i g nw h i c hu s e dt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r em e t h o d s ；t h e ni t g i v e st h e i n t r o d u c t i o no ft h eh a r tp r o t o c o la n dt h ed e v e l o p m e n to fh o s tc o m m u n i c a t i o ns o f t w a r e f i n a l l y , t h ep a p e rt e s t st h ec o m m u n i c a t i o na n dp r e c i s i o no ft h ep r o t o t y p e t h er e s u l t ss h o w t h a tb e t ht h ep r e c i s i o na n dt h ef u n c t i o n sa r em e e tt h er e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：h i g h p r e c i s i o n f l o wt r a n s m i t t e rh a r tc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l m s p 4 3 0 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名： 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的义章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学何论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名：图达 导师签名：星捌 日期迦l 叟。芝：! 堇 1 7 1 , 1 朝趋也：i ：! 鱼 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本文选题的背景和意义 随着我国国民经济的快速发展，对电力的需求量也在日益剧增。目前，我国 发电设备的装机容量正在以7 - 8 的速度在逐年递增。在我国发电设备结构中，火 电机组目前7 5 左右【l 】。火电事业的发展也给环保、节能等方面提出了更高的要求。 电力行业的节能降耗工作一直是国家关注的重点。对于发电企业的节能降耗 则主要采用“合理的运行方式”、“对循环系统进行优化改进”、“设备的维修及改 造”等方法来提高能量的利用率。国家则采用诸如发电节能调度等强制措施来促 使发电企业积极开展节能降耗工作。而以上所采用的方法和措施均必须准确了解 机组的基本性能状况，如发、供电煤耗率和汽机的热耗率。而基准流量( 主给水 给水流量或主凝结水流量) 则是对机组性能进行性能评价的最为关键的参数。 机组的性能试验一般均测量给水流量，通过给水流量进一步确定出机组的主 蒸汽流量。可见无论是机组的性能试验还是机组性能的在线监测最终均是以给水 流量为计量基准。而流量测量的精度十分重要，它影响着发、供电煤耗率和汽机 的热耗率等机组重要性能指标的正确性。如给水流量1 的测量误差所导致的煤耗 率误差为3 4 9 k w h t 2 1 。它的准确性直接关系到给水调节品质的优劣和机组的安全 运行。同时，给水流量也是经济指标中一项重要的考核内容，关系到经济性核算 的准确性。流量计量的准确与否不仪对保证发电厂在最佳参数下运行具有很大的 经济意义，而且随着高温高压大容量机组的发展，流量测量己成为保证发电厂安 伞运行的重要环节。因此，提高给水流量的测量精度和可信度是提高机组性能测 试结果以及性能在线监测结果精度和可信度的唯一途径。 流量测量装置的种类很多，但在流量测量领域也仅有节流装置在国际上得到 广泛认可并为其制定了统一的围际标准。许多新型流鼍计的研究试验数据常以= 符 流装置的数据相对照来得到确认。因此，节流装置是目前最为成熟和可靠的流量 测量装置，是电力行业和其它能源行业的主要流量测量装置。 国内电厂给水流量测量装置一般采用国标制造、安装，不确定度在 0 6 2 之间【3 1 。且一般均未经过校验。因此，其真正的不确定度很难保证， 加上制造、安装过程中的不规范，其不确定度远超过l 3 ，即煤耗率的不 确定度也将远大于3 1 0 9 k w h 。由此，目前实际使用的给水流量测量装置不能满 足当前机组性能准确评价的需要，难以达到节能降耗的目的。 鉴于目前国内电厂给水流量测量的现状和对节能降耗与节能调度的需要，我 2 基于h a r t 协议的高精度流量变送器的研究与开发 们迫切需要根据给水参数等工况特点，研制开发专用于汽轮发电机组的高精度流 量测量装置。本论文研究的内容就是研制开发出一种基于a s m e 低1 3 值喉部取压 长径喷嘴的高精度给水流量测量仪表。该仪表的使用，可简化新机组或汽轮机通 流改造后性能考核试验的难度，减少试验费用，并取得更高的精度。由于简化了 试验，使定期的高精度性能试验成为可能，同时也为定期对机组其它重要流量的 校核提供了可能。将给水流量作为整个机组重要流量的计量基准，通过性能试验 的方法准确得到机组各参数间关系，能够实时、准确地得到主蒸汽流量。同时为 异常状况的事故分析、机组重要部位的泄漏的监测提供了条件。由于测量精度和 可信度的提高，使机组的定期性能试验和性能在线监测的结果具有更好的重复性， 能够更加准确反映机组性能的变化趋势，也能准确反映出机组性能水平的绝对值。 为机组节能降耗和节能调度提供了决策依据。 1 2 流量变送器的国内外状况 流量仪表的种类繁多，分类方法也很多。传统原理的流量装置和新型仪表在 微电子技术、计算机技术和通讯网络技术的融合下不断推陈出新。新型流量测量 原理的研究开发方兴未艾。至今为止，可供工业用的流量仪表种类达数十种之多。 其中差压式流量计应用最为广泛，因为它具有结构简单、成本低、重复性好、 标准化程度高等优点。差压式流量计【4 l 按其检测件的作用原理可分为节流式、动压 头式、水力阻力式、离心式、动压增益式和射流式等几大类，其中以节流式和动 压头式应用最为广泛。节流式差压流量计【5 】应用范围极为广泛，至今尚无任何一类 流量计可与之相比。全部单相流体和部分混相流皆有产品。本论文研究的流量变 送仪表的原理就是基于节流式差压流量计。节流装置是a s m e 低1 3 值喉部取压喷 嘴。 a s m e ( 美国机械工程师协会) 低b 值喉部取压长径喷嘴独立于常用的流量测 量标准，仅存在于a s m e 的性能试验规程中( a s m ep t c 6 ，a s m ep t c l 9 5 ) 。其 校验及评价方法不同于常用的节流装置。a s m ep t c 6 1 6 】( 汽轮机性能试验规程) 所推荐的一种低1 3 值喉部取压长颈喷嘴其精度可达到0 2 5 ，其不确定度远低于同 前常用的标准节流装置。a s m e 在其p t c 6 ( 汽轮机性能试验规程) 及p t c l 9 5 ( 流 量测量) 中对于喷嘴设计制造的有严格的要求。 目前，国内主要在新机组的性能试验时使用a s m e 低b 值喉部取压喷嘴，并 仅用于测量除氧器入1 2 1 的凝结水流量( 工况为2m p a 、1 5 0 ) 。国内此类喷嘴仅有 热工院和部分中试所拥有，一般仅在试验前将其装上，试验后利用停机机会拆下， 再用于其它机组的试验。 由于本项目的给水参数工况高达3 7 m p a 、2 8 0 。c ，目前国内尚没有任何机构或 第一章绪论 3 厂商大规模的研制开发和制造运用于给水流量测量的a s m e 低1 3 值喉部取压喷 嘴，在研制开发用于汽轮发电机组给水流量的a s m e 低b 值高精度流量测量装置 方面更为一片空白。而国外已有基于该类喷嘴的流量测量装置，我国个别进口机 组曾经引进过该类流量测量装置。 1 3 本文主要工作 根据论文所选题目的背景和意义，本论文对流量测量仪表的概念、设计要求 等方面进行了分析和研究，并在此基础上研制开发出一种基于喉部取压喷嘴的高 精度给水流量测量装置。该装置由高精度数据采集，模型计算和数据处理，数据 转换输出和h a r t 现场总线接口等各部分组成，系统精度为l 。 本论文的章节安排如下： 1 介绍本文选题的背景和意义以及国内外现状。 2 介绍流量变送器的工作原理并给出系统的总体设计方案。 3 综合设计需要和低功耗原则等方面考虑元件的选型，硬件电路的设计：研 究并实现了系统硬件设计，各个主要模块的电路设计、系统供电、功耗和抗干 扰等问题的解决。 4 设计整个软件体系结构，并介绍了主程序、采样程序、模型计算程序、h a r t 通信程序、掉电保护程序等关键程序的设计思路。 5 介绍h a r t 通信技术并用d e l p h i 语言编写上位h a r t 通信软件。 6 分别从精度测试和通信测试两个方面对流量变送器进行测试并得出结论。 7 总结木文所做工作，分析了其中的不足之处，对进一步工作进行展望。 第二章流量变送器的总体设计 5 第二章流量变送器的总体设计 2 1 流量变送器的工作原理 在绪论中我们已经提到过差压式流量计，本论文所研究的智能流量变送器就 是基于传统的差压式流量计的基础上开发的。差压式流量计是根据安装于管道中 流量检测件产生的差压、己知的流体条件和检测件与管道的几何尺寸来测量流量 的仪表。由一次装置检测件和二次装置差压转换和流量显示仪表组成。本流量计 算变送仪表属于二次装置。为了提高流量测量的精度，它采集了差压，温度，压 力三路信号，其中温度，压力信号用于流量计算的补偿。 本流量计算变送仪表的具体工作原理如图2 1 ，它是通过测量前端信号( 温度、 压力和差压值) ，根据节流喷嘴对应的计算模型，计算出流量以及累计流量等数据， 并且以4 2 0 m a 的标准信号将流量值输出。l 司时，通过h a r t 通信方式将其它数 据送出和进行参数设置。前端三路输入信号为传感变送器得到的标准4 2 0 m a 的电 流信号，分别表示管道内的温度、压力和差压值。单片机首先控制模数转换器将 其转换为数字信号。接着，依据流量算法计算出管道内的流量值和相应的流量累 积值，将其存储和显示。然后，通过单片机控制数模转换器，将其转换为4 2 0 m a 模拟电流信号的形式输出流量值。 模 拟 信 号 数字信号| 二 。温度蚴霎 l j 、 ，1卜 r 。y 通信模块 叫 位 温度4 2 0 r r 鲶 机 7 数字信口 压力4 。2 0 坠1卜、 j a ，d 转换 、jy 单”机 数字信号 f 流蛙r 1 ) 、1 卜 d a 转换 叫2 厂 图2 1 系统原理框图 2 2 流量变送器的设计要求 本项目所要达到的预期目标不但要具备传统流量计的一些基本功能，而且还 要在智能化、集成化、开放性、可靠性以及精度指标等方面有较大进步和提高。 基于以上的分析，并结合相关文献资料，我们对智能流量变送器所要实现功能提 6 基于h a r t 协议的高精度流量变送器的研究与开发 出如下要求，并制定相应的设计原则来保证项目顺利进行。 ( 1 ) 仪表具有压力、温度和压差信号采集、流量计算功能。 ( 2 ) 仪表的精度要达到l ； ( 3 ) 仪表具有液晶显示功能。 ( 4 ) 仪表具有参数和数据存储功能，并具有掉电保护功能。 ( 5 ) 仪表具有h a r t 标准总线通信接口，具有参数设置和显示功能。 2 3 流量变送器的总体框架 2 3 1 流量变送器的组成模块 通过对智能流量变送器进行分析、研究，并综合国内外差压式流量仪表产品 智能化、集成化、开放化的发展趋势，我们开发了基于h a r t 协议的智能流量变 送器。系统主要由信号采集模块、中央处理模块、系统供电及数模转换模块、液 晶显示模块、h a r t 通信模块、掉电保护模块构成。 i 潴目、。管l 弋 lh ： 况萤计异 1 ，一 液晶显示电源 l y i l i g = 爿数模转换 l鸶l 上膪且l、 - i 左f l o 旧 l 中央处理 单元 厂_ 1 h a r i 通讯 i 信号采 h l 温度信号 集 y l 卜、 l 掉电保护 l i压力信号 i 2 3 2 流量变送器各模块的功能 图2 2 系统的组成模块 1 信号采集模块：主要用于采集三路模拟信号( 压力、温度、压差) 。对模 拟量进行1 6 位模数转换，然后将转换结果传输给c p u 进行运算。 2 中央处理模块：中央处理模块是整个变送器的核心单元，它负责制定系统 的采样间隔、数据格式的转换、流量模型的计算、数据存储、掉电保护以及h a r t 数据的处理等功能。 3 数模转换模块：将c p u 处理的结果转换为模拟信号输出，同时可兼容 第二章流量变送器的总体设计 7 h a r t 协议，将由数字信号转化来的正弦波信号叠加在输出回路上输出。 4 液晶显示模块：显示流量模型计算后的结果即流量瞬时值。 5 掉电保护模块：主要针对系统在掉电情况下数据易丢失的情况，采用硬件 措施在掉电瞬间将重要数据保存起来。 2 3 3 流量变送器的系统设计原则 1 提高系统检测精度。检测精度高低是衡量仪表系统的一个重要指标。提高 检测精度从元器件选择、硬件电路优化设计、软件处理( 数字滤波、软件修正等) 、 提高抗干扰等方面入手，综合考虑了各方面因素。 2 提高系统的智能性。系统的智能性包括控制智能性和数据处理智能性。在 开发本系统时，充分利用微处理器强大的控制能力，即在软件控制和管理仪表测 量过程中，避免使用常规仪器仪表中大量的硬件电路，尽可能实现了“硬件软件 化”。另外，系统具有量程选择、设置参数等功能，其软件具备数字滤波、非线性 修正等数字处理能力。 3 提高系统开放性。系统开放性包括硬件电路开放性、软件设计开放性以及 系统通信接口开放性三部分。硬件功能模块划分明确，电路功能单元相互独立。 同时，组成电路单元的元器件通用性强，替代性好。软件设计时，应考虑可读性 和可扩充性，支持重用性。 4 提高系统可靠性。由于本仪表系统应用于工业生产，系统应有非常高的可 靠性。在器件选取上考虑成熟的产品。在硬件设计上应使其具备掉电保护、自诊 断等功能。软件设计上必须采取容错、滤波等抗干扰措施。 5 降低系统成本。在能满足系统要求的情况下，为了获得较高性能价格比， 尽可采用简单、实用的方案，尽量选择件价比较高、功能强大的元器件。这样做 不仅可降低系统成本，而且还可以简化系统结构，缩小系统体积，增加系统可靠 性。另外，降成本除了要考虑硬件成本，还应考虑研制成本和使用维护成本。因 此，在系统开发时应量选j 成熟的理论和方法，提高系统， = 发。r 次性成功的概率， 缩短研制剧期，降低研制本。 6 提高系统易操作和易维护性。系统具有友好的操作界面，以降低对操作人 员的要求。同时，系统应具有易维护性，以便在系统出现故障时能够及时排除。 2 4 本章小结 本章结合该项目的设计要求，分析了流量变送器的组成模块和各模块要完成 的功能并论述了系统开发过程中应遵守的设计原则，为下一步的软硬件设计及功 8 基于h a r t 协议的高精度流量变送器的研究与开发 能实现提供了理论基础。 第三章流量变送器的硬件设计 9 第三章流量变送器的硬件设计 3 1 变送器系统硬件设计 随着科学技术水平的发展，单片机在测控系统中的应用是越来越普遍。它不 仅具有完整的数字处理能力，而且其内部集成了c p u 、r a m 、强大的i o 接口及 中断功能，有的单片机还带有r o m 、a d 、e e p r o m 、l c d 驱动等。因此，智能 流量变送器的硬件设计实际上就是以单片机为核心的系统设计。在对该系统进行 设计时，首先要选择一款与要求实现功能匹配的单片机；其次，在此基础上进行 单片机外围电路的设计及调试。此外，在硬件电路设计过程中，还需要将芯片选 取、电路的抗干扰性能、电路功耗等问题考虑在内。 本流量变送器仪表的开发是依据流量模型及相关的工作特性，以m s p 4 3 0 t 1 3 】 单片机为核心组成的应用系统。本系统电路组成如图3 1 所示。变送器采用两线制 仪表的电路设计方法，以2 4 v 直流电源供电，以4 - 2 0 m a 直流电流作为传输信号， 电源线和信号线共用两根导线。硬件电路的基本结构如图3 1 所示，可划分为五个 模块：信号采集模块、单片机处理模块、系统供电及d a 转换模块、h a r t 通信 模块和显示模块。 图3 1 系统硬件组成框图 由于系统设计必须满足两线制仪表的要求，故电路功耗空载电流不得超过 4 m a 的回路电流。因此，在设计时所有的电路元件都选用了低功耗器件。如图3 1 所示，系统采用线性光耦h c n r 2 0 0 芯片进行信号输入通道的光电隔离，选用d 转换器a d 7 7 1 4 芯片进行信号采集和模数转换，选用m s p 4 3 0 f 4 4 9 单片机作为中 央处理器，选用d a 转换器a d 4 2 1 芯片进行数模转换，选用h a r t 通信芯片 h t 2 0 1 2 进行h a r t 信号的调制解调。为了节省c p u 管脚，液晶显示器和e e p r o m 都选用s p i 接口。器件选型时，统一考虑所选器件的工作电压均为3 3 伏。利用仪 l o 摹于h a r t 协议的高精度流量变送器的研究与开发 器仪表专用芯片a d 4 2 1 ，产生3 3 伏电源。 3 2 主要器件的选取及电路的设计 对于各个电路模块的设计，一般采用自顶向下的设计方法，对硬件电路做一 步步细分，直到最后的单元电路是一个独立功能的模块( 或组件) 。在设计过程中， 首先要通过计算选择符合技术要求的元器件，然后利用这些元件组成实现不同功 能的单元电路。接着，根据仪表的技术指标对所组成的功能电路进行误差分析和 计算，对不满足设计要求的元件( 或电路) 进行替换( 或修改) ，从而实现不同电路模 块的性能优化。下面就详细介绍主要器件的选取和主要电路的设计。 3 2 1 单片机的选取 _ 般的单片机工作时要消耗大量的电流，所以选型时对单片机的要求非常严 格。目前市场上主流的低功耗单片机型号有a t m e l 公司的l v 系列5 1 单片机， t i 公司的m s p 4 3 0 系列单片机等。a t m e l 公司的l v 系列5 l 单片机仍然采用5 l 架构，但功耗在相同条件下仍然超过了2 m a 。考虑到低功耗的要求，设计中选用 t i 公司生产的m s p 4 3 0 系列m s p 4 3 0 f 4 4 9 单片机【1 5 1 。该型号单片机为f l a s h 内存 类型，6 0 k b 程序存储区，2 k b 数据存储区，带液晶驱动，硬件u a r t ，硬件乘法 器。它具有如下功能特点： 1 超低功耗 该单片机是一种超低功耗的混合信号控制器，3 3 v 供电，活动模式耗电 2 5 0 p a m i p s ( m i p s ：每秒百万条指令数) ，i o 输入端e l 的漏电流最大仅5 0 n a 。超 低功耗的设计源于m s p 4 3 0 系列单片机独特的时钟系统，它包括两个不同的时钟 系统：基本时钟系统和锁频环( f l l 和f l l + ) 时钟系统或d c o 数字振荡器时钟系统。 由时钟系统产生c p u 和各功能模块所需的时钟，并且这些时钟可以在指令的控制 下打开或关闭，从而实现对总体功耗的摔制。由于系统运行时使用的功能模块不 同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有明显的差异。在系统中共有2 种活动 模式( a m ) 幂i i5 种低功耗模式( l p m o l p m 4 ) 。 2 强大的处理功能 m s p 4 3 0 系列单片机是1 6 位单片机，采用了目前流行的、颇受学术界好评的 精简指令集( m s c ) 结构，一个时钟周期可以执行一条指令( 传统的m c s 51 单片机要 1 2 个时钟周期才可以执行一条指令) ，使m s p 4 3 0 在8 m h z 晶振工作时，指令速度 可达8 m i p s 。 3 高性能模拟技术和丰富的片上外围模块 第三章流量变送器的硬件设计 m s p 4 3 0 系列单片机结合，r i 的高性能模拟技术，各成员都集成了较丰富的片 内外设。主要有以下功能模块：看门狗( w d t ) ，模拟比较器a ，定时器a ( t i m e ra ) ， 定时器b ( t i m e rb ) ，串口0 、i ( u s a r t 0 、1 ) ，硬件乘法器，液晶驱动器，1 0 位， 1 2 ，1 4 位a d c ，1 2 位d a c ，1 2 c 总线，直接数据存取( d m a ) ，端口1 - 6 ( p 1 一p 6 ) ， 基本定时器( b a s i ct i m e r ) 等。 4 系统工作稳定 上电复位后，首先由d c oc l k 启动c p u ，以保证程序从正确的位置开始执 行，保证晶体振荡器有足够的起振及稳定时间。然后软件可设置适当的寄存器的 控制位来确定最后的系统时钟频率。如果晶体振荡器在用做c p u 时钟m c l k 时 发生故障，d c o 会自动启动，以保证系统正常工作。这种结构和运行机制，在目 前各系列单片机中是绝无仅有的。另外，m s p 4 3 0 系列单片机均为工业级器件，运 行环境温度为4 0 0 c - 一+ 8 5 0 c ，运行稳定、可靠性高，所设计的产品适用于各种民用 和工业环境。 3 2 2 模数转换器及其附属电路设计 由于m s p 4 3 0 f 4 4 9 单片机内置的a d 转换只有1 0 位，不能满足精度要求，所 以需要外接a d 转换芯片。 美国a d ( a n o l o gd e v i c e s ) 公司生产的2 4 位串行模数转换器a d 7 7 1 4 芯片【1 7 j 是 一种适用于低频高精度工业级转换的器件，其具体特点如下： 采用转换技术，最高可实现2 4 位无误码输出，同时保证非线性 0 0 0 1 5 ( 数据输出频率小于6 0 h z ) ： 具有前端增益可编程放大器，增益值在1 1 2 8 内可选，内含可编程低通滤 波器和8 个片内寄存器，通过软件编程可实现增益、信号极性、通道选择的设置 以及a d 转换后数据的读取等： 有5 通道输入，可根据需要采用3 路差分输入或4 路伪差分输入； 低噪声，r m s 噪卢 1 5 0 n v ； 低功耗，在3 v 直流电压工作时最大功耗仅为3 5 0 a ( 省电模式仅为4 a ) ； 采用三线串行口与微控制器连接； 具有自校准、系统校准和背景校准功能，可以消除零点误差、满量程误差 及温度漂移的影响。 a d 7 7 1 4 的内部结构如图3 2 所示。 1 2 基于h a r t 协议的高精度流量变送器的研究与开发 删 a | 辩2 聃， a 瞄 蹦h 5 朋k 斟垮p e r 赫c t i l k 0 t t a g n dd 8 dp o l石拜石阿再l 嚣e t 图3 2a d 7 7 1 4 内部结构框图 图中，管脚a i n i - a i n 6 为模拟输入通道，可实现模拟信号的差分或准差分输 入，内部连接的开关矩阵用于实现输入通道的选择；r e f i n ( + ) 和r e f i n ( 一) 为参考 电压输入端；d r d y 为逻辑输出端，它是a d 7 7 1 4 的数据寄存器有新的数字可供 使用的标志；r e s e t 为复位端，低电平有效，用干将器件的控制逻辑、接口逻辑、 数字滤波器以及模拟调制复位到上电状态；d i n 和d o u t 分别为串行数据的输入、 输出端；c s 为片选逻辑输入端，低电平有效；s c l k 为串行时钟逻辑输入端，外 部的串行时钊, a n 至此输入端以存取来自a d 7 7 1 4 的串行数据；s y n c 为逻辑输入 端，当使用多个a d 7 7 1 4 时，它用于数字滤波器和模拟调制器的同步，一般单独 使用时接高电平；s t a n d b y 为省电模式控制端，置为低电平将关断模拟和数字电 路，电流消耗减至5 m a ( 典型值) ；a v d d 和d v d d 分别是模拟和数字电源输入端， 可用3 v 、3 3 v 或5 v 的电压驱动；a g n d 和d g n d 分别是模拟地和数字地。 本系统选取的芯片具体型号是a d 7 7 1 4 3 ，系统工作需求配置：a v d d = + 3 3 v ， d v d d = + 3 3 v ，r e f 烈( + ) = + 1 2 5 v 。本系统的参考电压r e f i n ( + ) 的1 2 5 v 电压和工 作电压a v d d = + 3 3 v ，d v d d = + 3 3 v 均由a d 4 2 1 芯片的v d d 提供，如图3 3 所示。 廿喜 晶一 考一 、 一一l ，_ ，揪 鬯警 l 。一。毒一， 工，“p or # o ，1 量 囊 图3 3a d 7 7 1 4 的供电和参考电压设计 a d 7 7 1 4 支持三线制s p i 通信协议。引脚为s c l k 、d a t a i n 、d a t a o u t 。 a d 7 7 1 4 与单片机的如图3 4 所示。数据传输由s c l k 控制，是否有新的数据产生 可以通过用d r d y 引脚来判断或者根据通信寄存器的d r d y 位来判断更新数据的 第三章流量变送器的硬件设计 出现。当有新数据产生时，该引脚为低电平。 图3 4 a d 7 7 1 4 与单片机的接u 方式 3 2 3 系统供电及数模转换电路设计 考虑到系统采用两线制的供电方式，故选取了a d 公司的a d 4 2 1 芯片【2 0 】作为 电源及a d 转换模块。 美国a d 公司的产品a d 4 2 1 ，是专为h a r t 协议智能仪表设计的低功耗、高 精度、回路供电的4 - - - 2 0 m a 输出型d a c ，它为4 - - 2 0 m a 输出的智能型变送器提 供了一利- 比较理想的技术方案。该芯片采用回路供电方式，内含电源调整器为本 身和外围器件供电。调整器的输出电压v c c 为+ 3 v 、+ 3 3 v 或+ 5v 。该芯片能和 常用的单片机及微型控制器通过标准三线串行接口相连。它由电源调整器、1 6 位 e a d a c 、电流放大器、数字接u 和参考电压等五部分组成。该芯片的数字接口 为标准h a r t 协议( 三线) 或其它f s k 协议，d a c 为1 6 位分辨率，单调性输出。 f i e f 射r fo u t r e fo i t 2 c o mc 髓 图3 5a d 4 2 1 内部结构图 1 4 基于h a r t 协议的高精度流量变送器的研究与开发 a d 4 2 1 的引脚参考图3 5 。r e fo u t l 和r e fo u t 2 分别是1 2 5 v 和2 5 v 参 考电压输出端；r e fi n 为d a 参考电压输入端；l v 为稳压控制输入端，通过选 择l v 的接线方式可调整输出电压v c c 为+ 3 v 、+ 3 3 v 或+ 5 v ；l a t c h 为d a 信 号控制端，上升沿启动d a 转换；c l o c k 为串行时钟信号输入端；d a t a 位数据 输入端，在时钟上升沿有效；l o o pr t n 是回路返回输出端；c o m 为公共端；c l 、 c 2 、c 3 用滤波电容与地线相连，用以a d 4 2 1 内部转换电流源的滤波处理；d r i v e 、 c o m p 和b o o s t 与相应的外部分立元件相连，将环路电压转换成芯片供电电压。 利用a d 4 2 1 组成的系统供电及d a 转换电路如图3 6 所示。 图3 6 系统供电电路及d a 转换电路设计 l v 端接o 0 l f 的电容再与v c c 相连，通过a d 4 2 1 内部电压调节器以及外 接的d n 2 5 4 0 场效应管和b c 3 3 7 6 3 9 型三极管实现了+ 3 3 v 的输出电压，该电压可 为a d 4 2 1 及其它器件供电；v c c 端接有一个1 0 f 去耦电容，保证输出的稳定性； r e fo u t 2 端直接与r e fi n 端相连，用作a d 4 2 1 的2 5 v 基准输入电压，而r e f o u l 端输出的1 2 5 v 基准源用作a d 7 7 1 4 模数转换器的参考电压输入；d a t a 、 c l o c k 和l a t c h 三个端口直接与m c u 相连，用于a d 4 2 1 和m c u 的串行数据 通信。该电路除了具有数模转换、韫供参考电压和为其它元器件供电的功能，还 可以与h a r t 通信模块相连，通过。个鹛合电容将h a r t 数字信号耦合至a d 4 2 l 的c 3 端口，从而实现h a r t 数字信号的通信。 3 2 4h a r t 通信模块的电路设计 h a r t 通信模块的电路设计实际上就是h a r t 协议物理层的硬件实现，它主 要由调制解调器、时钟电路、调制器出口电路和解调器入1 2 1 电路组成。h a r t 协议 物理层主要依靠符合b e l1 2 0 2 通信标准的调制解调器形成1 2 0 0 h z 和2 2 0 0 h z 的 f s k 信号【2 l 】，传递h a r t 命令及其响应信号。因此设计中选用h t 2 0 1 2 芯片【2 2 1 作 第三章流量变送器的硬件设计 1 5 为h a r t 信号的调制解调器( m o d e m ) 。 1 h t 2 0 1 2 的特性 h t 2 0 1 2 是美国s m a r 公司生产的一。种半双工的m o d e m ，具体特性如下： 工作在b e l1 2 0 2 标准下，通信速率为1 2 0 0 b i t s ，工作频率为 l2 0 0 - 2 2 0 0 h z ： 3 - 5 v 的工作电压，功耗极低( 最大为4 0 a ) ； 采用频移键控技术( f s k ) ，具有载波监听功能； 使用c m o s 技术制造，与c m o s 和t t l 电路相兼容； 最优的本安特征； 2 h t 2 0 1 2 功能描述 h t 2 0 1 2 包含有4 个功能模块：时钟模块，解调器，调制器和载波监听模块； 如图3 7 所示： 图3 7h t 2 0 1 2 的功能模块 a 时钟模块 该模块接收外部输入的4 6 0 8 k h z 的时钟信号，用于建立内部时钊t 。正常使用 时，内部时钟为1 9 2 k h z 输出，第2 引脚，可供外部电路使用。4 6 0 8 k h z 可分别 产生表示0 ( 1 2 0 0 h z ) 平nl ( 2 2 0 0 h z ) 的两种频率，即 4 6 0 8 k h z 3 7 0 = 2 1 9 4 3 h z 4 6 0 8 k h z 5 5 7 0 = 11 9 6 9 h z b 调制器模块 该模块可将i t x d 端口输入的不归零制( n r z ) 数字信号调制成1 2 0 0 h z ( 逻辑1 ) 和2 2 0 0 h z ( 逻辑o ) ，并由o t x a 引脚输出。调制器的相位连接允许误差最大为1 0 度。 c 解调器模块 该模块可将i r x a 端口输入的f s k 调制方波脉冲信号解调，并通过o r x d 引 脚输出。其条件为： 1 6 基于h a r t 协议的高精度流量变送器的研究与开发 输入频率为1 2 0 0 h z 1 0 h z ，2 2 0 0 h z + 2 0 h z ； 时钟频率为4 6 0 8 k h z ( 0 1 ) ； 输入0 r x a ) 的不对称性= o ； 解调器的偏差：一位时间的1 2 。 d 载波监听模块 它用于对i r x a 端口输入的信号频率进行监听。当频率信号在1 0 0 0 h z - 2 5 7 5 h z 的范围内时，载波监听信号o c d 必定为低电平。从载波输入到载波检测的时间， 即i r x a 上有效载波信号开始到o c d 变为逻辑o 的时间：最小为9 0 m s ，最大为 1 4 4 m s 。从载波卸载到停止载波检测的时间，即i r x a 上有效载波信号消失开始到 o c d 变为逻辑l 的时间：最大为1 6 8 m s 。载波检测的条件是：时钟频率为 4 6 0 8 k h z ( 1 0 1 ) ，输入( i r x a ) 的最大不对称性为5 。 3 h t 2 0 1 2 工作方式 a 当i n r t s 为高电平时，解调模块工作，经过整形的方波由i r x a 引脚输入， 芯片对波形进行解调，频率为2 2 0 0 h z 的对应于逻辑“o ”；频率为l1 0 0 h z 对应与 逻辑“l ”；解调后，数据由o i d 输出到c p u 的串口接受引脚。 b 当i n r t s 为低电平时，调制模块工作，数据由c p u 串口的发送模块输出 到i t x d 引脚，经过调制后，由o t x a 引脚发送出去。 c 在处于解调模式下，可通过检测o c d 引脚的低电平来判断是否有新数据 到达。 数据接口时序图如下： 图3 8 数据接口时厅图 4 h t 2 0 1 2 与单片机和外设的接口 h t 2 0 1 2 芯片用于外设到单片机及单片机与h t 2 0 1 2 的连接，所以使用时必须 提供两个接口，一个是到单片机的接口；另一个是到外设的接口。如图3 9 所示。 a h t 2 0 1 2 与单片机的接口 在h t 2 0 1 2 与微处理器最简单的连接形式中，h t 2 0 1 2 工作在调制模式还是解 调模式是由i n r t s 引脚控制的如果i n r t s 是逻辑0 ，调制器使能，传输的数据 第三章流量变送器的硬件设计 1 7 调制后由o x t a 引脚输出，解调器在此期间部分关闭以降低功耗：如果i n r t s 是 逻辑l ，解调器使能，解调后的数据从o r x d 引脚输出，调制器在此期间同样地 部分关闭以降低功耗。 当解调器工作时，载波检测线工作在低电平，即o c d 引脚为逻辑o 。通过o c d 引脚与微处理器的连接告之微处理器已有载波，以便准备接收解调数据。需要注 意的是，当h t 2 0 1 2 处于传输模式( i n r t s = 0 ) 时，由于仍能检测到载波而使得o c d 为0 ，此时虽然载波检测引脚为低电平，但是并没有数据从o r x d 引脚输出，微 处理器也就不可能从o r x d 引脚取得数据。 图3 9h a r t 2 0 1 2 与c p u 的接线图 b h t 2 0 1 2 与介质的接口 与介质接u 的电路由两部分组成，一部分是由环路上的正弦信号转化为方波 信号后接人解调部分的带通滤波电路；另一部分是调制输出后，由方波信号转化 为正弦信号的整形电路。滤波电路和整形电路分别如图3 1 0 ( a ) 和图3 1 0 ( b ) 所示。 图3 1 0 ( a ) 正弦波整形为方波电路图 图3 1 0 ( b ) 方波整形为正弦波电路图 1 8 基于h a r t 协议的高精度流量变送器的研究与开发 3 2 5 显示与掉电保护模块 以单片机为核心的仪表常要考虑突然掉电时的数据保存问题，系统掉电保护 模块使系统在意外失去供电情况下，可以保证短时间