（计算机应用技术专业论文）科氏流量计手操器的研制.pdf

， ， r 、呻 冬 9 s 。 ? i 。 i ；矗 凄q以w 学位论文数据集 中图分类号 功易；f 学科分类号 葛z d t 6 0 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 0 7 0 5 2 3 密级 无 学位授予单位代码 1 0 0 1 0 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名刘光德学号 2 0 0 4 0 0 0 5 2 3 获学位专业名称计算机应用技术获学位专业代码 0 8 1 2 0 3 课题来源 其他项目研究方向 嵌入式系统 论文题目科氏流量计手操器的研制 关键词科氏流量计手操器u s ba r m 通讯 论文答辩日期 2 0 0 7 - 0 6 - 0 1 论文类型 应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位学科专长 指导教师刘凤新教授北京化工大学 钦状弛 评阅人1何苏勤教授北京化工大学 聊淞舭、鲥 评阅人2 张进明教授 北京化工大学 泖样 评阅人3 口赫弦 评阅人4 评阅人5 撇员会拂 张进明教授北京化工大学 啷球 答辩委员1何苏勤教授 北京化工大学 1 卯铂 觇、画穗 答辩委员2刘凤新教授北京化工大学 。锨溉 北京自动化控制 每砂枕桫7 答辩委员3霍建华高工 设备厂 答辩委员4 答辩委员5 注：一 四 论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 中图分类号在中国图书资料分类法查询。 学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b t1 3 7 4 5 - 9 ) 学科分类与代码中 查询。 论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 ，-p 摘要 科氏流量计手操器的研制 摘要 流量是工业生产中比较关心的一种物理量，因此产生了多种基于 不同测量方法的流量计。科里奥利力式质量流量计( c m f ) ，是当今世 界广泛用于流体测量的一种流量计。科里奥利力式质量流量计在电路 方面会包括以下两个部件：流量计变送器( 固定的流量测量部分) ，流 量计手操器( 用于数据采集的移动手持设备部分) 。 由于一些传统的原因，以h a r t 协议作为和变送器进行通讯的手 操器目前占据了大部分的流量计手操器市场。本文从一种新的角度出 发，将近年来广泛使用的u s b 协议作为手操器和变送器之间的通讯协 议，详细介绍了以目前流行的r i s ca r m 芯片- - s 3 c 4 4 b o x 作为c p u 的 科里奥利力式质量流量计手操器的研制。它采用“最小系统+ 主板 的结构设计，并扩展了大容量存储c f 卡模块，作为现场数据采集存 储的设备。软件方面实现了精简的嵌入式系统，同时设计了兼容 w i n d o w sf a t 文件格式的精简文件系统，并通过m a s s s t o r a g e 类协议 和p c 机通讯，实现手操器的u 盘功能。使得手操器同时担任了两种 角色：和变送器通讯时的u s b 主机以及和p c 机通讯的u s b 设备。 经过测试比较，基于u s b 通讯协议实现的手操器和变送器之间的 通讯，对质量流量计的测量精度没有任何影响。并且相比基于h a r t 协议的手操器明显提高了通信的速率，缩短了命令响应的时间。另外， 北京化工大学硕士学位论文 由于u s b 即插即用特性，使得手操器和变送器的通信变得非常方便， 并且手操器和p c 机之间的数据交换也更加容易。因此基于u s b 通讯 协议的手操器值得在工业应用中进行大力推广。 关键词：科氏流量计，手操器，u s b ，a r m ，通讯 i i 钌 ； 。j a b s t ra c t r e s e a r c ha n dd e s i g no fc o r i o l i s m a s sf l o w m e t e rc o m m u n i c a t o r a b s t r a c t f l o wi sa ni m p o r t a n tf a c t o rw h i c hs h o u l db ec o n c e r n e di ni n d u s t r y , s op e o p l ei n v e n tm a n yf l o w m e t e rb a s e do nv a r i o u s o fm e a s u r i n g m e t h o d a m o n gt h e s e ，c o r i o l i sm a s sf l o w m e t e r ( c m f ) i sam a s sf l o w m e t e rw i d e l yu s e df o rm a s sf l o wm e a s u r i n gi nt h ew o r l d c o r i o l i sm a s s f l o w m e t e r ( c m f ) i so f t e nc o m p o s e do ft w op a r t s ：at r a n s m i t t e r ( f i x e d p a r tf o rm a s sf l o wm e a s u r i n g ) a n dac o m m u n i c a t o r ( p o r t a b l e h a n d - h e l d d e v i c ef o rd a t aa c q u i s i t i o n ) b e c a u s eo fs o m et r a d i t i o n a lr e a s o n s ，t h ec o m m u n i c a t o rb a s e do n h a r tp r o t o c o lo c c u p i e st h em o s to ft h ef l o w m e t e rc o m m u n i c a t o r m a r k e t f r o man e wp o i mo fv i e w , t h i sp a p e ri n t r o d u c e si nd e t a i l t h e r e s e a r c ha n dd e s i g no ft h ec m fc o m m u n i c a t o rb a s e do nu s bp r o t o c 0 1 t h ec o m m u n i c a t o ri sd e s i g n e dw i t hap o p u l a rc p uw i t ha r m c o r e s 3 c 4 4 b o x i tt a k e sas t r u c t u r ec a l l e d “m i n i m u ms y s t e ma n dm a i n b o a r d t od e s i g ns y s t e mh a r d w a r e i te x t e n d sac fc a r da ss t o r a g e m o d u l et os t o r em e a s u r e dd a t a o nt h ea s p e c to fs o f t w a r e ，i ti m p l e m e n t s a s i m p l ee m b e d d e ds y s t e ma n daf a tf i l es y s t e mb a s e dc fc a r d t ob e i i i 里! 坚2 金! 茎塑! 呈丝：! ! 翌璺鱼! ! 翌星型翌垫! 翌! 篁! ! 鱼! 竺! ! 呈! 堡塾! ! 型 c o m p a t i b l ew i t hw i n d o w sf i l es y s t e m i ta c c o m p l i s h e si t su d i s k f u n c t i o nb yc o m m u n i c a t i n gw i t hp ct h r o u g hm a s ss t o r a g ep r o t o c 0 1 t h e r e f o r e ，t h ec o m m u n i c a t o ra c t sa st w od i f f e r e n tr o l e s ：t h eu s bh o s ta s i tc o m m u n i c a t e sw i t ht r a n s m i t t e r , a n du s bd e v i c ea si tc o m m u n i c a t e s厂 w i t hp c ，n 一一一 1l a r o u g ht e s t m ga n dc o m p a n n g ，t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h e c o m m u n i c a t o rb a s e do nu s b p r o t o c o la n dt r a n s m i t t e rh a sn oe f f e c to n m e a s u r i n ga c c u r a c yo fm a s sf l o w c o m p a r e dw i t hc o m m u n i c a t o rb a s e d o nh a r tp r o t o c o l ，i tg r e a t l yi m p r o v et h ec o m m u n i c a t i o n s p e e da n ds h o r t e n t h ec o m m a n dr e s p o n s et i m e w h a t sm o r e ，d u et ot h eu s bf e a t u r eo f p l u g g i n ga n dp l a y i n g ，i tc a nb ec o n v e n i e n t l yu s e dt oc o m m u n i c a t ew i t h t r a n s m i t t e ra n de x c h a n g ed a t aw i t hp c i naw o r d ，t h ec o m m u n i c a t o r b a s e do nu s b p r o t o c o li sw o r t hs p r e a d i n gi ni n d u s t r ya p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：c m f , c o m m u n i c a t o r ，u s b ，a r m ，c o m m u n i c a t i o n i v r 目录 目录 第一章绪论1 1 1 流量计简介1 1 2 流量计分类1 1 3 流量计系统的组成2 1 - 4 科里奥利质量流量计手操器在系统中的作用3 1 5 流量计手操器国内外研究现状3 1 6 基于u s b 协议流量计手操器可行性研究4 1 7 本手操器设计的创新点和主要研究内容5 第二章科氏流量计手操器总体设计7 7 2 1 科里奥利质量流量计手操器功能需求分析7 2 2 科罩奥利质量流量计手操器功能模块划分7 2 2 1u s b 通讯模块7 2 2 2 文件存储模块8 2 2 3 人机交互模块8 2 3 科里奥利质量流量计手操器硬件框图8 2 4 科里奥利质量流量计手操器软件流程9 第三章科氏流量计手操器电路与驱动程序设计1 1 3 1 科氏流量计手操器的硬件设计1 1 3 1 1 核心板电路设计1 l 3 1 1 1s 3 c 4 4 8 0 x 介绍1 l 3 1 1 2 核心板电路1 2 3 1 2 主板电路设计1 6 3 1 2 1j t a g 调试电路1 6 3 1 2 2u a r t 电路1 7 3 1 2 3c f 卡电路1 9 3 1 2 4u s b 电路2 2 3 1 2 5l c d 电路2 3 v 北京化工大学硕士学位论文 3 1 2 6 键盘电路2 5 3 2 科氏流量计手操器的驱动程序设计2 7 3 2 1u a r t 驱动2 7 3 2 2c f 卡驱动2 8 3 2 3u s b 驱动2 9 3 2 4l c d 驱动3 0 3 2 5 键盘驱动3 3 3 3s 3 c 4 4 b o x 的初始化3 3 第四章科氏流量计手操器的嵌入式系统实现3 5 4 1 嵌入式实时系统的分类3 5 4 1 1 按速度分类3 5 4 1 2 按确定性分类3 5 4 1 3 按软件结构分类3 6 4 2 典型的嵌入式操作系统3 8 4 3 构建合适的嵌入式系统4 0 4 4 科氏流量计手操器的嵌入式系统设计4 0 4 4 1 科氏流量计手操器嵌入式系统的整体设计4 1 4 4 2 科氏流量计手操器嵌入式系统的任务调度策略4 2 4 5 3 科氏流量计手操器嵌入式系统的中断处理4 4 第五章科氏流量计手操器应用软件设计4 5 5 1 基于c f 卡的f a t 文件系统设计4 5 5 2c f 卡格式化程序4 9 5 3u 盘程序5 0 5 3 1m a s ss t o r a g e 类概述5 0 5 3 2 单批量b u l k - o n l y 传输协议5 1 5 3 3m a s ss t o r a g e 类协议的u f i 子类命令5 3 5 3 4u f i 命令在c f 卡上的实现5 4 5 4u s b 主机程序5 5 5 4 1 主从u s b 通讯协议的设计5 5 5 4 2 手操器和变送器的通讯实现5 7 5 5 文件操作程序6 5 5 6 人机交互程序6 7 v i 弋 目录 第六章测试与结论6 9 参考文献7 1 致谢7 3 研究成果及发表的学术论文7 5 作者和导师简介7 7 v i i 北京化工大学硕士学位论文 v i i i 孑 j ， l ? 毒 c o n t e n t s c o n t e n t s c h a p t e r 1i n t r o d u c t i o n 1 1 1s i m p l ei n t r o d u c t i o no f f l o w m e t e r 1 1 2c l a s s i f i c a t i o no f f l o w m e t e r 1 1 3t h ec o m p o n e n to f f l o w m e t e rs y s t e m ：1 1 4t h ef u n c t i o no f c m fc o m m u n i c a t o ri ns y s t e m ：1 1 5r e s e a r c ha c t u a l i t i e so ft h ef l o w m e t e rc o m m u n i c a t o ra th o m ea n da b r o a d 3 1 6f e a s i b i l i t yr e s e a r c ho ff l o w m e t c rc o m m u n i c a t o rb a s e du s bp r o t o c o l 4 1 7n e wi d e a sa n dm a i nr e s e a r c hc o n t e n to f c m fc o m m u n i c a t o r 5 c h a p t e r2o v e r v i e wd e s i g no fc m f c o m m u n i c a t o r 6 2 1f u n c t i o nd e m a n da n a l y s i so f c m fc o m m u n i c a t o r 6 2 2t h ef u n c t i o nb l o c ko f c m fc o m m u n i c a t o r 6 2 2 1u s bc o m m u n i c a t i o nf u n c t i o nb l o c k 6 2 2 2f i l es t o r a g ef u n c t i o nb l o c k 7 2 2 3h u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o nf u n c t i o nb l o c k 7 2 3t h es y s t e mh a r d w a r ef r a m ec h a r to fc m fc o m m u n i c a t o r 7 2 4t h eo v e r v i e ws o f t w a r ef l o wc h a r to fc m fc o m m u n i c a t o r 8 c h a p t e r3c i r c u i ta n dd e v i c ed r i v e r sd e s i g no fc m f c o m m u n i c a t o r l o 3 1h a r d w a r ed e s i g no f c m fc o m m u n i c a t o r 1 0 3 1 1c o r eb o a r dc i r c u i td e s i g no f c m fc o m m u n i c a t o r 1 0 3 3 1 1i n t r o d u c t i o no f s 3 c 4 4 8 0 x 1 0 3 3 1 2c i r c u i to f c o r eb o a r d 1 l 3 1 2c i r c u i td e s i g no f m a i nb o a r d 1 5 3 1 2 1j t a gd e b u g g i n gc i r c u i t 1 5 3 1 2 2u a r tc i r c u i t 1 6 3 1 2 3c fc a r dc i r c u i t 1 8 3 1 2 4u s bc i r c u i t 2 l 3 1 2 5l c dc i r c u i t 2 2 3 1 2 6k e y b o a r dc i r c u i t 2 2 i x 3 2d e v i c ed r i v e r sd e s i g no f c m fc o m m u n i c a t o r 2 6 3 2 1u a r td e v i c ed r i v e r s 2 6 3 2 2c fc a r dd e v i c ed r i v e r s 2 7 3 2 3u s bd e v i c ed r i v e r s 2 8 一 j 3 2 4l c dd e v i c ed r i v e r s 2 9 3 2 5k e y b o a r dd e v i c ed r i v e r s 3 2 ， 3 3i n i t i a l i z a t i o no f s 3 c 4 4 b o x 3 2 c h a p t e r 4e m b e d d e ds y s t e mi m p l e m e n to fc m fc o m m u n i c a t o r 3 4 4 1c l a s s i f i c a t i o no f e m b e d d e ds y s t e m 。3 4 4 1 1c l a s s i f i e db ys p e e d 3 4 4 1 2c l a s s i f i e db yc e r t a i n t y 3 4 4 1 3c l a s s i f i e db ys o f t w a r es t r u c t u r e 3 5 4 2t y p i c a le m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m 3 7 4 3c o n s t r u c t i o np r o p e re m b e d d e ds y s t e m 3 9 4 4t h ee m b e d d e ds y s t e md e s i g no fc m fc o m m u n i c a t o r 4 0 4 4 1o v e r v i e wd e s i g no fc m fc o m m u n i c a t o re m b e d d e ds y s t e m 4 0 4 4 2t a s kd e p l o yt a c t i c so fc m fc o m m u n i c a t o re m b e d d e ds y s t e m 41 4 4 3 i n t e r r u p th a n d l i n go fc m fc o m m u n i c a t o re m b e d d e ds y s t e m 4 3 c h a p t e r5a p p l i c a t i o ns o f t w a r ed e s i g no fc m f c o m m u n i c a t o r 4 4 5 1t h ed e s i g no f f a tf i l es y s t e mb a s e dc fc a r d 4 4 5 21 1 l es o f t w a r eo f f o r m a t t i n gc fc a r d 4 8 5 3u d i s ks o f t w a r ed e s i g n 4 8 5 3 1i n t r o d u c t i o no f m a s ss t o r a g ec l a s s 4 9 5 3 2s i n g l eb a t c hb u l k - o n l yt r a n s m i s s i o np r o t o c o l 5 0 5 3 3u f is u b c l a s sc o m m a n do f m a s ss t o r a g ec l a s sp r o t o c o l 。5 2 5 3 4t h ei m p l e m e n to f u f ic o m m a n do nc fc a r d 。5 3 5 41 1 1 eu s bh o s ts o f t w a r ed e s i g n 5 4 5 4 1d e s i g no fc o m m u n i c a t o np r o t o c o lb e t w e e nu s bh o s ta n dd e v i c e 。5 4 5 4 2t h ec o m m u n i c a t i o ni m p l e m e n tb e t w e e nc m fc o m m u n i c a t o ra n d t r a n s m i t t e r 5 6 ， 5 5f i l eo p e r a t i o ns o f t w a r ed e s i g n 。6 5 5 6h u m a n - c o m p u t e ri n t e r a c t i o ns o f t ：w a r ed e s i g n 6 7 c h a p t e r6t e s ta n d c o n c l u s i o n t i 9 x c o n t e n t s r e f e r e n c e s 7 5 a c k n o w l e d g e m e n t 7 7 p r o d u c t i o na n da r t i c l e 7 9 i n t r o d u c t i o no ft h ea u t h o ra n d t u t o r 8 1 符号说明 h a r t ：h i g h w a ya d d r e s s a b l er e m o t et r a n s d u c e rp r o t o c o l 高速可寻址远程传感器 协议 a r m ：a d v a n c e dr i s cm a c h i n e先进的精简指令机器 c m f ：c o r i o l i sm a s sf l o w m e t e r科氏流量计 f l a s h ：f l a s hm e m o r y 闪存 s d r a m ：s y n c h r o n o u sd y n a m i cr a n d o ma c c e s sm e m o r y 同步动态随机存储器 j t a g ：j o i n tt e s t a c t i o ng r o u p 联合测试行动小组，一种国际标准测试协议 u a r t ：u n i v e r s a la s y n c h r o n o u sr e c e i v e rt r a n s m i t t e r 通用异步接收发送器 c fc a r d ：c o m p a c tf l a s hc a r d 压缩闪存卡 u s b ：u n i v e r s a ls e r i a lb u s 通用串行 d b r ：d o sb o o tr e c o r dd o s 操作系统引导记录区 b p b ：b i o sp a r a m e t e rb l o c k 输入输出参数记录块 i o ：i n p u t o u t p u t 输出输出 m c u ：m i c r o p r o g r a m m e dc o n t r o lu n i t 微程序控制器 l c d ：l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y 液晶显示屏 r a m ：r a n d o ma c c e s sm e m o r y 随机存储器 r s i c ：r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t i n g 精简指令集计算 r o m ：r e a d - o n l ym e m o r y 只读存储器 w d t ：w a t c h d o gt i m e r 看门狗定时器 f a t ：f i l ea l l o c a t i o nt a b l e 文件分配表 i s r ：i n t e r r u p ts e r v i c er o u t i n e 中断服务例程 f s ：文件系统 x i i ， f 一 第一章绪论 1 1 流量计简介 第一章绪论 流量是国民生产过程中需要测量的一个重要参数。工业生产过程是流量测量 与仪表应用的一大领域，流量与温度、压力和物位一起统称为过程控制中的四大 参数，人们通过这些参数对生产过程进行监视与控制。对流体流量进行正确测量 和调节是保证生产过程安全经济运行、提高产品质量、降低物质消耗、提高经济 效益、实现科学管理的基础。在整个过程检测仪表中，流量仪表的产值约占1 5 , - - , 1 4 。 在能源计量中，使用了大量的流量计，例如石油工业，从石油开采、储运、 炼制直到贸易销售，任何一个环节都离不开流量计。 能源计量用流量计往往跟企业的效益有直接的联系，是进行贸易结算的依 据，进行能源的科学管理、提高经济效益的重要手段。 在环境保护领域，流量测量仪表也扮演着重要角色。人们为了控制大气污染， 必须对污染大气的烟气以及其他温室气体排放量进行监测；废液和污水的排放， 使地表水源和地下水源受到污染，人们必须对废液和污水进行处理，对排放量进 行控制。于是数以百万计的烟气排放点和污水排放口都成了流量测量对象。 在科学试验领域，种类繁多的流量计提供了大量的实验数据。这一领域中使 用的流量计特殊性更多，其中流体的高温、高压、高黏度以及变组分、脉动流和 微小流量等都是经常要面对的测量对象。 除了上述的应用领域之外，流量计在现代农业、水利建设、生物工程、管道 输送、航天航空、军事领域等也都有广泛的应用。 由于流量测量应用的广泛性和所处的工作环境不同，人们想出了各种各样的 对流量的测量方法，基于科里奥利原理的科氏流量计便是应用非常广泛的流量计 之一。 1 2 流量计分类 测量流体流量的仪表统称为流量计或流量表。随着工业生产的发展，对流量 测量的准确度和范围的要求越来越高，流量测量技术日新月异。为了适应各种用 途，各种类型的流量计相继问世。目前已经投入使用的流量计已超过1 0 0 种。从 北京化工大学硕士学位论文 不同角度出发，流量计有不同的分类方法。常用的分类方法有两种：一是按流量 计采用的测量原理进行归纳分类，二是按流量计的结构原理分类。 一、按测量原理分类： 力学原理，如差压式、冲量式、涡轮式流量计等；电学原理，如电磁式、差 动电容式、电感式、应变电阻式流量计等；声学原理，如超声波式、声学式流量 计等；热学原理，热量式、直接量热式、间接量热式流量计算等；光学原理，激 光式、光电式流量计：物理原理，如核磁共振式、核幅射式流量计。 二、按流量计结构分类： 容积式流量计，叶轮式流量计，差压式流量计，变面积式流量计，动量式流 量计，冲量式流量计，电磁流量计，超声波流量计，流体振荡式流量计，质量流 量计。 1 3 流量计系统的组成 目前的科氏流量计测量部分通常由一次仪表和二次仪表组成1 1 。一次仪表 即传感器，该传感器由振动管、信号检测器、振动驱动器、支撑结构和壳体所组 成。二次仪表即流量变送器。它是以微处理器为核心的电子系统。它用来向一次 装置提供动力，并将一次装置的信号转换为质量流量信号及其他一些有意义的参 数信号。 由于流量计需要的工作环境可能有较大的差异，有的流量计系统仅仅由一次 仪表和二次仪表组成，而对流量计的参数设定，调节，以及流量的显示均由二次 仪表即流量变送器来完成。在这种流量计系统中，流量变送器通常配备了键盘， l c d ，串口等人机交互的外设。 在工业环境中避免一些静电和打火造成的危险，常用的流量计往往是一种被 称之为“防爆型仪表 的流量计。这种仪表可以在条件比较苛刻的环境中工作。 整个流量计系统由一次仪表，二次仪表以及一个可以移动的手持设备手操器组 成。在这种流量计系统中，一次仪表和二次仪表只负责完成流量测量的任务，并 将其长期放置在工作环境中。在二次仪表上通常配置一个通讯口，通过这个接口 和外部的手操器连接。在需要对流量计系统进行校准，调节以及数据采集显示的 时候，将手操器连接到二次仪表的通讯口上；而平时测量的时候，只有一次仪表 和二次仪表工作，手操器在完成配置和数据采集的任务后，则断开和二次仪表的 连接。 2 第一章绪论 1 4 科里奥利质量流量计手操器在系统中的作用 综上所述，第一，流量计手操器满足了工作环境对流量计的要求；第二，手 操器和流量计测量部分分离，一部流量计手操器可配置多台流量计，降低了流量 计整个系统的成本；第三，由于流量计手操器的便携性和独立性，也可以将流量 计除流量测量以外的大部分功能转移到手操器上，转移流量计系统二次仪表的外 部功能，减轻二次仪表的工作负荷，提高了流量测量的精度；最后手操器具备手 持设备方便的便携性，同时由于其功能独立，能专门为用户提供友好的人机界面。 1 5 流量计手操器国内外研究现状 很多年以来，4 2 0 m a 信号一直成为现场仪表信号传输的标准，在自动化设 备之间信息通信受到了极大的限制，仅能得到与过程变量成正比的电流信号。 h a r t ( h i g h w a ya d d r e s s a b l er e m o t et r a n s d u c e rp r o t o c 0 1 ) 协议2 1 是美国的 r o s e m o u n t 公司针对目前现场总线的国际标准在短期内难于统一，而正在大量使 用着的4 - - 一2 0 m a 模拟现场设备也不可能在短时间内改造为适合于现场总线的现 场设备，而提出的一套过渡性的临时标准。这是一个灵巧的通讯协议( s m a r t c o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 ) 。它具有与现场总线类似的体系结构及总线式数字通讯 功能。由于h a r t 协议是在模拟信号上叠加了f s k ( 频移键控) 数字信号，因 而，模拟和数字通讯可以同时进行。这就保证了4 - - 2 0 m a 模拟系统与数字通讯 系统可以兼容，可以在一根双绞线上连接多台现场设备，以构成多站网络 。 为满足工业过程对h a r t 协议的同益需求，在1 9 9 3 年成立h a r t 通讯基金 会，它是一个独立的、非盈利机构。主要职责是制定、维护及升级h a r t 协 议的标准，登记注册会员、提供对应用h a r t 技术在全球范围内的技术支持和 培训。作为一个开放性协议，h a r t 己成为智能仪表事实上的现场总线工业标准， 并得到了广泛的应用。目前，世界上己有1 0 0 多家公司采纳了这一协议，其中有 许多著名的公司，如r o s e m e n t ，f o x b o r o ，s m a r , a b b ，m o o r e , h o n e y w d l 等等，共 生产了近6 0 0 种h a r t 协议设备，几乎覆盖了所有种类的过程测量仪表和执行 设备。 正是由于h a r t 协议成为工业仪表内的默认通讯协议标准。所以流量计仪 表也不例外，包括r o s e m e n t 生产的h a r t 3 7 5 通讯器在内的绝大多数流量手操器 均采用h a r t 协议和变送器进行通讯。 然而h a r t 手操器在使用过程中存在以下缺点：h a r t 标准的数据传输速 率较低( 1 2 0 0 b p s ) ；只有“问答”和“广播”两种工作模式；手操器和p c 机之间的 北京化工大学硕士学位论文 通讯通过一个h a r t r s 2 3 2 的协议转换器连接；h a r t 协议手操器和p c 机通 信必须有4 - 2 0 m a 的负载电阻；在对h a r t 协议智能仪表的校准和检验过程中， 工作人员需要使用多种标准的仪器来完成；操作过程比较复杂，对工作人员的要 求比较高，使用也不太方便。 1 6 基于o s b 协议流量计手操器可行性研究 近年来，串行总线u s b 得到了广泛的应用，由于u s b 总线传输速度快、占 用资源少以及真正意义上的即插即用等优点对传统的串口总线产生了很大的冲 击，以至于现有p c 外围接口中不配置串口的情况越来越普遍并得到认可。通用串 行总线u s b 是一种非常高速的串行通信总线；在u s b l 1 【3 】标准中定义的传输速率 为低速1 5 m b s 和全速1 2 m b s ，而于2 0 0 0 年4 月发布的u s b 2 0 【4 】标准定义的最 高传输速率高达4 8 0 m b s 。并且由于其具有连接灵活，可热插拔，低功耗，低成 本，高可靠性的特点，在嵌入式设备之间和嵌入式设备和p c 之间的通信中应用 越来越广泛。 综上所述，u s b 相比h a r t 具有以下优点：接口简单，操作方便；对操作人 员要求低，支持热插拔，传输速率快，可扩展性强。同样u s bh o s t 可通过u s bh u b 连接最多1 2 7 个设备，具有组网能力。u s b 协议在实现h a r t 协议功能的同时克 服其存在的不足之处。 大量的工业仪表对测量精度是非常敏感的，同样我们设计的科里奥利质量 流量计也属于这样的一种仪表。由前所叙，由于h a r t 协议的特点，手操器和变 送器之间的通讯不会影响流量计测量精度。u s b 通讯是一种基于中断机制的通讯 方式，每次u s b 的通讯由u s b 主机主动发起，而当作为u s b 设备的从设备接收到 u s b 主机发送的数据时，会产生一个i j s b 数据接收的中断信号。在u s b 中断发生 时，进入u s b 中断服务程序，在i s r 中只需要向u s b 任务发出一个接收到中断的 消息即可。而把u s b 数据的接收和相关的处理交给u s b 任务，这样不会对仪表测 量的精度有所影响。 在我们设计的科里奥利质量流量计中，作为u s b 下位机的变送器所采用的 m c u 芯片是一款专门针对工业仪表而设计的芯片，对中断的响应速度非常快。在 我们设计的科氏质量流量计中，所能测量的最高频率为2 0 0 h z 5 1 ，对数据的测量 采用中断方式，那么中断间隔的最小时间为5 m s ，而所采用的m c u 对中断的响应 时间在u s 级别，数据测量中断需要几百微秒的处理时间，那么在两次间隔时间 内有足够的时间进入u s b 中断服务程序发送消息给u s b 任务，唤醒u s b 任务，而 剩余的u s b 数据接收和处理工作则放到u s b 任务进行处理