基于HART协议的新型智能气体涡街流量变送器设计

1、基于HART协议的新型智能气体涡街流量变送器设计仪表技术2004年第2期基于HART协议的新型智能气体涡街流量变送器设计欧阳惠斌,唐耀庚,高嵩(南华大学电气X-.程学院,湖南衡阳421001)摘要:介绍由信号检测模块,单片机模块,HART通信模块和其他功能电路组成的新型智能气体涡街流量变送器,它集信号变换,处理和数字通信等功能于一体.实际应用说明,变送器性能指标到达了设计要求.关键词:涡街流量变送器;智能;通信;HART协议;单片机中图分类号:TH814文献标识码:B文章编号:10062394(2004)02005603DesignoftheIntelligentVortexFlowTrans

2、ducerforGasBasedonHARTProtocolOUYANGHuibin,TANGYao-geng,Gao-song(ElectricalInst.,NanhuaUniversity,Hengyang421001,China)Abstract:Theprincipleandtechnology.consistsofthemeasurementmodule,SCM,HARTmoduleetc.Thefuctionsincludingsignalconversion,processanddigitalcommunicationareintegratedinit.Keywords:Vor

3、texflowtransducer;intelligent;communication;HARTprotocol;SCM1变送器整体结构涡街流量计具有结构简单,稳定性好,量程范围宽等优点,应用日益广泛,尤其适合蒸气,燃气等气体流量计量.开发具有通信功能的智能涡街流量变送器,协议的新型智能气体涡街流量变送器结构如图1所示,主要由信号检测电路,单片机系统,通信模块和其他功能电路,如电源模块,显示模块等组成.频率温度压力HART1I_图1智能变送器结构图信号检测电路完成流量等现场信号检测与预处理变送器跟现场总线的接口,将单片机输出的数字信号转换成HART信号送到电流环路上,并接收环路上的片机系统集中

4、控制智能变送器的其他各个功能电路和数据采集,数据处理,数据通信等各个环节的工作过程.2工作原理与信息检测电路动的流体中放置一柱形旋涡发生体,使流体产生两列有规律的交替旋涡列;在一定雷诺数范围内,旋涡发生频率厂和流体平均流速的关系为:f=S.×v/d(1)尔系数,是雷诺数的函数,在雷诺数为50015000区域,根本为一常数.假设流体流通载面积是A,那么流体体积流量Q与旋涡发生频率的关系为:Q=×A=f/K(2)测电路原理如图2,以压电元件作传感器,将旋涡发生频率转换成同频率电脉冲信号,经过放大整形后,送给体的温度和压力有关,要将测得的工作状态下的体积流量换算成标准状态下的体积

5、流量,或测出气体质量流量.因此,要同时测出工作状态下气体的温度和压力,再由单片机按设计好的算法计算出相应的结果.图2漩涡频率检测电路框图根据理想气体状态方程,可求得工作状态下气体体积流量换算成标准状态下体积流量的算法如下:Q-PT.Q(3)收稿日期:2003一l1作者简介:欧阳惠斌(1965一),男,湖南衡阳人,讲师,硕士,主要从事电子信息技术的科研与教学工作.一2004年第2期仪表技术式中:Q一标准状态(P=760mmHg,T.=293K)下的体积流量;T一标准状态下被测气体绝对温度;P,一标准状态下被测气体绝对压力;一工作状态下被测气体绝对温度;P一工作状态下被测气体绝对压力;z一工作状态

6、下被测气体的压缩系数.质量流量p:Q=lD×Q(4)式(4)中,ID是标准状态下被测气体密度.变送器中选用铂热敏电阻器检测气体温度,可适应测量不同温度的气体流量的需要;气体压力采用NPI系列固态压阻式压力传感器检测,NPI固态压力传感器将固态集成工艺和隔离膜片技术结合在一起,能成电压信号和放大后送至单片机进行A/D转换3HART通信模块设计HART协议是用于现场智能仪表和控制室设备问标准的FSK频移键控技术,在420mA模拟电流信号上叠加一个平均值为0的正弦信号,并以信号频率1200Hz代表逻辑1',2200Hz代表逻辑"0",使得模拟信号和数字信号同时传

7、送而互不影响;传输介质使用双绞线;传输速率1200波特和采用半双工方式通信.围015.当地址为0时,处于直流420mA与数字通信兼容状态;当地址为115时,处于全数字通信状态.应用层规定了3类命令,第1类命令适应于遵守HART协议的所有产品,第2类命令适用于遵守HART协议的大局部产品,第3类命令适用于遵守HART协议的特殊产品.目前,变送器和执行机构等现场仪表大多采用420mA电流信号,HART协议因其兼容模拟电流信号和数字通信信号受到广阔用户欢送,已成为事实上的工业标准.HART通信模块就是HART协议物理层的硬件实现,模块结构如图3,主要以SMAR公司生产的微功耗RBlINRTSlRXA

8、RB2oCDRXITXDTXORXD波形整形OTXA皿图3HART通信模块结构图FSK调制解调器HT2021为中心,配合波形整形电路和滤波电路组成.HT2021由时钟,调制器,解调器和载波检测4个主要功能模块组成,主要功能是实现HART信号和数字信号的相互转换.接收时,它将1200Hz信号解调为数字信号"1",2200Hz信号解调为数字信号0',送给单片机处理.发送时,那么将数字信号1'和"0"调制成1200Hz和2200Hz的FSK频移键控电路由一个低通滤波器和T型网络组成,将调制解调器芯片HT2021输出的数字形式信号转换成模拟信号,

9、并滤除高频噪音,再通过耦合电路将信号加载到4回比拟器组成,将接收到的HART信号转换成HT2021可接受的数字形式信号.4单片机系统单片机系统是测量信号处理和通信控制的核心,片机选用Microchip公司的CMOS单片机PIC16F877,PIC16F877片内具有定时器/计数器,同步和异步串行通信口,10位多通道A/D转换器等丰富的硬件资源,时器0和1分别设为定时和计数工作状态,用来测量频率信号;温度和压力信号接单片机模拟输入通道ADO和AD1,转换成数字量送CPU处理,测量结果通机通过异步串行口跟HART通信模块接口,串行口的数据发送端和数据接收端分别与HT2021的调制器输入端和解调器输

10、出端相连,通过并行口控制HT2021的展变送器本机输入按键和液晶显示器,具体电路从略.变送器的信号智能处理和通信控制主要通过软件来实现.单片机软件可分为三大功能模块:变送器管理软件,信号采集与处理软件和HART通信软件.变送器管理软件包括系统初始化,自检,自诊断和命令处理等程序块,命令可由智能变送器本机按键输入,也可由上位机或手持编程器等主设备发出,单片机根据命令对变送器进行组态,自检,标定或向主设备发送数据.如是标定命令,单片机自动采集和存储各个标定点的数据,自动校准零点和满量程点;各标定点数据还用于对测量值进行非线性修正,这些数据都存放在单片机内部的EPROM中.信号采集与处理软件定时采集

11、频率信号和模拟量信号,对采集的数据进行数字滤波,工程量转换,通过一58一仪表技术2004年第2期对测量值进行非线性修正和温度与压力补偿等智能化处理,求出瞬时流量和累积流量非线性修正采用分段线性化方法.设q是流量区间q,和q内任意点流量,测得的脉冲频率为厂,补偿后的频率值为厂,那么厂=+(厂一)(5)ji1一ji式(5)中,和+,分别是流量q,和q,+.对应的脉冲频率,折线端点坐标取标定点数据:HART通信程序由HART协议数据链路层和应用层的软件实现.HART协议是主从式通信协议,这里由主设备先发命令帧,单片机接收到主设备命令清求,先判断地址是否相符,假设地址不相符,那么忽略主设备的命令请求.

12、如果地址相符,接收信息帧,进行命令处理=处理时先对信息帧数据进行校验,如果出错,发回置错误标志的应答帧,主设备那么重发命令帧,从而保证通信的准确可靠.如果接收到主设备的读出命令,按要求向主设备发回数据应答帧,传送测量数据(主变量值)和变送器状态等非测量信息.如果是操作命令,那么调命令处理程序进行处理.为保证测量的实时性,通信过程中单片机的接收和发送均采用中断方式,图4是单片机串行口接收与发送中断处理流程图.5结束语设计的智能气体涡街流量变送器已投入现场用,图4接收中断流程图测量饱和蒸气流量.应用结果说明,变送器运行稳定,自动对测量值进行非线性修正和温度压力补偿,即使在压力波动较大的情况下,对饱

13、和蒸气流量的实际测量精度也到达了0.5%,满足了生产过程的测控需要.参考文献:1j杨根生,林辉渝.流量测量仪表M.北京:机械工业出版社.1986.2斯可克.HART智能变送器的数字通信J.冶金自动化,1995,(3).SMARTCommunicationprotocol,FSKPhysicalLayerSpecification,Rev:7.2S.1993.M.北京:北京航空航天大学出版社,2002.(郁红编发)(上接第46页)05000V直流斜坡测量功能以进行绝缘破坏实验定时器功能方便测量99个内贮单元可以存贮测试参数高容量的铅酸充电电池(12V)随机附带Quicklink1550软件及光电接口电缆2年保修Fluke1520的特点:大屏幕,背光显示,模拟指针,数字显示三档绝缘测试电压:250V,500V,1O00V绝缘测试可测至4000MI2,当电压高于30V,AC/DC时自动切换为电压测试AC/DC电压测量可至600V"jar低阻测试可用来测试通断"jar最后一次测得的读数自动保持"jar4节2号电池可进行5000次测量,具有电池电量指示和自动关机功能自动放电功能3年保修(郁红编发)(上接第51页)JS:SETBINCA;产牛计数脉冲子程序N0PN0PCIRINCANOP