1、基于HART協議的新型智能氣體渦街流量變送器設計儀表技術2004年第2期基于HART協議的新型智能氣體渦街流量變送器設計歐陽惠斌,唐耀庚,高嵩(南華大學電氣X-.程學院,湖南衡陽421001)摘要:介紹由信號檢測模塊,單片機模塊,HART通信模塊和其他功能電路組成的新型智能氣體渦街流量變送器,它集信號變換,處理和數字通信等功能于一體.實際應用說明,變送器性能指標到達了設計要求.關鍵詞:渦街流量變送器;智能;通信;HART協議;單片機中圖分類號:TH814文獻標識碼:B文章編號: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變送器整體結構渦街流量計具有結構簡單,穩定性好,量程范圍寬等優點,應用日益廣泛,尤其適合蒸氣,燃氣等氣體流量計量.開發具有通信功能的智能渦街流量變送器,協議的新型智能氣體渦街流量變送器結構如圖1所示,主要由信號檢測電路,單片機系統,通信模塊和其他功能電路,如電源模塊,顯示模塊等組成.頻率溫度壓力HART1I_圖1智能變送器結構圖信號檢測電路完成流量等現場信號檢測與預處理變送器跟現場總線的接口,將單片機輸出的數字信號轉換成HART信號送到電流環路上,并接收環路上的片機系統集中

4、控制智能變送器的其他各個功能電路和數據采集,數據處理,數據通信等各個環節的工作過程.2工作原理與信息檢測電路動的流體中放置一柱形旋渦發生體,使流體產生兩列有規律的交替旋渦列;在一定雷諾數范圍內,旋渦發生頻率廠和流體平均流速的關系為:f=S.×v/d(1)爾系數,是雷諾數的函數,在雷諾數為50015000區域,根本為一常數.假設流體流通載面積是A,那么流體體積流量Q與旋渦發生頻率的關系為:Q=×A=f/K(2)測電路原理如圖2,以壓電元件作傳感器,將旋渦發生頻率轉換成同頻率電脈沖信號,經過放大整形后,送給體的溫度和壓力有關,要將測得的工作狀態下的體積流量換算成標準狀態下的體積

5、流量,或測出氣體質量流量.因此,要同時測出工作狀態下氣體的溫度和壓力,再由單片機按設計好的算法計算出相應的結果.圖2漩渦頻率檢測電路框圖根據理想氣體狀態方程,可求得工作狀態下氣體體積流量換算成標準狀態下體積流量的算法如下:Q-PT.Q(3)收稿日期:2003一l1作者簡介:歐陽惠斌(1965一),男,湖南衡陽人,講師,碩士,主要從事電子信息技術的科研與教學工作.一2004年第2期儀表技術式中:Q一標準狀態(P=760mmHg,T.=293K)下的體積流量;T一標準狀態下被測氣體絕對溫度;P,一標準狀態下被測氣體絕對壓力;一工作狀態下被測氣體絕對溫度;P一工作狀態下被測氣體絕對壓力;z一工作狀態

6、下被測氣體的壓縮系數.質量流量p:Q=lD×Q(4)式(4)中,ID是標準狀態下被測氣體密度.變送器中選用鉑熱敏電阻器檢測氣體溫度,可適應測量不同溫度的氣體流量的需要;氣體壓力采用NPI系列固態壓阻式壓力傳感器檢測,NPI固態壓力傳感器將固態集成工藝和隔離膜片技術結合在一起,能成電壓信號和放大后送至單片機進行A/D轉換3HART通信模塊設計HART協議是用于現場智能儀表和控制室設備問標準的FSK頻移鍵控技術,在420mA模擬電流信號上疊加一個平均值為0的正弦信號,并以信號頻率1200Hz代表邏輯1',2200Hz代表邏輯"0",使得模擬信號和數字信號同時傳

7、送而互不影響;傳輸介質使用雙絞線;傳輸速率1200波特和采用半雙工方式通信.圍015.當地址為0時,處于直流420mA與數字通信兼容狀態;當地址為115時,處于全數字通信狀態.應用層規定了3類命令,第1類命令適應于遵守HART協議的所有產品,第2類命令適用于遵守HART協議的大局部產品,第3類命令適用于遵守HART協議的特殊產品.目前,變送器和執行機構等現場儀表大多采用420mA電流信號,HART協議因其兼容模擬電流信號和數字通信信號受到廣闊用戶歡送,已成為事實上的工業標準.HART通信模塊就是HART協議物理層的硬件實現,模塊結構如圖3,主要以SMAR公司生產的微功耗RBlINRTSlRXA

8、RB2oCDRXITXDTXORXD波形整形OTXA皿圖3HART通信模塊結構圖FSK調制解調器HT2021為中心,配合波形整形電路和濾波電路組成.HT2021由時鐘,調制器,解調器和載波檢測4個主要功能模塊組成,主要功能是實現HART信號和數字信號的相互轉換.接收時,它將1200Hz信號解調為數字信號"1",2200Hz信號解調為數字信號0',送給單片機處理.發送時,那么將數字信號1'和"0"調制成1200Hz和2200Hz的FSK頻移鍵控電路由一個低通濾波器和T型網絡組成,將調制解調器芯片HT2021輸出的數字形式信號轉換成模擬信號,

9、并濾除高頻噪音,再通過耦合電路將信號加載到4回比擬器組成,將接收到的HART信號轉換成HT2021可接受的數字形式信號.4單片機系統單片機系統是測量信號處理和通信控制的核心,片機選用Microchip公司的CMOS單片機PIC16F877,PIC16F877片內具有定時器/計數器,同步和異步串行通信口,10位多通道A/D轉換器等豐富的硬件資源,時器0和1分別設為定時和計數工作狀態,用來測量頻率信號;溫度和壓力信號接單片機模擬輸入通道ADO和AD1,轉換成數字量送CPU處理,測量結果通機通過異步串行口跟HART通信模塊接口,串行口的數據發送端和數據接收端分別與HT2021的調制器輸入端和解調器輸

10、出端相連,通過并行口控制HT2021的展變送器本機輸入按鍵和液晶顯示器,具體電路從略.變送器的信號智能處理和通信控制主要通過軟件來實現.單片機軟件可分為三大功能模塊:變送器管理軟件,信號采集與處理軟件和HART通信軟件.變送器管理軟件包括系統初始化,自檢,自診斷和命令處理等程序塊,命令可由智能變送器本機按鍵輸入,也可由上位機或手持編程器等主設備發出,單片機根據命令對變送器進行組態,自檢,標定或向主設備發送數據.如是標定命令,單片機自動采集和存儲各個標定點的數據,自動校準零點和滿量程點;各標定點數據還用于對測量值進行非線性修正,這些數據都存放在單片機內部的EPROM中.信號采集與處理軟件定時采集

11、頻率信號和模擬量信號,對采集的數據進行數字濾波,工程量轉換,通過一58一儀表技術2004年第2期對測量值進行非線性修正和溫度與壓力補償等智能化處理,求出瞬時流量和累積流量非線性修正采用分段線性化方法.設q是流量區間q,和q內任意點流量,測得的脈沖頻率為廠,補償后的頻率值為廠,那么廠=+(廠一)(5)ji1一ji式(5)中,和+,分別是流量q,和q,+.對應的脈沖頻率,折線端點坐標取標定點數據:HART通信程序由HART協議數據鏈路層和應用層的軟件實現.HART協議是主從式通信協議,這里由主設備先發命令幀,單片機接收到主設備命令清求,先判斷地址是否相符,假設地址不相符,那么忽略主設備的命令請求.

12、如果地址相符,接收信息幀,進行命令處理=處理時先對信息幀數據進行校驗,如果出錯,發回置錯誤標志的應答幀,主設備那么重發命令幀,從而保證通信的準確可靠.如果接收到主設備的讀出命令,按要求向主設備發回數據應答幀,傳送測量數據(主變量值)和變送器狀態等非測量信息.如果是操作命令,那么調命令處理程序進行處理.為保證測量的實時性,通信過程中單片機的接收和發送均采用中斷方式,圖4是單片機串行口接收與發送中斷處理流程圖.5結束語設計的智能氣體渦街流量變送器已投入現場用,圖4接收中斷流程圖測量飽和蒸氣流量.應用結果說明,變送器運行穩定,自動對測量值進行非線性修正和溫度壓力補償,即使在壓力波動較大的情況下,對飽

13、和蒸氣流量的實際測量精度也到達了0.5%,滿足了生產過程的測控需要.參考文獻:1j楊根生,林輝渝.流量測量儀表M.北京:機械工業出版社.1986.2斯可克.HART智能變送器的數字通信J.冶金自動化,1995,(3).SMARTCommunicationprotocol,FSKPhysicalLayerSpecification,Rev:7.2S.1993.M.北京:北京航空航天大學出版社,2002.(郁紅編發)(上接第46頁)05000V直流斜坡測量功能以進行絕緣破壞實驗定時器功能方便測量99個內貯單元可以存貯測試參數高容量的鉛酸充電電池(12V)隨機附帶Quicklink1550軟件及光電接口電纜2年保修Fluke1520的特點:大屏幕,背光顯示,模擬指針,數字顯示三檔絕緣測試電壓:250V,500V,1O00V絕緣測試可測至4000MI2,當電壓高于30V,AC/DC時自動切換為電壓測試AC/DC電壓測量可至600V"jar低阻測試可用來測試通斷"jar最后一次測得的讀數自動保持"jar4節2號電池可進行5000次測量,具有電池電量指示和自動關機功能自動放電功能3年保修(郁紅編發)(上接第51頁)JS:SETBINCA;產牛計數脈沖子程序N0PN0PCIRINCANOP