基于HART協(xié)議的智能電磁流量變送器關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、電磁流量計(jì)因其結(jié)構(gòu)簡單、無活動(dòng)部件和阻礙被測介質(zhì)流動(dòng)的擾動(dòng)件或節(jié)流件而在工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。雖然我國己在電磁流量計(jì)開發(fā)方面取得了一定成績，但是由于國產(chǎn)的流量檢測儀表在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上存在較多信息轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，且多數(shù)缺少小信號(hào)切除、非線形補(bǔ)償以及數(shù)字濾波等高級(jí)信號(hào)處理能力，影響系統(tǒng)的檢測精度和抗干擾能力；另外，網(wǎng)絡(luò)通訊接口一般只配置RS-232或RS-485串行接口，組網(wǎng)和通訊能力差。 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)代表了工業(yè)控制系統(tǒng)向分散化、網(wǎng)

2、絡(luò)化、智能化發(fā)展的方向。為了構(gòu)建現(xiàn)場總線型工業(yè)測控系統(tǒng)，要求系統(tǒng)中所有儀表都應(yīng)具有現(xiàn)場總線功能。在模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉(zhuǎn)變過程中，HART協(xié)議是唯一向后兼容的智能儀表解決方案，在具有現(xiàn)場總線一系列優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，保留了對(duì)現(xiàn)有4～20mA系統(tǒng)的兼容性。因此，采用HART總線技術(shù)研制總線型電磁流量儀表是我國提升工業(yè)自動(dòng)化儀表及其主控系統(tǒng)技術(shù)水平的關(guān)鍵問題之一。為此，本文在對(duì)電磁流量計(jì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析、研究、比較和論證的基礎(chǔ)上，提出了基于HART協(xié)

3、議智能電磁流量變送器的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。主要研究內(nèi)容如下： 論文對(duì)HART協(xié)議作了較全面的分析。HART協(xié)議采用ISO/OSI簡化模型，其中物理層規(guī)定了信號(hào)的傳輸方式以及信號(hào)電平等內(nèi)容。數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定了設(shè)備類型以及數(shù)據(jù)傳輸幀格式。命令層規(guī)定了HART協(xié)議的各種命令及響應(yīng)碼?；贖ART協(xié)議的智能電磁流量計(jì)的通信功能就是基于HART的各種規(guī)范實(shí)現(xiàn)的。 在硬件電路中著重對(duì)系統(tǒng)的采集放大電路、勵(lì)磁發(fā)生電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、通信接

4、口電路和系統(tǒng)抗干擾電路等進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析。采用ADI公司推出的高性能同步V/F轉(zhuǎn)換器AD652，對(duì)傳感器電壓信號(hào)進(jìn)行采集和轉(zhuǎn)換，提高了系統(tǒng)檢測精度。同時(shí)，采用低功耗CMOS芯片P89C51RD2FN和．X25045集成芯片構(gòu)成單片機(jī)系統(tǒng)，具備掉電保護(hù)、自診斷等功能，輸入輸出電路采用電隔離和過流保護(hù)措施，不僅簡化了硬件設(shè)計(jì)，而且提高了系統(tǒng)的可靠性及抗干擾能力。在HART通信電路中，采用SMAR公司的HART信號(hào)調(diào)制解調(diào)專用芯片HT2012，

5、在不干擾4～20mA模擬信號(hào)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)字通訊功能。實(shí)現(xiàn)了儀表的智能化和總線化。 系統(tǒng)軟件采用MCS-51單片機(jī)匯編語言，采用模塊化程序設(shè)計(jì)方法，將一個(gè)程序化分成若干小的模塊，不同模塊完成不同功能，各模塊間保持相對(duì)的獨(dú)立性。其中包括初始化子程序、儀表監(jiān)控主程序、AD采樣子程序、HART通訊子程序。軟件采用中斷處理機(jī)制，并且采用軟件陷阱、指令冗余和看門狗技術(shù)等處理手段，提高系統(tǒng)的抗干擾性能。 通過上位機(jī)串口配備的符合

6、Bell202通訊標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)制解調(diào)器，連接于儀表的標(biāo)準(zhǔn)采樣電阻兩端，可實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與流量計(jì)之間的HART通訊。實(shí)驗(yàn)表明，該儀表符合HART協(xié)議各種規(guī)范，能夠?qū)ι衔粰C(jī)發(fā)送的命令幀作出相應(yīng)的響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了HART總線通訊功能。采用標(biāo)準(zhǔn)表法進(jìn)行的對(duì)比試驗(yàn)表明，該儀表能夠滿足對(duì)前端傳感器輸出電壓信號(hào)的測量，體積流量測量精度達(dá)到要求，可以同時(shí)顯示瞬時(shí)流速和正反雙向累積流量，并具備多種報(bào)警輸出、脈寬可調(diào)和勵(lì)磁頻率可調(diào)等功能，基本實(shí)現(xiàn)了智能電磁流量變送器性