当前位置:首页 >> 客户服务技术资料

现场总线智能电磁流量计转换器的实现

发布时间:2019-02-22 12:50:15 浏览:

介绍现场总线智能电磁流量计转换器的实现方案,并阐述现场总线HART协议以及如何使智能电磁 流量计符合HART协议。

随着工业的发展,电磁流量计因其无污染成为目 前国内市场运用得较多的一种流量仪表。智能化是电 磁流量计的发展趋势。国外的一些知名仪器仪表公司 E+H公司、Rosemount公司均开发生产了智能化的 电磁流量计。相对来说,我国在这一产品的开发起步 较晚,技术还不是十分成熟。笔者有幸参与了国内现 场总线型智能电磁流量计研究、开发和工程化课题的 一些相关工作。可以说,这一课题的开发将大大缩小 与国外同类产品的差距,有力推动我国智能电磁流量 计产品的发展,加速我国仪器仪表的国产化进程。

1.电磁流量计的工作原理及组成

电磁流量计的工作原理为法拉第电磁感应定律。 导电液体在磁场中流动切割磁力线,产生感应电势E E=KBLv 式中:

K为比例常数;

B为磁感应强度;

L为测量电极之间的距离;

v为被测流体在磁场中运动的平均速度。

电磁流量计主要由变送器(又称一次装置、检出 器或传感器)和转换器(又称二次装置或变换器)及 流量显示仪表3部分组成。变送器把流过的被测液体 的流量转换为相应的感应电势。转换器的作用是把电 磁流量变送器输出的与流量成比例的毫伏级电压信号 放大并转换成为可被工业仪表接收的标准直流电流、 电压或脉冲信号输出,以便与仪表及调节器配合,实 现流量的指示、记录和运算。

本文主要讨论的是如何实现电磁流量计转换器的 智能化,以及转换器与HART通信协议的接口实现。

传统的电磁流量计一旦开机后,能自动进行连续 不断的测量,但外界无法控制其运行情况,只能按生 产时规定的运行方式运行,因此功能比较单一,无法 满足现代测量灵活实时的要求。所谓电磁流量计的智 能化,就是流量计开机后,能按照程序规定的模式进 行测量,并且在运行过程中,能接受外界的意图,根 据外界的命令随时做出相应的调整。因此智能化的电 磁流量计功能较齐全,并能由人为控制,运行相当灵活。例如,当电磁流量计以30 Hz的励磁频率进行测 量时,测量人员根据流量的实际情况,想把励磁频率 改为60 Hz就可以根据产品说明书,按下电磁流量 计的某个按钮,使仪表按照要求做出改变,而传统的 流量计是无法做到这一点的。当然,这种智能化的实 现是建立在单片机系统上的。而所谓的HART协议其 目的是在智能化的基础上将各种类型仪表统一起来, 同一指令能控制多种仪表,使各仪表能彼此联系,协 调工作。

2.智能电磁流量计的主要功能和设计思路

智能电磁流量计转换器的主要功能:

A/D采样,每隔1/12 s采样一次;

D/A转换,输出4—20 mA电流;

产生电磁流量计必需的2路相位相反、频率相 同的励磁方波信号,要求频率为3060 Hz两种;

产生对2路励磁方波信号高电平接近下降沿的 20 ms脉冲米样信号;

液晶显示,显示流量结果、检测状态(空/满 管状态、正/反流量)、设置参数和自诊断结果等;

键盘管理,设置3个按键,对键盘动作进行处理;

脉冲量输出,将流量结果转换成0—1000 Hz 围内的脉冲信号输出;

兼容HART协议,对手持式通信器发出的命令 作出反应;

流量状态检测/输出,检测管道为空管或满管, 流量方向为正向或反向,并输出相应的开关量等。

3.设计思路及功能的实现

根据工作条件,选择Motorola公司M68HC11系列 的单片机设计智能化方案。M68HC11系列以功能强、速 度高著称,是功能最强的8位单片机。它与其他系列 单片机最大的区别在于其具有4种工作方式:正常单 片方式、正常扩展方式、特殊自引导方式及特殊测试 方式。对于开发仪表,Motorola公司推荐使用正常单 片方式。单片机处于正常单片方式时对外不提供地址 线和数据线。由于内部带有相当可观的RAM和R0M 常不需要外接存储器,并且具备相当多的并行I/O 及高速的同步串行通信口和异步串行通信口。采用 M68HC11系列开发仪表,相对来说,能大大简化系统 设计,减小系统体积,接口简单,便于调试。

由于此项目对智能电磁流量计的要求很高,不仅 要求具备电磁流量计的基本测量功能,液晶显示模块 还要能够显示大量的信息,并且要能与HART协议兼 容。随之带来的问题是功能越多,结构越复杂。由一 块单片机来实现全部的功能是不太可能的。比较国外 的同类产品可以发现,它们均采用了多CPU系统。因 此设计了一套多CPU系统的方案。其中一片CPU作为 主机,负责实现A/D采样、D/A转换、与HART通信协 议的接口及开关量检测、输出功能。主机另一个重要 任务是合理安排测量程序,以及如何与其他CPU的通 信问题。其余CPU均作为从机。主要用于实现励磁方 波信号、脉冲采样信号、液晶显示及键盘管理。显而 易见,多CPU之间的数据交换是非常频繁复杂的。如 何实现CPU之间的数据通信以及如何做到它们之间的 协调,是所有问题中最关键的一个。

M68HC11系列的单片机之间的通信可米用同步串 行通信口 SPI采用串行通信的优点在于连接简单, 传输迅速。但国内大多数产品及文献只涉及了比较简 单的双CPU通信。对于多CPU的相互通信却提及甚少。 SPI是Motorola单片机独有的一种功能,主要用于与 外围器件通信,也可在多机系统中完成处理机之间的 通信。SPI系统具有足够的灵活性,只要用法得当, 考虑周密,完全可以胜任多CPU的通信问题。

SPI使用3根线进行通信:数据入、数据出和串行 时钟。包含4个引脚:MIS0主机输入从机输出脚、M0SI 主机输入从机输出脚、SCLK时钟脚及SS脚。单片机设 置为主机方式时,SCLK信号由内部CPU总线时钟给出。 单片机为从机方式时,在允许SPI系统后,SS为输入 脚,它用于允许SPI从机发送数据,相当于从机的片选 信号。图1为利用SPI进行双机通信的示意图。

图1利用SP1的双机通信在整个单片机设计系统中,必须自始至终保证只 能有一片单片机作为主机。当一片单片机设置为主机 后,其余的单片机只能作为从机。图1中,主机的SS 接高电平。主机的一个I/O脚PC0用于控制从机的SPI 允许SS脚工作。当PCO设置为低电平时,允许从机的 SPI工作。在传送时,数据同时发送(串行移位输出) 和接收串行移位输入)。不论是主机接收、从机发 送,还是主机发送、从机接收,均由主机启动一次传 送过程,因此,当主机检测到从机发来的准备好信号 后才启动一次传送。因此,两片单片机之间必须有相 互握手信号。最简单的实现办法是两片单片机的某两 I/O脚对接,一根线用于主机发送、从机检测,一 根用于从机发送、主机检测。无论发送或接收,两片 单片机均可相互查询,以便做到相互之间的协调同步。 例如,主机想要向从机发送数据,就应先发出请求, 当检测到从机的回应,表示准备就绪之后,主机才能 开始发送;否则,主机发送而从机还在处理其他程序, 就会导致从机根本未接收到或接收得不完整,导致通 信错误。

多单片机系统设计的原理与上述类似,区别在于 主机必须由不同的I/O脚来控制各个从机的SS端,对 各从机分别选中。同样必须注意的是主机与从机之间 的通信同步问题,也就是说,各个主机与从机之间必 须设有各自的握手信号,能通过查询进行相互之间的 请求和作出回应。数据传送必须完整无遗漏,这就要 求主、从机之间发送、接收同时进行。

3 .HART通信协议

所谓现场总线,就是Rosemount公司同国际标准 化委员会一起协作定义的一种高速现场通信标准。这 种新的标准具有更强的功能,既增加了通信速度,又 增强了数据可存取性。本项目采用的现场总线标准为 HART通信协议。

HART协议采用标准的Bell 202频移键控信号以 1200bit/s通信,以低电平加载于4—20 mA模拟测量 信号上。由于载波信号的平均值为零,如图2所示, 它对模拟信号没有影响。

HART协议是一个主从协议,这意味着现场装置仅在被查询时才响应。每个信息包含源地址、目的地址 和一个用于检测信息正误的校验和,如图3所示。

HART协议的命令分为3组:通用命令是所有现场 装置都配备的,如读制造商码和设备类型,读传感器 编号和极限等;专用命令提供的功能大部分装置都配 备,如写阻尼时间常数和执行自检等;特殊命令所提 供的功能只对一些特殊的现场装置适用,如读或写低 流量截止值和读结构材料信息等。

HART协议手持式通信器与智能电磁流量计转换器 单片机的通信采用专用调制解调芯片HT20C15来实现。 D/A转换输出的4—20 mA的电流正是HART通信所必须 的信号载体。当手持式通信器发出命令后,加载了数 字信息的模拟电流通过HT20C15芯片,滤去模拟成分, 保留数字信息,通过单片机的异步串行通信口就能传 输给单片机。而单片机就能根据接收的数字信息加以 鉴别,从而执行这组数字信息所代表的命令。这就是 HART协议的通俗解释。

HT20C15是专为HART通信设计的调制解调芯片。 它与单片机的通信采用了单片机的异步串行通信接口 SCI串行口的大量应用是符合设计简单原则的,在 仪表开发中也经常大量运用串行外围器件。

3.结束语

综上所述,在整个现场总线的智能电磁流量计转 换器系统中,不仅用到了同步串行通信口 SPI还用 到了异步串行通信口 SCISPI除了用于CPU之间的通信,还用于扩展A/DD/A芯片,即A/DD/A转换与单片机之间的数据交换都由SPI 口来实现。值得欣喜的是,在调试阶段,SPI 口扩展A/DD/A芯片已经实现,CPU之间的通信在不断摸索中也已经达到预期的目标,能做到各CPU之间的通信数据准确无误,为我们积累了使用SPI 口的经验。对于SCI 口与单片机的通信,也已经获得了初步的成功。

现场总线智能电磁流量计的研究和开发,对提高我国在智能电磁流量计领域方面的技术具有积极的意义。从某种程度上来说,现场总线的智能型仪表在国内仍是一个空白,其具有的高速通信、可靠运行及方便的人机交流的优点是令人无法忽视的。