基于HART協(xié)議的通用型多通道智能變送器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.3 HART通信模塊的設(shè)計(jì)

HART協(xié)議通信模塊主要由現(xiàn)場儀表內(nèi)的A5191HRT和AD421型DAC組成。其中,AD421接收MCU傳送的數(shù)字信號并轉(zhuǎn)換成4 mA～20 mA電流輸出，傳輸測量結(jié)果：A5191HART[1]接收疊加在4 mA-20 mA環(huán)路上的FSK信號。解調(diào)后傳輸給MCU,或?qū)CU產(chǎn)生的應(yīng)答幀信息調(diào)制成FSK信號經(jīng)波形后由AD421疊加在4 mA~20 mA環(huán)路上進(jìn)行傳輸，如圖6所示。

A5191HRT內(nèi)部包括發(fā)送數(shù)據(jù)調(diào)制器與波形整形電路、載波檢測電路、接收濾波器與解調(diào)電路、控制邏輯和時鐘振蕩器電路。調(diào)制器接收不歸零碼并調(diào)制為FSK信號。1 200 Hz代表邏輯“l”, 2200 Hz代表邏輯“0”，數(shù)據(jù)率為1 200 b/s，之后由波形整形電路將FSK信號整形為兼容HART協(xié)議要求的信號發(fā)送出去。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

HART通用型智能變送器的軟件按其功能分為四個部分:監(jiān)測程序、測控程序、HART通信程序和輔助程序。監(jiān)測程序是整個系統(tǒng)軟件的中心環(huán)節(jié)，又稱為主程序。它接收和分析各種命令，管理和協(xié)調(diào)全部程序的執(zhí)行，其包括系統(tǒng)初始化、系統(tǒng)自檢等部分;測控程序主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、輸出控制和自我診斷等部分。其中數(shù)據(jù)采集通過采樣中斷子程序實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)處理、輸出控制和自我診斷等部分則在主程序中調(diào)用。HART通信程序也就是HART協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層的軟件實(shí)現(xiàn)，是整個智能變送器軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，儀表的可互操作性也在這里得到體現(xiàn)。數(shù)據(jù)鏈路層軟件主要是串行口接收/發(fā)送中斷子程序，屬于中斷處理(服務(wù))程序;應(yīng)用層的軟件是對收到的命令幀進(jìn)行翻譯和處理，在主程序中被調(diào)用。

2.1 HART通信程序的設(shè)計(jì)

HART通信程序是HART協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層的軟件實(shí)現(xiàn),采用串口中斷實(shí)現(xiàn)通信的接收和發(fā)送服務(wù)，符合HART協(xié)議的通信工作都在此程序中完成,如圖7所示。

進(jìn)入串口中斷服務(wù)程序后，要先判斷是發(fā)送請求還是接收請求。若發(fā)送請求標(biāo)志為l則轉(zhuǎn)向發(fā)送服務(wù)程序，若接收請求標(biāo)志為l則轉(zhuǎn)向接收服務(wù)程序。HART應(yīng)用層的軟件對收到的命令幀進(jìn)行翻譯和處理，如：字節(jié)流和浮點(diǎn)數(shù)、整數(shù)、字符串之間的相互轉(zhuǎn)換，然后根據(jù)各自的命令號進(jìn)行相應(yīng)的命令處理，如：改量程、改單位、改阻尼時間等，最后，把應(yīng)答幀按照一定的格式放入發(fā)送緩沖區(qū)，由串行口中斷發(fā)回。如果有通信錯誤或命令錯誤時，則發(fā)回報告錯誤的應(yīng)答幀。發(fā)送服務(wù)程序是在程序運(yùn)行過程中向上位機(jī)發(fā)送信息，要設(shè)置發(fā)送請求標(biāo)志，將要發(fā)送的數(shù)據(jù)信息存入串口發(fā)送緩沖區(qū)， 并計(jì)算垂直校驗(yàn)， 在此要發(fā)送的數(shù)據(jù)信息的格式為： 前導(dǎo)碼2 B，定界符1 B，地址碼l或5 B，命令號1 B，字節(jié)長度1 B，響應(yīng)碼2個字節(jié)，數(shù)據(jù)0~25 B，校驗(yàn)和1 B。發(fā)送時，先要啟動發(fā)送載波，初始化物理層，建立通信鏈路和另一對等通信實(shí)體通信，發(fā)送應(yīng)答幀，發(fā)送結(jié)束后停止發(fā)送載波，初始化物理層，終止物理層鏈路通信。發(fā)送服務(wù)首先發(fā)送前導(dǎo)碼，每發(fā)送一個前導(dǎo)碼計(jì)數(shù)器就減1,然后發(fā)送HART協(xié)議的應(yīng)答幀,發(fā)送結(jié)束后停止發(fā)送載波。

目前HART型智能儀表的市場占有量已經(jīng)接近50%，但仍有約40%的儀表采用模擬量或非標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字協(xié)議進(jìn)行輸出，這些儀表將逐步被HART協(xié)議或其他數(shù)字總線協(xié)議所替代。為使這些特種規(guī)格產(chǎn)品升級為HART型智能儀表,一般需要定制與之相配套的電子部件或HART轉(zhuǎn)換模塊。這些復(fù)合型多參數(shù)傳感器，也是由普通的壓力、差壓、溫度等傳感器構(gòu)成。為了實(shí)現(xiàn)將這些特殊規(guī)格的儀表或傳感器升級為HART型智能變送器，需要設(shè)計(jì)通用型電子部件，提供多個測量通道，不僅能與市場上通用的傳感器相配套，還能與復(fù)合型多參數(shù)傳感器相配套。本文正是基于目前工業(yè)上的現(xiàn)實(shí)要求，設(shè)計(jì)出一種基于HART協(xié)議的多通道數(shù)據(jù)測量的智能變送器，以滿足多參數(shù)測量。在電路設(shè)計(jì)上,為了減小硬件電路功耗,提出一種雙層電源網(wǎng)路結(jié)構(gòu),滿足電路設(shè)計(jì)要求。