CN102706411A - 基于hart通讯的磁性位置物位计 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于HART通讯的磁性位置物位计，采样电路采集物位信号后送入MCU控制单元，MCU控制单元计算处理数据后通过D/A转换电路转换为4～20mA模拟信号传送出；HART通讯接口电路接收到外部的物位模拟信号后，解调转换为数字信号送MCU控制单元，MCU控制单元计算处理数据后通过D/A转换电路转换为4～20mA模拟信号传送出，电源电路为各个单元电路供电。此物位计原有的电缆布置和控制策略可继续发挥作用；其次，可增加额外的数字信息，便于安装、调校、维护以及控制，从而节省了大量费用，同时又提高了磁性位置物位计的测量精度和利用率。
Description
技术领域
本发明涉及一种物体位置测量技术，特别涉及一种基于HART通讯的磁性位置物位计。
背景技术
磁性位置物位计是根据浮力原理和磁性耦合作用研制而成。当被测容器中的液位升降时，液位计的浮球在导管上随之升降，浮球内磁钢的磁力吸合导管中的干簧管，改变了电子线路的输入阻抗，电流输出随之改变，达到测量液位的目的。
磁性位置物位计是物位测量仪表的一种，广泛应用于电力、冶金、石化、轻纺、食品、医药等行业。随着现场总线技术在工业过程控制领域的应用，自动化系统的网络化、总线化是大的趋势，原有的磁性位置物位计通过4～20mA模拟信号控制，不能进行数字通讯，不能满足现代工业系统的要求。
由于HART协议具有兼容数字信号和模拟信号的特点，在不影响模拟信号控制的前提下可以进行数字通讯，具有现场和远程参数监控功能，在降低系统成本、提高控制精度和系统可靠性方面具有不可比拟的优势。
目前具有HART协议的智能仪表在国内市场上一直被国外公司的产品所垄断，由于其高昂的价格和技术的垄断，使国内企业的生产成本大大增加，降低了企业的竞争能力，因此研发具有自主知识产权的基于HART通讯的磁性位置物位计具有很大的现实意义。
发明内容
本发明是针对现有的磁性位置物位计无法实现数字通讯的问题，提出了一种基于HART通讯的磁性位置物位计，在二线制磁性位置物位计基础上增加了数字通信功能，采用Bell202 FSK信号标准，可使数字信号与模拟信号在互不干扰的情况下同时进行传送，实现双向通讯。
本发明的技术方案为：一种基于HART通讯的磁性位置物位计，包括采样电路、电源电路、HART通讯接口电路、MCU控制单元和人机接口界面，人机接口界面接收外部设置指令，与MCU控制单元通讯，采样电路采集物位信号后送入MCU控制单元，MCU控制单元计算处理数据后通过D/A转换电路转换为4～20mA模拟信号传送出；HART通讯接口电路接收到外部的物位模拟信号后，解调转换为数字信号送MCU控制单元，MCU控制单元计算处理数据后通过D/A转换电路转换为4～20mA模拟信号传送出，电源电路为各个单元电路供电。
所述HART通讯接口电路包括MCU接口和变压器耦合接口，MCU本身带有串口可作为与HART MODEM的通讯接口。所述HART通讯接口电路中MCU接口选用A5191芯片，A5191芯片内HART协议采用标准的Bell202移频键控信号以1200波特率进行通信。
本发明的有益效果在于：本发明基于HART通讯的磁性位置物位计，原有的电缆布置和控制策略可继续发挥作用；其次，可增加额外的数字信息，便于安装、调校、维护以及控制，从而节省了大量费用，同时又提高了磁性位置物位计的测量精度和利用率。
附图说明
图1为本发明基于HART通讯的磁性位置物位计原理图；
图2为本发明基于HART通讯的磁性位置物位计中HART通信接口图。
具体实施方式
本发明通过采样单元将物位信号转换成对应的电信号，通过MCU控制电路单元对A/D采样电路的控制得到物位值，进行数据处理和运算后，转换成相应的4～20mA模拟输出信号传送至主控室接收；同时，HART通讯接口电路检测到叠加在4～20mA直流信号上的外部控制信号，解调出叠加的数字信号，传送给CPU进行处理；处理的结果经过HART通讯接口电路调制转换为HART信号要求的交变信号并叠加在直流信号上，从而实现与外界信息的数字通讯。本发明中，主要的变量和控制信息由4～20mA传送，在需要的情况下，其他过程参数、设备组态、校准和组态信息通过HART协议以数字通信的方式访问。
如图1所示原理图，基于HART通讯的磁性位置物位计由采样电路、电源电路、HART通讯接口电路、MCU控制单元和人机接口界面组成，人机接口界面接收外部设置指令，与MCU控制单元通讯，采样电路采集物位信号后送入MCU控制单元，MCU控制单元计算处理数据后通过D/A转换电路转换为4～20mA模拟信号传送出；HART通讯接口电路接收到外部的物位模拟信号后，解调转换为数字信号送MCU控制单元，MCU控制单元计算处理数据后通过D/A转换电路转换为4～20mA模拟信号传送出，电源电路为各个单元电路供电。
MCU控制单元：MCU控制单元内部集成12位AD转换器、具有超低功耗并可以直接驱动LCD，高达60KB的FLASH存储器以及2KB的RAM可以节省许多外围芯片，大大简化硬件电路设计。
HART通信接口电路：该接口用MCU和HART MODEM芯片开发基于HART通讯的磁性位置物位计，简单方便，缩小了空间和成本。HART MODEM的主要功能模块由控制逻辑、载波检测、调制和解调四部分组成。它集成了输入滤波和输出整形的功能，可以简化接口电路设计实现系统的可靠性。
HART通讯接口电路主要由MCU接口和变压器耦合接口构成。MCU本身带有串口可作为其与HART MODEM的通讯接口，如图2所示。
当A5191的IRXA引脚上出现1200(±10)Hz或2200(±20)Hz的频率信号时，则A5191的OCD脚为高电平，MCU从P1.6检测到高电平后将P1.3置高电平，此时HART MODEM的INRTS脚检测到高电平，打开解调器对检测到的数字信号进行解调并将有效数据由ORXD传送给MCU进行处理。
若OCD为低电平，说明总线空闲，这时MCU设定P1.3也为低电平，则A5191的调制器打开，将从ITXD接收的数据调制整形后由OTXA引脚发送。由OTXA发送的数据由运算放大器放大并经过变压器耦合到4～20mA直流信号上。
HART协议采用标准的Bell202移频键控信号以1200波特率进行通信。其物理层采用两种不同频率（1200Hz和2200Hz，分别代表2进制的1和0）的正弦信号，叠加在4～20mA信号上进行通信，由于正弦信号的均值为0，并不干扰直流信号。它可使模拟信号和数字信号能同时进行双向通信而不互相干扰。
本发明采用的是半双工的通信，采用简化的三层模型结构，即第一层物理层、第二层数据链路层和第七层应用层。物理层规定了信号的传输方法、传输介质；数据链路层规定了HART帧的格式，实现建立、维护、终结链路通讯功能；应用层规定HART命令集。命令分为三类，即通用命令、普通命令和专用命令。通用命令提供了所有与现场设备有关的功能，这些命令包括：读取制造厂家与设备类型；读初始变量与单位；读取电流输出与量程的百分比；读4个预定义的动态变量；读写8字符位号，16字符描述符，日期；读写32字符信息；读量程、单位和阻尼时间常数；读传感器系列号和界限；读写最末的装配零件数字；写轮询地址。常用命令提供常见的多种现场设备中的功能，但不是全部。包括读总共4个动态变量的一组选择；写阻尼时间变量；写量程；校准测定（置零、置最大量程）；设置固定的输出电流；执行自检；执行主机复位；调整初始变零；写初始变量单位；调整数字-模拟转换器零点与增益；书写传送函数；书写传感器系列号；读写动态变量赋值。专用命令提供只针对特殊的现场设备的功能，是本发明自已所特有的，不互相兼容。
由于HART协议规定的数据传送速率是1200bit/s，每传送一个字符的时间接近10毫秒，所以软件中采用中断的方式收发数据，其余时间可以使CPU进入低功耗状态或处理其它事务。MSP430的USART模块的接收、发送缓存均可产生独立的中断，程序在该中断中完成对HART信息帧的各种处理。在帧的接收过程中，每当检测出异常，会自动设置相应状态信息，程序在定时器中断集中处理传输过程中出现的错误、延迟，并根据系统工作模式的不同调用相应的处理过程。信息帧的发送过程与此类似，当系统工作于成组模式时，定位器以一定的时间间隔不断地检测线路上是否有主机上传的命令信息，如果没有，会自动把设备运行的相关信息以HART信息帧的形式发送出去；如果恰有主机正在通信，则优先执行主机命令，或根据主机命令类型推迟或取消成组数据的发送。
Claims (3)
1.一种基于HART通讯的磁性位置物位计，其特征在于，包括采样电路、电源电路、HART通讯接口电路、MCU控制单元和人机接口界面，人机接口界面接收外部设置指令，与MCU控制单元通讯，采样电路采集物位信号后送入MCU控制单元，MCU控制单元计算处理数据后通过D/A转换电路转换为4～20mA模拟信号传送出；HART通讯接口电路接收到外部的物位模拟信号后，解调转换为数字信号送MCU控制单元，MCU控制单元计算处理数据后通过D/A转换电路转换为4～20mA模拟信号传送出，电源电路为各个单元电路供电。
2.根据权利要求1所述基于HART通讯的磁性位置物位计，其特征在于，所述HART通讯接口电路包括MCU接口和变压器耦合接口，MCU本身带有串口可作为与HART MODEM的通讯接口。
3.根据权利要求2所述基于HART通讯的磁性位置物位计，其特征在于，所述HART通讯接口电路中MCU接口选用A5191芯片，A5191芯片内HART协议采用标准的Bell202移频键控信号以1200波特率进行通信。
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Application publication date: 20121003 |