CN109856534A - 一种基于Hart通信技术的发电机电量变送器 - Google Patents

Abstract

本发明属于电量变送器领域，涉及一种基于Hart通信技术的发电机电量变送器，其中，数字采样单元用于测量数据，电能脉冲输出单元与数字采样单元连接，该电能脉冲输出单元用于对数字采样单元的输出电能脉冲信号进行放大整形和光电隔离输出，FSK调制解调单元与主控单元连接，该FSK调制解调单元用于收发Hart协议的数据，电流环单元与主控单元、FSK调制解调单元连接，该电流环单元用于输出4‑20mA电流，数字通信单元与主控单元连接，该数字通信单元用于收发RS485电气协议的数据，显示单元与主控单元连接。本发明可以解决不能实现双向数字通讯和成本高的问题。

Description

一种基于Hart通信技术的发电机电量变送器

技术领域

本发明涉及电量变送器领域，特别是涉及一种基于Hart通信技术的发电机电量变送器。

背景技术

电量变送器是一种将被测电量参数(如电流、电压、功率、频率、功率因数等信号)转换成直流电流、直流电压并隔离输出模拟信号的设备，广泛应用于各大发电厂。目前对于发电机电气量监测用变送器功能往往单一化，比如有功功率变送器只能输出有功功率与之对应的变化输出，而随着电子技术的不断发展，数字式测量技术的广泛应用，诞生于上世纪的模拟式电量变送器也不断被淘汰。采用数字测量技术的电量变送器往往也可以计算出其它的一些电气量参数，比如有功功率变送器可以计算出电流、电压、频率及无功功率等电气量参数。

目前电量变送器的输出只能输出与之对应的功能，如果需要其它电气量只能额外再配一只该功能的电量变送器，这就造成了不同电量变送器之间存在重复性的测量，导致资源浪费，线路复杂，维护成本高；对于数字通信技术的兴起，市场上也有支持RS485通信的电量变送器，但要架构一条所有电量变送器的通信链路，增加成本；我国的大中型发电厂(尤其是燃煤电厂)大都建立在改革开放后的30年内，如今都面临着技术升级改造，一味地对原有电量变送器进行更换将会是一笔可观的费用；同时，对于如今发电厂智能化程度的越来越高，需要监测的电气量参数也越来越多，原有的4-20mA线路数量肯定不能满足需求；另外，通过增加一条RS485通信线路可以达到上述目的，但改造困难、工期长。

发明内容

本申请实施例的目的在于提出一种基于Hart通信技术的发电机电量变送器及推荐装置，以解决不能实现双向数字通讯和成本高的问题。

为了解决上述技术问题，本申请实施例提供一种基于Hart通信技术的发电机电量变送器，采用了如下所述的技术方案：

一种基于Hart通信技术的发电机电量变送器，包括数字采样单元、电能脉冲输出单元、主控单元、FSK调制解调单元、电流环单元、数字通信单元、显示单元和电源单元；所述数字采样单元用于测量数据，所述电能脉冲输出单元与数字采样单元连接，该电能脉冲输出单元用于对数字采样单元的输出电能脉冲信号进行放大整形和光电隔离输出，所述FSK调制解调单元与主控单元连接，该FSK调制解调单元用于收发Hart协议的数据，所述电流环单元与主控单元、FSK调制解调单元连接，该电流环单元用于输出4-20mA电流，所述数字通信单元与主控单元连接，该数字通信单元用于收发RS485电气协议的数据，所述显示单元与主控单元连接。

进一步地，所述控制单元包括STM32单片机和存储器，所述STM32单片机的5脚、6脚连接有退耦电容，所述STM32单片机的IO口模拟出单总线协议用于驱动所述电流环单元输出4-20mA电流。

进一步地，所述数字采样单元包括三相计量芯片，以及与三相计量芯片连接的电流互感器和电压互感器，所述三相计量芯片与主控单元连接，所述三相计量芯片还与电能脉冲输出单元连接。

进一步地，所述FSK调制解调单元包括HART调制解调器芯片、隔离电源模块以及数字信号隔离器，所述HART调制解调器芯片通过数字信号隔离器与主控单元连接，所述HART调制解调器芯片还与电流环单元连接，所述HART调制解调器芯片与工作电源之间连接隔离电源模块。

进一步地，所述电流环单元包括电流环芯片U3、电源芯片U2和三极管Q1，所述电流环芯片U1的型号为DAC161P997，所述电源芯片U2的型号为TPS79801-Q1，外部的4-20mA信号输入正极连接电源芯片U2的输入端第8脚，所述电流环芯片U3的第16脚与三家管Q1的基极连接，外部的4-20mA信号输入负极与电流环芯片U3的第9脚连接，电流环芯片U3的第13脚串联有电容C10。

进一步地，所述电能脉冲输出单元包括光电耦合器U5和三极管Q2，三极管Q2的基极连接所述数字采样单元的三相计量芯片的第26脚，三极管Q2的发射极连接光电耦合器U5的输入端。

进一步地，所述数字通信单元包括型号为ISO3082的通信隔离芯片U10，通信隔离芯片U10的第1脚和第7、8脚分别连接接电源单元的正端和负端；通信隔离芯片U3的第3、4、5、6脚分连接控制单元的USART接口以及收发控制GPIO口；通信隔离芯片U3的第16脚和第9、10脚分别连接隔离电源的正端和负端；通信隔离芯片U3的第12、13脚为RS485接口的输出。

进一步地，所述显示单元包括OLED液晶模块和按键模块，所述OLED液晶模块采用SPI接口协议与控制单元连接，所述按键模块包括四个独立按键。

与现有技术相比，本申请实施例主要有以下有益效果：本发明提供的基于Hart通信技术的发电机电量变送器，采用了在低频的4-20mA模拟信号上叠加幅度为0.5mA的音频数字信号进行双向数字通讯技术方案，在发电厂变送器屏柜进行技术改造时不需要进行线路改造，在原有4-20mA电流线路即可实现双向数字通讯，在不影响原有4-20mA的计量精度的基础上充分发挥了数字变送器的功效，并在此基础上还可以删减一些不必要的电量变送器，从而有效地节省了设备投入成本及改造成本。

附图说明

为了更清楚地说明本申请中的方案，下面将对本申请实施例描述中所需要使用的附图作一个简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的结构框图。

图2为本发明中控制单元电路原理图。

图3为本发明中数字采样单元内三相计量芯片的电路原理图。

图4为本发明中数字采样单元内电流互感器的电路原理图。

图5为本发明中数字采样单元内电压互感器的电路原理图。

图6为本发明中FSK调制解调单元内HART调制解调器芯片的电路原理图。

图7为本发明中FSK调制解调单元内隔离电源模块的电路原理图。

图8为本发明中FSK调制解调单元内数字信号隔离器的电路原理图。

图9为本发明中电流环单元的电路原理图。

图10为本发明中电能脉冲输出单元的电路原理图。

图11为本发明中数字式通信单元的电路原理图。

图12为本发明中显示单元中OLED显示模块的电路原理图。

图13为本发明中显示单元中按键模块的电路原理图。

具体实施方式

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中在申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请；本申请的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

参阅图1所示，本实施例提供一种基于Hart通信技术的发电机电量变送器，包括数字采样单元、电能脉冲输出单元、主控单元、FSK调制解调单元、电流环单元、数字通信单元、显示单元和电源单元；所述数字采样单元用于测量数据，所述电能脉冲输出单元与数字采样单元连接，该电能脉冲输出单元用于对数字采样单元的输出电能脉冲信号进行放大整形和光电隔离输出，所述FSK调制解调单元与主控单元连接，该FSK调制解调单元用于收发Hart协议的数据，所述电流环单元与主控单元、FSK调制解调单元连接，该电流环单元用于输出4-20mA电流，所述数字通信单元与主控单元连接，该数字通信单元用于收发RS485电气协议的数据，所述显示单元与主控单元连接。

参阅图2所示，所述控制单元包括STM32单片机和存储器，所述STM32单片机IO口(即5脚、6脚)连接有退耦电容，所述STM32单片机的IO口模拟出单总线协议用于驱动所述电流环单元输出4-20mA电流。

其中，控制单元与数字采样单元通过插针的形式连接，负责采集数字采样单元的测量数据；FSK调制解调单元与控制单元以USART串口的方式进行物理连接，用来收发Hart协议的数据；数字式通信单元与控制单元以USART串口的方式进行物理连接，用来收发RS485电气协议的数据；显示单元采用SPI接口的形式与控制单元连接。

参阅图3-图5所示，所述的数字采样单元包括三相计量芯片U0，以及与三相计量芯片U0连接的电流互感器和电压互感器，所述三相计量芯片与主控单元连接，所述三相计量芯片还与电能脉冲输出单元连接。

三相计量芯片U0的型号为V9203，其测量速度最快更新速率为20ms，其是通过第40、41、42脚以SPI通讯协议将测量数据传输给主控单元，其第26脚通过一个三极管将放大后的电能脉冲信号进行输出。电流和电压互感器输出模拟信号分给通过标号为IAP、IBP、ICP、UAP、UBP、UCP的接口接入三相计量芯片U0中。

参阅图6-图8所示，所述的FSK调制解调单元包括HART调制解调器芯片、隔离电源模块以及数字信号隔离器，所述HART调制解调器芯片通过数字信号隔离器与主控单元连接，所述HART调制解调器芯片还与电流环单元连接，所述HART调制解调器芯片与工作电源之间连接隔离电源模块。

调制解调器芯片的型号为AD5700，负责与控制单元以USART串口的方式进行物理连接，实现将数字信号的收发。调制解调器芯片的14脚与4-20mA的输出端连接，负责发送和接收调制好的数字信号，为实现外部接口与系统电气隔离，隔离电源模块的型号为B0303S-W2R2，主要进行数字电源的隔离；数字信号隔离器采用了一片光电耦合器(型号为ISO7231CDWR)对串口USART进行了隔离，其中光电耦合器的输入连接制单元的串口USART接口，光电耦合器的输出端连接调制解调器芯片的输入。

参阅图9所示，所述的电流环单元包括电流环芯片U3、电源芯片U2和三极管Q1(型号为PZT3904)，所述电流环芯片U1的型号为DAC161P997，所述电源芯片U2的型号为TPS79801-Q1，外部的4-20mA信号输入正极连接电源芯片U2的输入端第8脚，负责将10～50V的电源降压为3.3V给电流环芯片U3供电；所述电流环芯片U3的第16脚与三家管Q1的基极连接，用以起到输出电流调节的作用；外部的4-20mA信号输入负极与电流环芯片U3的第9脚连接，电流环芯片U3的第13脚串联有电容C10，用来接收前诉hart协议FSK半双工调制解调器的调制信号。

参阅图10所示，所述电能脉冲输出单元包括光电耦合器U5和三极管Q2，三极管Q2的基极连接所述数字采样单元的三相计量芯片的第26脚，三极管Q2的发射极连接光电耦合器U5的输入端，负责前诉数字采样单元的输出电能脉冲信号进行放大整形后进行光电隔离输出。

参阅图11所示，所述数字通信单元包括型号为ISO3082的通信隔离芯片U10，通信隔离芯片U10的第1脚和第7、8脚分别连接接电源单元的正端和负端；通信隔离芯片U3的第3、4、5、6脚分连接控制单元的USART接口以及收发控制GPIO口；通信隔离芯片U3的第16脚和第9、10脚分别连接隔离电源的正端和负端；通信隔离芯片U3的第12、13脚为RS485接口的输出。

参阅图12和图13所示，所述的显示单元包括OLED液晶模块和按键模块，所述OLED液晶模块采用SPI接口协议与控制单元连接，所述按键模块包括四个独立按键，用来接收用户的操作按钮信息。

相比现有的发电机用电量变送器，本发明由于采用了在低频的4-20mA模拟信号上叠加幅度为0.5mA的音频数字信号进行双向数字通讯技术方案，在发电厂变送器屏柜进行技术改造时不需要进行线路改造，在原有4-20mA电流线路即可实现双向数字通讯，在不影响原有4-20mA的计量精度的基础上充分发挥了数字变送器的功效，并在此基础上可以删减一些不必要的电量变送器，从而有效地节省了设备投入成本及改造成本。

显然，以上所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例，附图中给出了本申请的较佳实施例，但并不限制本申请的专利范围。本申请可以以许多不同的形式来实现，相反地，提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容的理解更加透彻全面。尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本申请说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本申请专利保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于Hart通信技术的发电机电量变送器，其特征在于，包括数字采样单元、电能脉冲输出单元、主控单元、FSK调制解调单元、电流环单元、数字通信单元、显示单元和电源单元；所述数字采样单元用于测量数据，所述电能脉冲输出单元与数字采样单元连接，该电能脉冲输出单元用于对数字采样单元的输出电能脉冲信号进行放大整形和光电隔离输出，所述FSK调制解调单元与主控单元连接，该FSK调制解调单元用于收发Hart协议的数据，所述电流环单元与主控单元、FSK调制解调单元连接，该电流环单元用于输出4-20mA电流，所述数字通信单元与主控单元连接，该数字通信单元用于收发RS485电气协议的数据，所述显示单元与主控单元连接。

2.如权利要求1所述的基于Hart通信技术的发电机电量变送器，其特征在于，所述控制单元包括STM32单片机和存储器，所述STM32单片机的5脚、6脚连接有退耦电容，所述STM32单片机的IO口模拟出单总线协议用于驱动所述电流环单元输出4-20mA电流。

3.如权利要求1所述的基于Hart通信技术的发电机电量变送器，其特征在于，所述数字采样单元包括三相计量芯片，以及与三相计量芯片连接的电流互感器和电压互感器，所述三相计量芯片与主控单元连接，所述三相计量芯片还与电能脉冲输出单元连接。

4.如权利要求1所述的基于Hart通信技术的发电机电量变送器，其特征在于，所述FSK调制解调单元包括HART调制解调器芯片、隔离电源模块以及数字信号隔离器，所述HART调制解调器芯片通过数字信号隔离器与主控单元连接，所述HART调制解调器芯片还与电流环单元连接，所述HART调制解调器芯片与工作电源之间连接隔离电源模块。

5.如权利要求1所述的基于Hart通信技术的发电机电量变送器，其特征在于，所述电流环单元包括电流环芯片U3、电源芯片U2和三极管Q1，所述电流环芯片U1的型号为DAC161P997，所述电源芯片U2的型号为TPS79801-Q1，外部的4～20mA信号输入正极连接电源芯片U2的输入端第8脚，所述电流环芯片U3的第16脚与三家管Q1的基极连接，外部的4-20mA信号输入负极与电流环芯片U3的第9脚连接，电流环芯片U3的第13脚串联有电容C10。

6.如权利要求3所述的基于Hart通信技术的发电机电量变送器，其特征在于，所述电能脉冲输出单元包括光电耦合器U5和三极管Q2，三极管Q2的基极连接所述数字采样单元的三相计量芯片的第26脚，三极管Q2的发射极连接光电耦合器U5的输入端。

7.如权利要求1所述的基于Hart通信技术的发电机电量变送器，其特征在于，所述数字通信单元包括型号为ISO3082的通信隔离芯片U10，通信隔离芯片U10的第1脚和第7、8脚分别连接接电源单元的正端和负端；通信隔离芯片U3的第3、4、5、6脚分连接控制单元的USART接口以及收发控制GPIO口；通信隔离芯片U3的第16脚和第9、10脚分别连接隔离电源的正端和负端；通信隔离芯片U3的第12、13脚为RS485接口的输出。

8.如权利要求1所述的基于Hart通信技术的发电机电量变送器，其特征在于，所述显示单元包括OLED液晶模块和按键模块，所述OLED液晶模块采用SPI接口协议与控制单元连接，所述按键模块包括四个独立按键。