CN114544067A - 一种运用apl技术的二线制智能压力变送器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种运用APL技术的二线制智能压力变送器，包括嵌入式微处理器、模数转换电路、以太网接口、电源及基准电路、显示模块、二线制以太网通信模块、本安限能模块、压力传感器、存储器、温度传感器。所述压力传感器、模数转换电路通过UART串行接口与所述嵌入式微处理器进行数据通信，用于接收并处理信号。所述温度传感器与所述嵌入式微处理器连接，用于测量环境温度以修正压力值。通过采用上述技术方案，本发明提供的智能压力变送器具有以下优点：结构简单、节约成本、安装简便，让仪表在一对双绞线上实现数据和功率的并行传输，对推动我国仪器仪表在工业物联网中的互联互通应用具有重要意义和加速作用。

Description

一种运用APL技术的二线制智能压力变送器

技术领域

本发明涉及仪器仪表及工业以太网通信领域中的压力变送器，尤其涉及一种运用APL技术的二线制智能压力变送器。

背景技术

压力变送器是工业中用于监控过程和压力变化的重要元件，是工业现场常用的一次仪表，是工业控制系统中的基本单元。压力变送器用于测量液体、气体或蒸汽的液位、密度和压力，然后将压力信号转换为可传送的标准化输出信号。随着电子科学技术的不断发展，流程工业对压力变送器的以太网传输有特殊要求，要求主干网的传输距离长达1000米，分支的传输距离也要200米，而且还有防爆和本安的特殊要求。传统4～20mA电流环技术和PA/FF等数字电流环技术具有抗干扰能力强、传输距离远、支持两线制供电等优点，但属于专用通信技术，需要通过网关接入以太网；普通10M/100M以太网技术能够实现从顶层到底层的一网到底、互联互通，但只能实现100米范围内的数据传输，若要通过有源以太网(PoE)技术对设备供电，至少需要4根线，不符合工业现场常用的两线制供电习惯。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供了一种运用APL技术的二线制智能压力变送器，让仪表在一对双绞线上实现数据和功率的并行传输。

二线制以太网传输技术是一种物理层信号传输技术，通过一对双绞线在以太网上实现高性能的全双工数据传输，同时具备前述两种技术的优点，在流程行业具有良好前景。先进物理层(APL)是加固的、二线制、回路供电的以太网物理层，采用2019年发布的IEEE802.3cg协议10BASED-T1L，速率为10Mbps。运用APL可以把现场设备直接与以太网系统相连，并可根据需要借助数据线供电(PoDL)技术为设备供电，在一对双绞线上实现数据和功率的并行传输。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种运用APL技术的二线制智能压力变送器，包括嵌入式微处理器、模数转换电路、以太网接口、电源及基准电路、显示模块、二线制以太网通信模块、本安限能模块、压力传感器、存储器、温度传感器。

所述压力传感器、模数转换电路通过UART串行接口与所述嵌入式微处理器进行数据通信，用于接收并处理信号。

所述温度传感器与所述嵌入式微处理器连接，用于测量环境温度以修正压力值。

所述二线制以太网通信模块选用YT8510H物理层接口芯片，所述嵌入式微处理器通过所述二线制以太网通信模块经由所述以太网接口依据10BASE-T1L协议与以太网连接，用于进行数据交互。

所述嵌入式微处理器采用32位AM335X处理器，所述压力传感器、温度传感器、模数转换电路通过UART串行接口与所述AM335X处理器进行数据通信。

所述嵌入式微处理器与所述显示模块连接，用于在LCD屏幕上显示仪表信息。

所述嵌入式微处理器与所述存储器连接，用于存储数据。

所述智能压力变送器包括一电源及基准电路，所述电源及基准电路与所述以太网接口、所述本安限能模块连接，用于为其他电路供电。

所述智能压力变送器还包括一电子单元仓，所述电子单元仓与所述压力传感器、所述温度传感器连接。

所述嵌入式微处理器、模数转换电路、以太网接口、电源及基准电路、显示模块、二线制以太网通信模块、本安限能模块、存储器设置在所述电子单元仓内。

所述本安限能模块用于将所述电源及基准电路的供电限制在0区规定的范围内。

所述二线制以太网通信模块，通过其内置的I2C接口连接到所述嵌入式微处理器1的内置介质访问控制(MAC)。

通过采用上述技术方案，本发明提供的智能压力变送器具有以下优点：

(1)结构简单：任意基于以太网的协议或应用均可使用，支持广泛用于现场总线的主干和分叉拓扑，实现从云端一直到传感器节点的基于互联网协议(IP)的端到端通信，主干网在10Mbps速率下最长传输距离达1000米，分支的传输距离为200米，满足工业现场仪表沿用至今的两线制要求和特殊的防爆及本安要求，也为预测性维护提供灵活性。

(2)节约成本：单位节点成本低，既可以用于太网线替换成本较高的光缆，也可利用已在现场敷设的现有双绞线电缆，设备操作和维护变得更加高效。直接集成以太网，取代或精简某些现场总线协议，无需复杂的网关解决方案，节省浪费在不同设备不同协议的转换上的成本。

(3)安装简便：实施新的工程时，安装快速方便。可以方便地将压力变送器集成到现有的以太网环境中，无需附加的网关和接口，与任意IT网络实现透明连接。以太网还可以简化设备的参数设置、初始化以及编程。

为流程行业现场仪表传输需求场景量身定做的运用APL技术的二线制智能压力变送器，有助于工业数据从顶层到底层的一网到底，对推动我国仪器仪表在工业物联网中的互联互通应用具有重要意义和加速作用。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

图1为本发明运用APL技术的二线制智能压力变送器的硬件原理框图；

图2为本发明专运用APL技术的二线制智能压力变送器的软件架构框图；

图3为利用本发明实现二线制以太网通信的工业控制网络拓扑图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本方案做进一步说明，借此本方案的优点和技术特征将更加明显。应当理解，本发明附图均采用非精确比率，仅用于说明本方案的目的。

参照图1系统硬件原理框图所示，本发明提出了一种运用APL技术的二线制智能压力变送器，包括嵌入式微处理器1、模数转换电路2、以太网接口3、电源及基准电路4、显示模块5、二线制以太网通信模块6、本安限能模块7、压力传感器8、存储器9、温度传感器10。其特征在于：所述压力传感器8、温度传感器10及模数转换电路2与所述嵌入式微处理器1连接；所述以太网接口3通过所述与所述二线制以太网通信模块6与嵌入式微处理器1连接，并通过10BASE-T1L协议连接到以太网；所述显示模块5、所述存储器9与所述嵌入式微处理器1连接；所述电源及基准电路4与所述以太网接口3、所述本安限能模块7连接。所述智能压力变送器还包括一电子单元仓，所述嵌入式微处理器1、模数转换电路2、以太网接口3、电源及基准电路4、显示模块5、二线制以太网通信模块6、本安限能模块7、存储器9设置在所述电子单元仓内，所述电子单元仓与压力传感器8、所述温度传感器10连接。

所述嵌入式微处理器1内执行参数处理、运算、存储以及与工业以太网的数据交互。在本实施例中，所述微处理器采用32位处理器AM335X。AM335X是最具性价比的Cortex-A8处理芯片，ARM集成2个MAC，同时支持3个操作系统Linux、Android、WinCE，该处理器将压力、温度、告警等信息经由以太网接口3发送至工业以太网。选择该芯片作为核心芯片，可最大程度减少操作系统、TCP/IP协议栈移植及设备驱动开发方面的风险，加速产品开发进程。

所述模数转换电路2通过UART串行接口与AM335X处理器进行数据通信，模数转换电路2最主要的功能是将采集于压力传感器8上的信号滤波、放大、转换后转换为数字信号。

所述以太网接口3，通过以太网与上层控制设备进行数据通信，可提供完善的数据传输服务，实现测量数据、工作状态、健康状况等信息的实时传输；同时所述以太网接口3还通过带DC/DC转换器的PoDL为所述电源及基准电路4供电。

所述电源及基准电路4用于提供压力变送器各模块所需的电量。

所述显示模块5用于实时显示测量的压力、温度值及微处理器提供的告警信息。

所述二线制以太网通信模块6，其内置的I2C接口连接到所述嵌入式微处理器1的内置介质访问控制(MAC)，用于将数据经由所述以太网接口3依据10BASE-T1L协议与以太网连接交互。在本实施例中，选用YT8510H物理层接口芯片。YT8510H是一款单口、低功耗10M/100M以太网PHY收发器。YT8510H兼容2.5v/3.3v MII、RMII、RGMII接口，并且支持单对线上10M/100M长距离数据传输。

所述本安限能模块7用于将所述电源及基准电路4的供电限制在0区(Zone0，即连续或长时间存在爆炸性气体混合物的场所)规定的范围内。

所述压力传感器8通过连接到所述电子单元仓，用于采集压力信号。

所述存储器9与所述嵌入式微处理器1连接，用于存储数据。

所述温度传感器10用于测量环境温度，以修正温度对压力值产生的影响。

请参照图2，示出通过运用APL技术的二线制智能压力变送器的软件架构框图。如图2所示，二线制以太网数据通信模块能够通过两种方式与嵌入式实时操作系统及硬件驱动接口进行通信，一种是在数据通信模块内部进行实时数据处理与历史数据存储，通过符合IEC61499标准的功能块与操作系统进行通信，功能块能够利用其内部所包含的各项数据处理及通信功能和调用功能块库中的功能块完成这一操作；另一种是通过IPV6资源映射模块将数据映射到信息模型接口，再通过语义信息模型在符合TCP/IP通信协议的格式下与实时操作系统及硬件驱动接口进行数据通信。

请参照图3，示出通过运用APL技术的二线制智能压力变送器实现基于工业以太网10BASE-T1L协议通信的工业控制网络拓扑图。此工业控制网络包括上层控制设备(PC机、笔记本、平板电脑、智能手机等)、中层网络附件(10BASE-T1L功率交换机、10BASE-T1L现场交换机等，选用的二线制以太网交换机应满足如下要求：具有部分IEEE802.3u接口、具有部分IEEE802.3bu接口、符合IEEE802.3bu标准的接口、支持PoDL功能)和运用APL技术的二线制智能压力变送器。通过10BASE-T1L协议连接到工业以太网中的以太网接口3接收到上层控制设备下发的消息后，经过二线制以太网通信模块6内置的I2C接口连接到嵌入式微处理器1的内置MAC，对数据包进行解析，然后启动压力、温度采集及转换单元进行相应的执行和处理。处理完成后，采集压力传感器8的初始信号，经模数转换电路2滤波、放大、转换后送至嵌入式微处理器1，经过温度补偿修正后，嵌入式微处理器1按照10BASE-T1L协议的要求对数据进行计算和处理，并封装数据应答帧。运行在0区的智能压力变送器通过以太网接口3经由本安支路将应答数据上传到10BASE-T1L现场交换机，10BASE-T1L现场交换机再经由增安干路与10BASE-T1L功率交换机交互，最终通过工业以太网发送至上层控制设备，一次压力采集结束。

以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍在本发明的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种运用APL技术的二线制智能压力变送器，其特征在于：包括嵌入式微处理器、模数转换电路、以太网接口、电源及基准电路、显示模块、二线制以太网通信模块、本安限能模块、压力传感器、存储器、温度传感器；所述嵌入式微处理器与所述显示模块连接，用以在LCD屏幕上显示仪表信息；所述嵌入式微处理器与所述存储器连接，用以存储数据。

2.根据权利要求1所述的一种运用APL技术的二线制智能压力变送器，其特征在于：所述压力传感器、所述温度传感器、所述模数转换电路通过UART串行接口与所述嵌入式微处理器进行数据通信，用于接收并处理信号。

3.根据权利要求1所述的一种运用APL技术的二线制智能压力变送器，其特征在于：所述智能压力变送器包括一以太网接口，所述嵌入式微处理器通过所述二线制以太网通信模块经由该以太网接口依据10BASE-T1L协议与以太网连接，用以进行数据交互。

4.根据权利要求3所述的一种运用APL技术的二线制智能压力变送器，其特征在于：所述智能压力变送器包括一电源及基准电路，所述电源及基准电路与所述以太网接口、所述本安限能模块连接，用于为其他电路供电。

5.根据权利要求4所述的一种运用APL技术的二线制智能压力变送器，其特征在于：所述智能压力变送器还包括一电子单元仓，所述电子单元仓与所述压力传感器、所述温度传感器连接。

6.根据权利要求5所述的一种运用APL技术的二线制智能压力变送器，其特征在于：所述嵌入式微处理器、所述模数转换电路、所述以太网接口、所述电源及基准电路、所述显示模块、所述二线制以太网通信模块、所述本安限能模块、所述存储器设置在所述电子单元仓内。

7.根据权利要求3所述的一种运用APL技术的二线制智能压力变送器，其特征在于：所述二线制以太网通信模块选用YT8510H物理层接口芯片，所述嵌入式微处理器通过所述二线制以太网通信模块经由所述以太网接口依据10BASE-T1L协议与以太网连接，用以进行数据交互。

8.根据权利要求2所述的一种运用APL技术的二线制智能压力变送器，其特征在于：所述嵌入式微处理器采用32位AM335X处理器，所述压力传感器、所述温度传感器、所述模数转换电路通过UART串行接口与所述AM335X处理器进行数据通信。

9.根据权利要求1所述的一种运用APL技术的二线制智能压力变送器，其特征在于：所述本安限能模块用于将所述电源及基准电路的供电限制在0区规定的范围内。

10.根据权利要求3所述的一种运用APL技术的二线制智能压力变送器，其特征在于：所述二线制以太网通信模块，通过其内置的I2C接口连接到所述嵌入式微处理器1的内置介质访问控制(MAC)。

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