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電磁流量計手操器的設(shè)計

來源:開封市中儀流量儀表有限公司   2021年12月22日 08:55  

電磁流量計手操器的設(shè)計

電磁流量計手操器的設(shè)計
   摘.. 要.. 論述了HART 協(xié)議及其在現(xiàn)場儀表中的應(yīng)用, 介紹了手操器的發(fā)展及工作原理, 描述了所設(shè)計的基于HART 協(xié)議的電磁流量計手操器的硬件結(jié)構(gòu)、原理及軟件功能, 并在實踐中得到了成功的應(yīng)用。
  關(guān)鍵詞.. 手操器.. 電磁流量計.. HART 協(xié)議.. 串行通信
   0 .. 引言
   電磁流量計是利用法拉第電磁感應(yīng)定律測量導電流體的體積流量的儀表。由于安裝位置的限制, 在調(diào)試時采用手操器讀取儀表內(nèi)各參數(shù)以判斷運行情況就成了電磁流量計應(yīng)用的一大趨勢?,F(xiàn)場總線技術(shù)是當前自動檢測技術(shù)及過程控制領(lǐng)域的熱點之一, 通過現(xiàn)場總線, 數(shù)字通信技術(shù)正在給現(xiàn)場儀表及過程控制系統(tǒng)帶來巨大變革。但目前基于4 ~ 20mA 的模擬設(shè)備還廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制各個領(lǐng)域, 實現(xiàn)全數(shù)字化還不現(xiàn)實。為實現(xiàn)從模擬到全數(shù)字的過渡, 美國Rosemount 公司于1985 年推出了一種用于現(xiàn)場智能儀表與控制設(shè)備之間的通信協(xié)議.. HART 協(xié)議。HART 協(xié)議兼容模擬電流信號及數(shù)字通信信號, 既可進行模擬信號傳輸, 又能進行數(shù)字通信。作為一個開放性協(xié)議, 經(jīng)過十年多的發(fā)展, HART 協(xié)議已廣泛為智能儀表領(lǐng)域所接受。HART 通信泛的應(yīng)用是現(xiàn)場智能儀表與手持終端之間的通信。但手持終端并不適用于操作人員做常規(guī)監(jiān)控, 也不能實現(xiàn)用戶自編程序的自動控制過程, 本文針對這種情況設(shè)計了一種操作方便、能滿足用戶特殊要求、符合HART 通信標準的電磁流量計手操器, 并在現(xiàn)場測試中得到了實現(xiàn)。
   1 .. HART 協(xié)議結(jié)構(gòu)模型簡介
   HART 協(xié)議采用在4~ 20mA 模擬信號上疊加音頻數(shù)字信號的方法進行雙向數(shù)字通信, 不會影響傳送的系統(tǒng)模擬信號大小, 保證了與現(xiàn)有模擬系統(tǒng)的兼容性。HART 協(xié)議遵循ISO 制訂的OSI 開放式系統(tǒng)互連參考模型中的層、第二層、第七層, 即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層( 見圖1) 。圖1 .. HART 通信協(xié)議模型
   1. 1 .. 物理層
   物理層規(guī)定了信號的傳輸方法和傳輸媒質(zhì)。HART 通信傳輸基于Bell202 通信標準, 采用頻移鍵控.. FSK 方法, 傳遞波特率設(shè)定為1200bps, 數(shù)字信號.. 0..和.. 1..分別用.. 2200Hz..和.. 1200Hz.. 的正弦波表示, 這些頻率疊加在模擬信號上傳遞。由于FSK 信號平均值為0, 不影響模擬信號傳輸, 傳輸介質(zhì)通常采用雙絞電纜線, 傳輸距離為1500m( 見圖2) 。圖2 .. HART 信號傳輸標準
   1. 2 .. 數(shù)據(jù)鏈路層
   數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定了HART 幀的格式, 實現(xiàn)建立、維護、終結(jié)鏈路通信功能。HART 協(xié)議采用自動重復請求發(fā)送機制, 根據(jù)冗余糾錯碼信息實現(xiàn)通信數(shù)據(jù)的無差錯傳遞。
主設(shè)備..從設(shè)備的數(shù)據(jù)幀格式FF FF 定界符地址命令字節(jié)計數(shù)數(shù)據(jù)校驗字節(jié)從設(shè)備..主設(shè)備的回應(yīng)數(shù)據(jù)幀格式FF FF 定界符地址命令字節(jié)計數(shù)響應(yīng)數(shù)據(jù)校驗字節(jié).. .. HART 協(xié)議采用2~ 20 個.. FF..作為給接收設(shè)備的同步信息, 所有主設(shè)備、從設(shè)備發(fā)送的幀均以一定數(shù)目的.. FF..字節(jié)開頭, 這些信號在物理層的協(xié)議實現(xiàn)中用于對調(diào)制解調(diào)電路系統(tǒng)進行預同步。通常HART 協(xié)議按主從方式通信, 通信由主設(shè)備發(fā)起, 從設(shè)備先聽后答。在點到點的通信中, 電磁流量計手操器即為主, 電磁流量計即為從。HART 幀以8 位(1 字節(jié)) 進行編碼, 對每字節(jié)加上起始位、奇偶校驗位及1 位停止位共11 位傳遞, 保證了每個字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐健?br>   2 .. 手操器的硬件設(shè)計
   2. 1 .. 基于HART 協(xié)議的硬件設(shè)計特點
   .. 手操器的軟硬件設(shè)計嚴格遵循HART 協(xié)議的技術(shù)規(guī)范, 應(yīng)用該手操器可以與其他符合HART 協(xié)議的設(shè)備進行數(shù)字通信, 具備良好的兼容性。.. 模擬所有運算均采用精度*的IEEE754 格式的浮點數(shù)運算, 精度可達0. 1%。
   2. 2 .. 硬件電路原理圖設(shè)計
   2. 2. 1 .. CPU
   根據(jù)HART 手操器的設(shè)計要求, 選擇了MCS- 51 系列中的89C51 單片機作為微處理器, 內(nèi)含128 字節(jié)RAM、4 個8 位并行I/ O 口、1 個全雙工的串行I/ O、2個16 位字時器和兩級優(yōu)先權(quán)的5 個中斷源。89C51 指令系統(tǒng)含大量算數(shù)運算、邏輯判斷、轉(zhuǎn)移及位操作指令, 非常適合本設(shè)計的要求。根據(jù)系統(tǒng)程序的大小, 本設(shè)計采用EPROM27256 作為手操器的程序存儲器, 程序空間32k。HART 手操器原理圖如圖3 所示。圖3 .. HART 手操器原理圖
   2. 2. 2 .. HART 調(diào)制解調(diào)器A5191HRT
   A5191HRT 是專為實現(xiàn)HART 協(xié)議而設(shè)計的低功耗調(diào)制解調(diào)器, 它幾乎包含所有在4~ 20mA 模擬現(xiàn)場儀表上疊加HART 協(xié)議所需的電路, 只需外接少量元件即可構(gòu)成HART 協(xié)議的完整應(yīng)用。它共有時鐘模塊、調(diào)制器模塊、解調(diào)器模塊和載波檢測模塊等4 個功能模塊。.. 調(diào)制當INRTS 引腳為低電平時, 調(diào)制器工作, 解調(diào)器關(guān)閉, 芯片接收CPU 送到ITXD 引腳的不歸零碼(NRZ) 數(shù)字信號并調(diào)制成FSK 信號后由OTXA 引腳輸出。ITXD 為低電平時, OTXA 輸出2200Hz 信號; ITXD 為高電平時, OTXA 輸出1200Hz 信號。發(fā)送信號波特率為1200bps。應(yīng)用線路圖如圖4 所示。圖4.. HART 調(diào)制解調(diào)器應(yīng)用線路圖.. 解調(diào)當INRTS 引腳為高電平時, 解調(diào)器工作, 調(diào)制器關(guān)閉。接收到的信號需經(jīng)過一個帶通濾波器, 這個濾波器部分集成在芯片內(nèi), 部分外接。A5191HRT 需要IAREF 和ICDREF 兩個參考電壓源: IAREF 為芯片內(nèi)部的放大器和比較器提供電壓基準, 正常為1. 235V; ICDREF 用于載波檢測, 應(yīng)比IAREF 低0. 08V, 見圖5。圖5.. HART 調(diào)制解調(diào)器解調(diào)過程.. 載波檢測當IRXAC 的電壓小于ICDREF 時, 比較器的CDCMP 輸出邏輯電平并被引入一個載波檢測模塊。當INRTS 為高且有4 個連續(xù)脈沖到達時,OCD 腳置高, 下一個有效脈沖必須在2. 5ms 內(nèi)被接收才能使OCD 保持高電平。載波檢測用于對HART 幀信號同步信號的檢測。.. 時鐘芯片正常工作需要460. 8KHz 的時鐘信號, 由引腳OXTL 和IXTL 間連接1 個晶體諧振器實現(xiàn)。
   3 .. 系統(tǒng)的軟件模塊設(shè)計
   在點- 點HART 協(xié)議智能電磁流量計的設(shè)計中采用的
是主從結(jié)構(gòu), 主機即為手操器, 從機即為電磁流量計。從機的主程序流程圖如圖6 所示。圖6.. HART 電磁流量計主程序流程圖根據(jù)流量變送器的程序流程, 從機的A5191HRT 初始化應(yīng)設(shè)定為解調(diào)接收狀態(tài), 相應(yīng)主機即手操器的A5191HRT 初始化應(yīng)設(shè)定為調(diào)制發(fā)送狀態(tài)。HART 的數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定了數(shù)據(jù)幀格式和數(shù)據(jù)通信規(guī)程, 其通信是按字節(jié)接收和發(fā)送的, 格式如下: 起始位0 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 奇偶校驗停止位1 .. .. 規(guī)定在發(fā)送一個通信幀時, 每兩個字符之間的發(fā)送間隔GAP 不能大于一個發(fā)送字節(jié)幀的時間9. 167ms (1200s .. 11) 。數(shù)據(jù)幀由若干字節(jié)組成, HART 幀分為長幀和短幀兩種, 但均遵循如下格式: 序文起始字符地址命令號字節(jié)數(shù)通信狀態(tài)通信數(shù)據(jù)檢驗碼圖7 .. HART 電磁流量計手操器主程序流程圖.. .. 序文由兩個或兩個以上的.. FF..組成, 主要用于MODEM 接收時的幀同步; 起始字符一個字節(jié), 包括源地址和目的地址; 命令號一個字節(jié), 代表HART 的命令序號; 檢驗碼一個字節(jié)用于校驗接收數(shù)據(jù)的正確性。電磁流量計手操器主程序流程如圖7 所示, 中斷程序流程如圖8 所示。圖8.. HART 電磁流量計手操器中斷程序流程圖.. .. 電磁流量計的HART 協(xié)議手操器中設(shè)置了4 個參數(shù)顯示屏幕: 累積流量、瞬時流量、密度、儀表零點等4 個主變量為一屏; 阻尼時間、流量、小信號切除、儀表號為第二屏參數(shù); 非線性修正參數(shù)占據(jù)了第三、四屏。
   4 .. 結(jié)束語
   基于HART 協(xié)議的儀表與傳統(tǒng)4~ 20mA 標準的儀表具有兼容性, 有著廣泛的應(yīng)用空間。手操器正是與之相配套的產(chǎn)品, 具有操作靈活、使用簡單的優(yōu)點。本設(shè)計在大港油田的現(xiàn)場調(diào)試獲得成功。實踐證明, 本電磁流量計手操器的設(shè)計較好地滿足了電磁流量計現(xiàn)場調(diào)試的要求, 其功能滿足了客戶的需要。
   參考文獻1 .. 陽憲惠. 現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用. 清華大學出版社, 1999 2 .. 張毅剛, 等.MCS- 51 單片機應(yīng)用設(shè)計[ M] . 工業(yè)大學出版社, 2001 3 .. 丁方臣. 基于HART 協(xié)議的智能變送器的應(yīng)用[ J ] . 自動化博覽, 2002. 1 4 .. 韓琳, 王淑鈞. 基于HART 協(xié)議的智能現(xiàn)場通訊器的設(shè)計[ J] . 應(yīng)用科技, 2002. 11 --擴展閱讀:開封中儀流量儀表有限公司專業(yè)生產(chǎn)電磁流量計、孔板流量計、渦街流量計、文丘里流量計、v錐流量計、v型錐流量計、噴嘴流量計、插入式電磁流量計、智能電磁流量計、分體式電磁流量計、一體式電磁流量計、標準孔板流量計、標準孔板、一體化孔板流量計、標準噴嘴流量計、長徑噴嘴流量計、標準噴嘴、長徑噴嘴、插入式渦街流量計、智能渦街流量計、錐型流量計、v錐型流量計、節(jié)流裝置、節(jié)流孔板、限流孔板等流量產(chǎn)品,更多有關(guān)電磁流量計、孔板流量計、渦街流量計的信息請訪問開封中儀網(wǎng)站:
 

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