專利名稱：基于hart通訊的磁性位置物位計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種物體位置測(cè)量技木，特別涉及一種基于HART通訊的磁性位置物位計(jì)。
背景技術(shù)：
磁性位置物位計(jì)是根據(jù)浮力原理和磁性耦合作用研制而成。當(dāng)被測(cè)容器中的液位升降時(shí)，液位計(jì)的浮球在導(dǎo)管上隨之升降，浮球內(nèi)磁鋼的磁力吸合導(dǎo)管中的干簧管，改變了電子線路的輸入阻抗，電流輸出隨之改變，達(dá)到測(cè)量液位的目的。磁性位置物位計(jì)是物位測(cè)量儀表的ー種，廣泛應(yīng)用于電力、冶金、石化、輕紡、食品、醫(yī)藥等行業(yè)。隨著現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在エ業(yè)過程控制領(lǐng)域的應(yīng)用，自動(dòng)化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化、總線化是大的趨勢(shì)，原有的磁性位置物位計(jì)通過4 20mA模擬信號(hào)控制，不能進(jìn)行數(shù)字通訊，不能滿足現(xiàn)代エ業(yè)系統(tǒng)的要求。由于HART協(xié)議具有兼容數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)的特點(diǎn)，在不影響模擬信號(hào)控制的前提下可以進(jìn)行數(shù)字通訊，具有現(xiàn)場(chǎng)和遠(yuǎn)程參數(shù)監(jiān)控功能，在降低系統(tǒng)成本、提高控制精度和系統(tǒng)可靠性方面具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)。目前具有HART協(xié)議的智能儀表在國內(nèi)市場(chǎng)上一直被國外公司的產(chǎn)品所壟斷，由于其高昂的價(jià)格和技術(shù)的壟斷，使國內(nèi)企業(yè)的生產(chǎn)成本大大增加，降低了企業(yè)的競爭能力，因此研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的基于HART通訊的磁性位置物位計(jì)具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是針對(duì)現(xiàn)有的磁性位置物位計(jì)無法實(shí)現(xiàn)數(shù)字通訊的問題，提出了一種基于HART通訊的磁性位置物位計(jì)，在ニ線制磁性位置物位計(jì)基礎(chǔ)上増加了數(shù)字通信功能，采用Bell202 FSK信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)，可使數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)在互不干擾的情況下同時(shí)進(jìn)行傳送，實(shí)現(xiàn)雙向通訊。本發(fā)明的技術(shù)方案為一種基于HART通訊的磁性位置物位計(jì)，包括采樣電路、電源電路、HART通訊接ロ電路、MCU控制單元和人機(jī)接ロ界面，人機(jī)接ロ界面接收外部設(shè)置指令，與MCU控制單元通訊，采樣電路采集物位信號(hào)后送入MCU控制單元，MCU控制單元計(jì)算處理數(shù)據(jù)后通過D/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為4 20mA模擬信號(hào)傳送出；HART通訊接ロ電路接收到外部的物位模擬信號(hào)后，解調(diào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送MCU控制單元，MCU控制單元計(jì)算處理數(shù)據(jù)后通過D/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為4 20mA模擬信號(hào)傳送出，電源電路為各個(gè)單元電路供電。所述HART通訊接ロ電路包括MCU接ロ和變壓器耦合接ロ，MCU本身帶有串ロ可作為與HART MODEM的通訊接ロ。所述HART通訊接ロ電路中MCU接ロ選用A5191芯片，A5191芯片內(nèi)HART協(xié)議采用標(biāo)準(zhǔn)的Bel 1202移頻鍵控信號(hào)以1200波特率進(jìn)行通信。本發(fā)明的有益效果在干本發(fā)明基于HART通訊的磁性位置物位計(jì)，原有的電纜布置和控制策略可繼續(xù)發(fā)揮作用；其次，可增加額外的數(shù)字信息，便于安裝、調(diào)校、維護(hù)以及控制，從而節(jié)省了大量費(fèi)用，同時(shí)又提高了磁性位置物位計(jì)的測(cè)量精度和利用率。


圖I為本發(fā)明基于HART通訊的磁性位置物位計(jì)原理 圖2為本發(fā)明基于HART通訊的磁性位置物位計(jì)中HART通信接口圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明通過采樣單元將物位信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，通過MCU控制電路單元對(duì)A/D采樣電路的控制得到物位值，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算后，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的4 20mA模擬輸出信號(hào)傳送至主控室接收；同時(shí)，HART通訊接口電路檢測(cè)到疊加在4 20mA直流信號(hào)上的外部控制信號(hào)，解調(diào)出疊加的數(shù)字信號(hào)，傳送給CPU進(jìn)行處理；處理的結(jié)果經(jīng)過HART通訊接口電路調(diào)制轉(zhuǎn)換為HART信號(hào)要求的交變信號(hào)并疊加在直流信號(hào)上，從而實(shí)現(xiàn)與外界信息的數(shù)字通訊。本發(fā)明中，主要的變量和控制信息由4 20mA傳送，在需要的情況下，其他過程 參數(shù)、設(shè)備組態(tài)、校準(zhǔn)和組態(tài)信息通過HART協(xié)議以數(shù)字通信的方式訪問。如圖I所示原理圖，基于HART通訊的磁性位置物位計(jì)由采樣電路、電源電路、HART通訊接口電路、MCU控制單元和人機(jī)接口界面組成，人機(jī)接口界面接收外部設(shè)置指令，與MCU控制單元通訊，采樣電路采集物位信號(hào)后送入MCU控制單元，MCU控制單元計(jì)算處理數(shù)據(jù)后通過D/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為4 20mA模擬信號(hào)傳送出；HART通訊接口電路接收到外部的物位模擬信號(hào)后，解調(diào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送MCU控制單元，MCU控制單元計(jì)算處理數(shù)據(jù)后通過D/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為4 20mA模擬信號(hào)傳送出，電源電路為各個(gè)單兀電路供電。MCU控制單元MCU控制單元內(nèi)部集成12位AD轉(zhuǎn)換器、具有超低功耗并可以直接驅(qū)動(dòng)IXD，高達(dá)60KB的FLASH存儲(chǔ)器以及2KB的RAM可以節(jié)省許多外圍芯片，大大簡化硬件電路設(shè)計(jì)。HART通信接口電路該接口用MCU和HART MODEM芯片開發(fā)基于HART通訊的磁性位置物位計(jì)，簡單方便，縮小了空間和成本。HART MODEM的主要功能模塊由控制邏輯、載波檢測(cè)、調(diào)制和解調(diào)四部分組成。它集成了輸入濾波和輸出整形的功能，可以簡化接口電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可靠性。HART通訊接口電路主要由MCU接口和變壓器耦合接口構(gòu)成。MCU本身帶有串口可作為其與HART MODEM的通訊接口，如圖2所示。當(dāng)A5191的IRXA引腳上出現(xiàn)1200 (± 10)Hz或2200 (±20)Hz的頻率信號(hào)時(shí)，則A5191的O⑶腳為高電平，MCU從Pl. 6檢測(cè)到高電平后將Pl. 3置高電平，此時(shí)HART MODEM的INRTS腳檢測(cè)到高電平，打開解調(diào)器對(duì)檢測(cè)到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行解調(diào)并將有效數(shù)據(jù)由ORXD傳送給MCU進(jìn)行處理。若O⑶為低電平，說明總線空閑，這時(shí)MCU設(shè)定Pl. 3也為低電平，則A5191的調(diào)制器打開，將從ITXD接收的數(shù)據(jù)調(diào)制整形后由OTXA引腳發(fā)送。由OTXA發(fā)送的數(shù)據(jù)由運(yùn)算放大器放大并經(jīng)過變壓器耦合到4 20mA直流信號(hào)上。HART協(xié)議采用標(biāo)準(zhǔn)的Bel 1202移頻鍵控信號(hào)以1200波特率進(jìn)行通信。其物理層采用兩種不同頻率(1200Hz和2200Hz，分別代表2進(jìn)制的I和O)的正弦信號(hào)，疊加在4 20mA信號(hào)上進(jìn)行通信，由于正弦信號(hào)的均值為0，并不干擾直流信號(hào)。它可使模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)能同時(shí)進(jìn)行雙向通信而不互相干擾。
本發(fā)明采用的是半雙エ的通信，采用簡化的三層模型結(jié)構(gòu)，即第一層物理層、第二層數(shù)據(jù)鏈路層和第七層應(yīng)用層。物理層規(guī)定了信號(hào)的傳輸方法、傳輸介質(zhì)；數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定了 HART幀的格式，實(shí)現(xiàn)建立、維護(hù)、終結(jié)鏈路通訊功能；應(yīng)用層規(guī)定HART命令集。命令分為三類，即通用命令、普通命令和專用命令。通用命令提供了所有與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備有關(guān)的功能，這些命令包括讀取制造廠家與設(shè)備類型；讀初始變量與単位；讀取電流輸出與量程的百分比；讀4個(gè)預(yù)定義的動(dòng)態(tài)變量；讀寫8字符位號(hào)，16字符描述符，日期；讀寫32字符信息；讀量程、単位和阻尼時(shí)間常數(shù)；讀傳感器系列號(hào)和界限；讀寫最末的裝配零件數(shù)字；寫輪詢地址。常用命令提供常見的多種現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中的功能，但不是全部。包括讀總共4個(gè)動(dòng)態(tài)變量的一組選擇；寫阻尼時(shí)間變量；寫量程；校準(zhǔn)測(cè)定(置零、置最大量程)；設(shè)置固定的輸出電流；執(zhí)行自檢；執(zhí)行主機(jī)復(fù)位；調(diào)整初始變零；寫初始變量単位；調(diào)整數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器零點(diǎn)與増益；書寫傳送函數(shù)；書寫傳感器系列號(hào)；讀寫動(dòng)態(tài)變 量賦值。專用命令提供只針對(duì)特殊的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的功能，是本發(fā)明自已所特有的，不互相兼容。由于HART協(xié)議規(guī)定的數(shù)據(jù)傳送速率是1200bit/s，每傳送一個(gè)字符的時(shí)間接近10毫秒，所以軟件中采用中斷的方式收發(fā)數(shù)據(jù)，其余時(shí)間可以使CPU進(jìn)入低功耗狀態(tài)或處理其它事務(wù)。MSP430的USART模塊的接收、發(fā)送緩存均可產(chǎn)生獨(dú)立的中斷，程序在該中斷中完成對(duì)HART信息幀的各種處理。在幀的接收過程中，每當(dāng)檢測(cè)出異常，會(huì)自動(dòng)設(shè)置相應(yīng)狀態(tài)信息，程序在定時(shí)器中斷集中處理傳輸過程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤、延遲，井根據(jù)系統(tǒng)工作模式的不同調(diào)用相應(yīng)的處理過程。信息幀的發(fā)送過程與此類似，當(dāng)系統(tǒng)工作于成組模式時(shí)，定位器以一定的時(shí)間間隔不斷地檢測(cè)線路上是否有主機(jī)上傳的命令信息，如果沒有，會(huì)自動(dòng)把設(shè)備運(yùn)行的相關(guān)信息以HART信息幀的形式發(fā)送出去；如果恰有主機(jī)正在通信，則優(yōu)先執(zhí)行主機(jī)命令，或根據(jù)主機(jī)命令類型推遲或取消成組數(shù)據(jù)的發(fā)送。
權(quán)利要求
1.一種基于HART通訊的磁性位置物位計(jì)，其特征在于，包括采樣電路、電源電路、HART通訊接口電路、MCU控制單元和人機(jī)接口界面，人機(jī)接口界面接收外部設(shè)置指令，與MCU控制單元通訊，采樣電路采集物位信號(hào)后送入MCU控制單元，MCU控制單元計(jì)算處理數(shù)據(jù)后通過D/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為4 20mA模擬信號(hào)傳送出；HART通訊接口電路接收到外部的物位模擬信號(hào)后，解調(diào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送MCU控制單元，MCU控制單元計(jì)算處理數(shù)據(jù)后通過D/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為4 20mA模擬信號(hào)傳送出，電源電路為各個(gè)單兀電路供電。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述基于HART通訊的磁性位置物位計(jì)，其特征在于，所述HART通訊接口電路包括MCU接口和變壓器耦合接口，MCU本身帶有串口可作為與HART MODEM的通訊接口。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述基于HART通訊的磁性位置物位計(jì)，其特征在于，所述HART通訊接口電路中MCU接口選用A5191芯片，A5191芯片內(nèi)HART協(xié)議采用標(biāo)準(zhǔn)的Bell202移頻鍵控信號(hào)以1200波特率進(jìn)行通信。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于HART通訊的磁性位置物位計(jì)，采樣電路采集物位信號(hào)后送入MCU控制單元，MCU控制單元計(jì)算處理數(shù)據(jù)后通過D/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為4～20mA模擬信號(hào)傳送出；HART通訊接口電路接收到外部的物位模擬信號(hào)后，解調(diào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送MCU控制單元，MCU控制單元計(jì)算處理數(shù)據(jù)后通過D/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為4～20mA模擬信號(hào)傳送出，電源電路為各個(gè)單元電路供電。此物位計(jì)原有的電纜布置和控制策略可繼續(xù)發(fā)揮作用；其次，可增加額外的數(shù)字信息，便于安裝、調(diào)校、維護(hù)以及控制，從而節(jié)省了大量費(fèi)用，同時(shí)又提高了磁性位置物位計(jì)的測(cè)量精度和利用率。
文檔編號(hào)G01F23/30GK102706411SQ20121019674
公開日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2012年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月15日
發(fā)明者包偉華, 楊振榮, 王鑫, 許浩峰 申請(qǐng)人:上海自動(dòng)化儀表股份有限公司