專利名稱：基于hart通訊的磁性位置物位計的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及ー種物體位置測量技木，特別涉及一種基于HART通訊的磁性位置物位計。
背景技術：
磁性位置物位計是根據(jù)浮力原理和磁性耦合作用研制而成。當被測容器中的液位升降時，液位計的浮球在導管上隨之升降，浮球內(nèi)磁鋼的磁力吸合導管中的干簧管，改變了電子線路的輸入阻抗，電流輸出隨之改變，達到測量液位的目的。磁性位置物位計是物位測量儀表的ー種，廣泛應用于電力、冶金、石化、輕紡、食品、醫(yī)藥等行業(yè)。隨著現(xiàn)場總線技術在エ業(yè)過程控制領域的應用，自動化系統(tǒng)的網(wǎng)絡化、總線化是大的趨勢，原有的磁性位置物位計通過4 20mA模擬信號控制，不能進行數(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)字信號和模擬信號的特點，在不影響模擬信號控制的前提下可以進行數(shù)字通訊，具有現(xiàn)場和遠程參數(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。目前具有HART協(xié)議的智能儀表在國內(nèi)市場上一直被國外公司的產(chǎn)品所壟斷，由于其高昂的價格和技術的壟斷，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)具有自主知識產(chǎn)權的基于HART通訊的磁性位置物位計具有很大的現(xiàn)實意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是針對現(xiàn)有的磁性位置物位計無法實現(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，在ニ線制磁性位置物位計基礎上増加了數(shù)字通信功能，采用Bell202 FSK信號標準，可使數(shù)字信號與模擬信號在互不干擾的情況下同時進行傳送，實現(xiàn)雙向通訊。本發(fā)明的技術方案為一種基于HART通訊的磁性位置物位計，包括采樣電路、電源電路、HART通訊接ロ電路、MCU控制單元和人機接ロ界面，人機接ロ界面接收外部設置指令，與MCU控制單元通訊，采樣電路采集物位信號后送入MCU控制單元，MCU控制單元計算處理數(shù)據(jù)后通過D/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為4 20mA模擬信號傳送出；HART通訊接ロ電路接收到外部的物位模擬信號后，解調(diào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號送MCU控制單元，MCU控制單元計算處理數(shù)據(jù)后通過D/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為4 20mA模擬信號傳送出，電源電路為各個單元電路供電。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)議采用標準的Bel 1202移頻鍵控信號以1200波特率進行通信。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，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、維護以及控制，從而節(jié)省了大量費用，同時又提高了磁性位置物位計的測量精度和利用率。


圖I為本發(fā)明基于HART通訊的磁性位置物位計原理 圖2為本發(fā)明基于HART通訊的磁性位置物位計中HART通信接口圖。
具體實施例方式
本發(fā)明通過采樣單元將物位信號轉(zhuǎn)換成對應的電信號，通過MCU控制電路單元對A/D采樣電路的控制得到物位值，進行數(shù)據(jù)處理和運算后，轉(zhuǎn)換成相應的4 20mA模擬輸出信號傳送至主控室接收；同時，HART通訊接口電路檢測到疊加在4 20mA直流信號上的外部控制信號，解調(diào)出疊加的數(shù)字信號，傳送給CPU進行處理；處理的結(jié)果經(jīng)過HART通訊接口電路調(diào)制轉(zhuǎn)換為HART信號要求的交變信號并疊加在直流信號上，從而實現(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)、設備組態(tài)、校準和組態(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由采樣電路、電源電路、HART通訊接口電路、MCU控制單元和人機接口界面組成，人機接口界面接收外部設置指令，與MCU控制單元通訊，采樣電路采集物位信號后送入MCU控制單元，MCU控制單元計算處理數(shù)據(jù)后通過D/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為4 20mA模擬信號傳送出；HART通訊接口電路接收到外部的物位模擬信號后，解調(diào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號送MCU控制單元，MCU控制單元計算處理數(shù)據(jù)后通過D/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為4 20mA模擬信號傳送出，電源電路為各個單兀電路供電。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IXD，高達60KB的FLASH存儲器以及2KB的RAM可以節(jié)省許多外圍芯片，大大簡化硬件電路設計。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，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、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計實現(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A5191的IRXA引腳上出現(xiàn)1200 (± 10)Hz或2200 (±20)Hz的頻率信號時，則A5191的O⑶腳為高電平，MCU從Pl. 6檢測到高電平后將Pl. 3置高電平，此時HART MODEM的INRTS腳檢測到高電平，打開解調(diào)器對檢測到的數(shù)字信號進行解調(diào)并將有效數(shù)據(jù)由ORXD傳送給MCU進行處理。若O⑶為低電平，說明總線空閑，這時MCU設定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)由運算放大器放大并經(jīng)過變壓器耦合到4 20mA直流信號上。HART協(xié)議采用標準的Bel 1202移頻鍵控信號以1200波特率進行通信。其物理層采用兩種不同頻率(1200Hz和2200Hz，分別代表2進制的I和O)的正弦信號，疊加在4 20mA信號上進行通信，由于正弦信號的均值為0，并不干擾直流信號。它可使模擬信號和數(shù)字信號能同時進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，即第一層物理層、第二層數(shù)據(jù)鏈路層和第七層應用層。物理層規(guī)定了信號的傳輸方法、傳輸介質(zhì)；數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定了 HART幀的格式，實現(xiàn)建立、維護、終結(jié)鏈路通訊功能；應用層規(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)場設備有關的功能，這些命令包括讀取制造廠家與設備類型；讀初始變量與単位；讀取電流輸出與量程的百分比；讀4個預定義的動態(tài)變量；讀寫8字符位號，16字符描述符，日期；讀寫32字符信息；讀量程、単位和阻尼時間常數(shù)；讀傳感器系列號和界限；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)場設備中的功能，但不是全部。包括讀總共4個動態(tài)變量的一組選擇；寫阻尼時間變量；寫量程；校準測定(置零、置最大量程)；設置固定的輸出電流；執(zhí)行自檢；執(zhí)行主機復位；調(diào)整初始變零；寫初始變量単位；調(diào)整數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器零點與増益；書寫傳送函數(shù)；書寫傳感器系列號；讀寫動態(tài)變 量賦值。專用命令提供只針對特殊的現(xiàn)場設備的功能，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，每傳送一個字符的時間接近10毫秒，所以軟件中采用中斷的方式收發(fā)數(shù)據(jù)，其余時間可以使CPU進入低功耗狀態(tài)或處理其它事務。MSP430的USART模塊的接收、發(fā)送緩存均可產(chǎn)生獨立的中斷，程序在該中斷中完成對HART信息幀的各種處理。在幀的接收過程中，每當檢測出異常，會自動設置相應狀態(tài)信息，程序在定時器中斷集中處理傳輸過程中出現(xiàn)的錯誤、延遲，井根據(jù)系統(tǒng)工作模式的不同調(diào)用相應的處理過程。信息幀的發(fā)送過程與此類似，當系統(tǒng)工作于成組模式時，定位器以一定的時間間隔不斷地檢測線路上是否有主機上傳的命令信息，如果沒有，會自動把設備運行的相關信息以HART信息幀的形式發(fā)送出去；如果恰有主機正在通信，則優(yōu)先執(zhí)行主機命令，或根據(jù)主機命令類型推遲或取消成組數(shù)據(jù)的發(fā)送。
權利要求
1.一種基于HART通訊的磁性位置物位計，其特征在于，包括采樣電路、電源電路、HART通訊接口電路、MCU控制單元和人機接口界面，人機接口界面接收外部設置指令，與MCU控制單元通訊，采樣電路采集物位信號后送入MCU控制單元，MCU控制單元計算處理數(shù)據(jù)后通過D/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為4 20mA模擬信號傳送出；HART通訊接口電路接收到外部的物位模擬信號后，解調(diào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號送MCU控制單元，MCU控制單元計算處理數(shù)據(jù)后通過D/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為4 20mA模擬信號傳送出，電源電路為各個單兀電路供電。
2.根據(jù)權利要求I所述基于HART通訊的磁性位置物位計，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)權利要求2所述基于HART通訊的磁性位置物位計，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)議采用標準的Bell202移頻鍵控信號以1200波特率進行通信。
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，采樣電路采集物位信號后送入MCU控制單元，MCU控制單元計算處理數(shù)據(jù)后通過D/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為4～20mA模擬信號傳送出；HART通訊接口電路接收到外部的物位模擬信號后，解調(diào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號送MCU控制單元，MCU控制單元計算處理數(shù)據(jù)后通過D/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為4～20mA模擬信號傳送出，電源電路為各個單元電路供電。此物位計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、維護以及控制，從而節(jié)省了大量費用，同時又提高了磁性位置物位計的測量精度和利用率。
文檔編號G01F23/30GK102706411SQ20121019674
公開日2012年10月3日 申請日期2012年6月15日 優(yōu)先權日2012年6月15日
發(fā)明者包偉華, 楊振榮, 王鑫, 許浩峰 申請人:上海自動化儀表股份有限公司