智能電流變送器中HART調(diào)制解調(diào)器的實(shí)現(xiàn)方法
單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用
趙葵銀 尋大勇 汪超
湖南工程學(xué)院
摘要: 先進(jìn)的智能變送器是工業(yè)過程控制技術(shù)發(fā)展的需要,也是工藝過程實(shí)現(xiàn)高精度控制的必需,具有很好的市場(chǎng)前景。現(xiàn)場(chǎng)總線是目前國(guó)際上過程控制領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn),通過現(xiàn)場(chǎng)總線,數(shù)字通信技術(shù)可以延伸到現(xiàn)場(chǎng)儀表,給控制體系帶來一場(chǎng)革命。HART協(xié)議作為一個(gè)開放性的協(xié)議,現(xiàn)已成為智能儀表的事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)在,國(guó)際及國(guó)內(nèi)使用的智能變送器基......
Abstract:
Key words :
引 言
先進(jìn)的智能變送器是工業(yè)過程控制技術(shù)發(fā)展的需要,也是工藝過程實(shí)現(xiàn)高精度控制的必需,具有很好的市場(chǎng)前景。現(xiàn)場(chǎng)總線是目前國(guó)際上過程控制領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn),通過現(xiàn)場(chǎng)總線,數(shù)字通信技術(shù)可以延伸到現(xiàn)場(chǎng)儀表,給控制體系帶來一場(chǎng)革命。HART協(xié)議作為一個(gè)開放性的協(xié)議,現(xiàn)已成為智能儀表的事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)?,F(xiàn)在,國(guó)際及國(guó)內(nèi)使用的智能變送器基本是帶有HART通信功能的智能變送器(簡(jiǎn)稱為“HF智能變送器”),是一種將標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)(4~20 mA)與數(shù)字信號(hào)技術(shù)結(jié)合在一起用于傳送過程參數(shù)的變送器。傳統(tǒng)變送器傳輸傳感器數(shù)據(jù)的同時(shí),不能傳輸控制信號(hào)與診斷信號(hào)。同時(shí)為了滿足智能現(xiàn)場(chǎng)通信器對(duì)信號(hào)實(shí)時(shí)處理的需要,在HART智能現(xiàn)場(chǎng)通信器軟件總體設(shè)計(jì)中采用實(shí)時(shí)嵌入式控制系統(tǒng)。為此,筆者設(shè)計(jì)了一種基于MAXQ2000嵌入式微處理器的增強(qiáng)型智能變送器,采用HART協(xié)議進(jìn)行信號(hào)的調(diào)制解調(diào),所提供的通信通道在傳輸傳感器數(shù)據(jù)的同時(shí),還可傳輸控制和診斷信號(hào)。
1 HART智能儀表的特點(diǎn)
HART協(xié)議遵循ISO制訂的OSI開放式系統(tǒng)互連參考模型,采用了OSI模型的第1層、第2層和第7層,即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。現(xiàn)場(chǎng)總線(field bus)是一種數(shù)字化的串行雙向通信系統(tǒng),能將所有的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、傳感器、執(zhí)行器等與控制器用1根電纜(光纜或無線)連接在一起,形成現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)、車間級(jí)的數(shù)字化通信網(wǎng)絡(luò),可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)控制遠(yuǎn)程傳送等功能。HART現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)采用主從工作方式,主機(jī)一般為1臺(tái)PC機(jī),從機(jī)可為1臺(tái)或多臺(tái)具有HART通信功能的智能變送器。
HART智能儀表具有如下特點(diǎn):
?、賹?shí)現(xiàn)了傳感器信號(hào)的數(shù)字化,提高了測(cè)量精度。
②實(shí)現(xiàn)了傳感器信號(hào)的智能化,能方便地修整擬合曲線并進(jìn)行各種補(bǔ)償。
③智能儀表實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化,在控制站內(nèi)可直接觀察數(shù)千臺(tái)儀表。
④通信傳輸采用4~20 mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)加數(shù)字信號(hào)方式,可直接替換模擬儀表。
?、萃ㄟ^數(shù)字信息能讀出儀表各種管理信息,如生產(chǎn)廠家、儀表型號(hào)、生產(chǎn)序號(hào)、維修時(shí)間等。
?、蘅裳b入算法,直接構(gòu)成控制回路。
?、吖ぷ髟?~20 mA現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的兩線制回路中。在應(yīng)用時(shí),其兼容模擬與數(shù)字信號(hào),而頻率信號(hào)經(jīng)過V/I轉(zhuǎn)換電路的轉(zhuǎn)換管,轉(zhuǎn)換為幅度為0.5 mA的頻率信號(hào),疊加在兩線制4~20 mA的電流環(huán)上。由于對(duì)稱性,此信號(hào)的平均值為0,所以模擬、數(shù)字兩信號(hào)互不干擾。
⑧具有線性化處理功能、溫度補(bǔ)償功能、零點(diǎn)自動(dòng)調(diào)整功能、量程自動(dòng)調(diào)整功能、數(shù)字化通信功能等。
2 電流變送器
最簡(jiǎn)單的電流變送器是采用簡(jiǎn)單的電流環(huán)路進(jìn)行信號(hào)傳遞的。在環(huán)路中,傳感器的輸出電壓首先按比例轉(zhuǎn)換成電流,遠(yuǎn)端接收器將4~20 mA的電流又轉(zhuǎn)換為電壓,利用計(jì)算機(jī)或顯示模塊做進(jìn)一步處理。典型的4~20 mA電流環(huán)電路包括4個(gè)部分:傳感器/變送器、電壓—電流轉(zhuǎn)換器、環(huán)路電源和接收器/監(jiān)視器。為適應(yīng)工業(yè)需求,出現(xiàn)了稱作“智能型變送器”的第2代4~20 mA變送器,這種變送器采用微控制器(μC)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器調(diào)理遠(yuǎn)端信號(hào)。智能型變送器可以對(duì)增益和失調(diào)進(jìn)行校準(zhǔn),通過將傳感器模擬信號(hào)數(shù)字化(如電阻式溫度檢測(cè)器RTD和熱電偶)實(shí)現(xiàn)線性化處理,用駐留在μC內(nèi)部的數(shù)學(xué)算法處理信號(hào),再將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換回模擬信號(hào),結(jié)果以標(biāo)準(zhǔn)電流的形式沿環(huán)路傳輸。最新的第3代4~20 mA變送器被認(rèn)為是“增強(qiáng)型智能”變送器。它們?cè)黾恿伺c4~20 mA信號(hào)共享雙絞線的數(shù)字通信功能。所提供的通信通道在傳輸傳感器數(shù)據(jù)的同時(shí),還可傳輸控制和診斷信號(hào)。設(shè)計(jì)的增強(qiáng)型智能變送器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要由模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC、數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC、MAXQ2000微控制器、電壓調(diào)節(jié)器、信號(hào)調(diào)理、HART調(diào)制解調(diào)器、I/O通道、雙絞傳輸線組成。
智能型變送器所使用的通信標(biāo)準(zhǔn)是HART協(xié)議,HART協(xié)議采用美國(guó)電話通信系統(tǒng)Bell202頻移鍵控(FSK)標(biāo)準(zhǔn)。如圖2所示,在4~20 mA的模擬信號(hào)上疊加0.5 mA的正弦波數(shù)字信號(hào),其數(shù)字信號(hào)1和0分別由1 200 Hz和2 200 Hz頻率表示。這些頻率的正弦波疊加在傳感器的直流模擬信號(hào)上,同時(shí)提供模擬和數(shù)字通信。因?yàn)镕SK信號(hào)的平均值始終為零,所以數(shù)字通信信號(hào)不會(huì)影響4~20 mA的模擬信號(hào)。數(shù)字狀態(tài)每秒鐘可以轉(zhuǎn)換2~3次,而不會(huì)妨礙模擬信號(hào)。允許的最小環(huán)路阻抗為23 Ω。
在該智能電流變送器中,μC必須具備3種特定性能:
?、俅?a class="innerlink" href="http://ihrv.cn/tags/接口" title="接口" target="_blank">接口,連接用于數(shù)據(jù)采集的ADC和用于設(shè)置環(huán)路電流的DAC。
?、谝?yàn)轭A(yù)算電流為4 mA,所以要求低功耗。
?、鄢朔?累加單元(MAC),既完成輸入信號(hào)的數(shù)字濾波,在HART協(xié)議中又同時(shí)進(jìn)行編碼和解碼。
μC選用MAXQ2000。低功耗的MAXQ2000是Maxim/Dallas公司的新產(chǎn)品,是一種高性能、16位的RISC器件。
3 HART調(diào)制解調(diào)器的實(shí)現(xiàn)
3.1 HART調(diào)制解調(diào)器的基本組成
以MAXQ2000微處理器為核心的增強(qiáng)型智能4~20mA變送器的HART調(diào)制解調(diào)器如圖3所示。在MAXQ2000中,實(shí)現(xiàn)軟件濾波和頻率編碼/解碼等功能;低功耗的MAX1407實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換,低功耗的MAX1102實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換。
如果系統(tǒng)包含1 200 Hz和2 200 Hz(分別代表1和0)頻率編碼器,同時(shí)要對(duì)這些頻率進(jìn)行檢測(cè),可以采用MAXQμC內(nèi)部的MAC實(shí)現(xiàn)HART調(diào)制解調(diào)器要求的這些功能。
3.2 頻率編碼器的實(shí)現(xiàn)
要產(chǎn)生所需的正弦波形,可以利用下述差分方程描述的兩極點(diǎn)濾波器形式實(shí)現(xiàn)遞歸數(shù)字式諧振器:
式中,常數(shù)k等于2 cos(2π×頻率/采樣率)??梢灶A(yù)先計(jì)算k的兩個(gè)值,并存在ROM中。例如,要用8 kHz采樣率產(chǎn)生1 200 Hz頻率,該值k=2 cos(2π×1 200/8 000)。必須計(jì)算能使振蕩器開始振蕩的初始激勵(lì)。如果Xn-1和Xn-2都為0,接下來的每個(gè)Xn也都將為0。要啟動(dòng)振蕩器,將Xn-1設(shè)為0,Xn-2設(shè)置為:
為進(jìn)一步簡(jiǎn)化編碼,首先,初始化兩個(gè)中間變量(X1,X2)。X1初始化為0,X2為初始激勵(lì)值(上面的計(jì)算結(jié)果),以啟動(dòng)振蕩器。這樣,要產(chǎn)生一個(gè)正弦波的采樣,可進(jìn)行下列運(yùn)算:
每個(gè)新的正弦值都需要一次乘法運(yùn)算和一次減法運(yùn)算。利用MAXQμC的單周期硬件MAC,可以采用如下操作產(chǎn)生正弦波:
因?yàn)橹恍枰獧z測(cè)兩種頻率,所以采用改進(jìn)的Goertzel算法。這種算法可以用簡(jiǎn)單的二階濾波器實(shí)現(xiàn),如圖4所示。
要使用Goertzel算法檢測(cè)特定頻率,編譯時(shí)要首先使用下式計(jì)算出常數(shù):
隨后,將中間變量D0、D1和D2初始化為0,并對(duì)每個(gè)收到的采樣X進(jìn)行下列計(jì)算:
得到足夠多的采樣值以后(采用8 kHz的采樣頻率時(shí),通常為205個(gè)采樣值),用最新計(jì)算出的D1和D2值進(jìn)行下列計(jì)算:
這時(shí),P包含了輸入信號(hào)中測(cè)試頻率的平方。要對(duì)兩種頻率解碼,用兩個(gè)濾波器處理每個(gè)采樣。每個(gè)濾波器都有自己的k值和自己的一組中間變量,每個(gè)變量都是16位長(zhǎng),所以,整個(gè)算法需要48字節(jié)的中間存儲(chǔ)器空間。
3.3 HART中斷程序
HART通信程序是HART協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層的軟件實(shí)現(xiàn)。由于HART通信采取的是主從方式,而像變送器這類的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備都是從機(jī),因此在初始化中和每次回答完主機(jī)命令后,都要把接收中斷打開,一直等候主機(jī)命令。HART通信采用水平和垂直校驗(yàn)的方法,當(dāng)檢測(cè)到接收數(shù)據(jù)有差錯(cuò)時(shí),要等到主設(shè)備命令幀發(fā)完后,通知主設(shè)備數(shù)據(jù)接收有誤,主設(shè)備則重新發(fā)命令幀,從而保證通信的準(zhǔn)確可靠。HART中斷子程序流程如圖5所示。由于HART通信為主從方式,HART幀中每個(gè)字節(jié)在物理層傳輸需要9 ms左右,為了保證通信的實(shí)時(shí)性,通信程序采用串行口終端接收/發(fā)送。該中斷所要完成的通信中的主要任務(wù)是,接收和發(fā)送幀、幀的拆分和打包。
結(jié) 語
HART協(xié)議作為一個(gè)開放性的協(xié)議,現(xiàn)已成為智能儀表事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn),其特點(diǎn)是在現(xiàn)有的模擬信號(hào)傳輸上實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)通信;嵌入式系統(tǒng)技術(shù)是目前電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域最為熱門的技術(shù)之一。本文介紹了以MAXQ2000嵌入式處理器為核心的HART智能電流變送器,對(duì)HART協(xié)議的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了較詳細(xì)的敘述。采用嵌入式技術(shù)的HART智能變送器,不僅能解決現(xiàn)場(chǎng)總線兼容原有的DCS(Distribute Control System)問題,而且使系統(tǒng)整體的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性、抗干擾性及低功耗等性能有了極大的提高。
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