基于HART协议的二线制涡轮流量变送器的开发

万 彪

(武汉职业技术学院 计算机学院,武汉 430074)

基于HART协议的二线制涡轮流量变送器的开发

万 彪

(武汉职业技术学院 计算机学院,武汉 430074)

以HART协议为通信标准，提出了系统的总体方案设计，通过对HART协议的理解与掌握，详细的给出了基于涡轮流量变送器的软硬件设计；硬件设计部分包括涡轮脉冲采集模块，微处理器模块，HART通信模块和4～20mA环路电流模块4个模块，其中HART通信模块采用HART调制解调器芯片AD5700实现,4～20mA环路电流模块采用环路供电专用芯片AD5421实现，二者共同构成了HART协议的物理层接口，文章硬件电路所采用的都是低功耗芯片，用纯硬件的方法解决了HART总线设备的低功耗难点；软件设计部分包括主监控程序、变送计算程序和HART协议通信程序3个程序模块，重点讲述了HART协议的数据链路层和应用层的实现过程；最后文章对涡轮流量变送器的二线制传输功能和HART通信功能进行了测试；测试结果表明，变送器的设计要求基本实现了。

HART协议；涡轮流量变送器；二线制

0 引言

现场总线技术是近年来工业控制领域最热门的技术之一，作为一种新型的控制技术，它具有开放性、分散化、可互操作、低成本等诸多优势，因此引起了各大仪表厂商的高度重视，纷纷推出了具备现场总线通信能力的变送器，其中，为满足从模拟到全数字的过渡应运而生的HART通信协议得到了广泛应用。涡轮流量变送器在流量测量中应用广泛，然而目前市面上的涡轮流量变送器很少有带HART协议的，二线制的也不多，既是二线制的仪表又同时支持HART协议的更是寥寥无几。因此本文就基于HART协议的二线制涡轮流量变送器做了研究，将HART协议应用于涡轮流量变送器，并利用HART网络为变送器供电实现其二线制传输。

1 系统总体方案设计

HART(可寻址远程传感器高速通道)通信协议是为工业过程测量和控制应用而设计, 是美国罗斯蒙特公司(ROSEMOUNT)公司于1986年推出的一种用于现场智能仪表和控制室设备之间的通信协议，主要用于智能化压力、温度、流量、密度及分析仪表与控制系统间的数据传输。由于采用了可以从模拟信号中去除数字信号的标准过滤技术，数字信号的存在并不会影响模拟信号的输出。

本文所设计的智能涡轮流量变送器仍是以传统变送器的硬件电路为基础的，比如传感器电路、抗干扰电路等，只不过它的优势在于引入了微处理器和HART总线技术。引入微处理器，可通过软件编码来实现以及优化传感器的诸多功能，而且可以减少外围电路元件，从而使整个系统功耗更低。引入HART总线技术，利用HART总线供电的特征实现系统的二线制传输，以及利用HART总线特有的同时支持模拟信号和数字信号传输，来实现多变量的传输。

传统设计智能仪表都是采取模块化思想来设计整体电路的，这种设计方法简单易懂结构明朗。本系统也采取模块化设计方法，主要分为4个模块，分别是涡轮脉冲采集模块、微处理器模块、HART通信模块和4～20 mA环路电流模块。基于HART协议的二线制涡轮流量变送器的模块结构如图1所示。

图1 基于HART协议的二线制涡轮流量变送器的模块结构图

涡轮传感器输出的脉冲信号经涡轮脉冲采集模块进行处理之后,送入到微处理器模块进行流量积算等，然后输出对应的流量以及生产过程中相应的过程量如仪表系数等，然后通过HART通信模块调制成0.5 mA的HART频率信号，输送到4～20 mA回路上。DA转换部分的作用是实现整个系统的二线制供电。

整个系统从4～20 mA电流环上得到供能，实现二线制传输。然而，4～20 mA电流环供能有限，整个变送器系统所耗电流加上0.5 mA的HART正弦调制波信号电流不允许超过4 mA，即整个电路系统功耗必须在3.5 mA以下才能保证正常工作，因此在设计时所选的电路元器件都选用了低功耗的器件。系统具体硬件框图如图2所示。

图2 系统具体硬件框图

2 关键模块设计

2.1 涡轮脉冲采集模块

霍尔开关就是利用霍尔效应原理，再加以集成封装等工艺而制作成的一种磁感应式电子开关，便捷的把磁输入信号转化成开关量电信号输出。根据输出的电压脉冲，便可实现对旋转体各个物理量如转速、角速度等的测量了。在转轴上再固定一个叶轮，用液体或者气体等流体去推动叶轮让转轴转动，由此便构成了一个涡轮流量传感器。传感器输出的电压脉冲与待测流量成正比例关系，微处理器只需实时的捕获脉冲的频率就可以计算出流过涡轮的液体的实时流量了。

涡轮流量传感器输出的电压脉冲信号微弱，微处理器要实现对它的捕获处理工作，必须要经过信号的放大滤波处理。由此本设计选用了双运放集成器件LM258，它的内部包含了两个完全相同的运算放大器，支持3～32 V单电源供电。如图3所示为涡轮脉冲采集电路，涡轮流量脉冲信号首先经过RC滤波去除信号中的干扰成分，然后进行合适的放大，再通过比较电路变换成方波信号送入微处理器进行频率计数处理和流量计算。

图3 涡轮脉冲采集电路

2.2 HART通信模块

HART通信模块是根据HART通信协议物理层的设计要求而设计的硬件电路，实际上就是HART通信协议物理层的硬件实现。它主要由HART调制解调器、调制器出口电路、解调器入口电路、信号整形电路、滤波电路和时钟电路组成。AD5700是亚德诺半导体公司推出的一种低功耗FSK半双工调制解调器，符合HART通信协议物理层要求，性能优良，其内部集成了符合BELL202标准的解调器、调制器、滤波电路、信号检测电路、信号整形等电路，所需外部元件极少，且最大电源功耗仅为115 μA，是低功耗环路供电型应用的不错选择。

图4 AD5700与微处理器接口示意图

HART信号的调制过程为：微处理器向上位机发送数字信号时，首先经过微处理器的串口输出引脚SOUT将数字信号传送至AD5700的TXD调制器输入信号引脚，然后调制器将数字信号0或1调制为2.2 kHz或1.2 kHz的正弦波，从AD5700的HART_OUTHART信号输出引脚输出，最后送至波形整形输出电路上，由此完成一次HART信号的调制过程。图5为解调过程波形。

图5 调制过程波形

HART信号的解调过程为：外部带通滤波器输出的FSK信号从ADC_IP脚进入AD5700后，解调器将信号中的2.2 kHz解调为数字0，将1.2 kHz解调为数字1，经解调的数字信号从AD5700的RXD引脚输出，通过微处理器的串口输入引脚SIN进入微处理器，微处理器对接收到的数据进行分析和判断并做出相应的响应，由此完成一次HART信号的解调过程。图6为解调过程波形。

图6 解调过程波形

图7 AD5421电流输出电路及外围电路

2.3 4～20 mA环路电流模块

在设计智能变送器硬件电路过程中，既要满足模拟信号4～20 mA的电流输出，又要考虑到整个变送器系统的低功耗要求。一般而言，有两种方法可实现输出电流控制。第一种方法是采用D/A转换芯片，模拟电路通过D/A转换芯片输出的期望电压信号实现对回路电流输出的控制。第二种方法是采用电流输出控制集成芯片，如AD421等。若采用第一种方法，外围电路必会使用一些分立的电容电阻等元器件，这会对整个系统的可靠性造成影响，并且带来误差。第二种方法中，采用电流输出控制集成芯片不仅可以提高电流精度，还可以降低温度漂移。对两种输出电流控制方法进行比较分析，并对D/A各个性能指标进行仔细评估之后，本设计选用的是美国AnalogDevices公司生产的一款数模转换器AD5421。它的供电是由4～20 mA电流环路提供，而且可以为其他器件供电，不需要使用额外的分立电源，符合本文的二线制设计要求。

AD5421支持3种环路输出电流范围，如表1所示，可通过设置RANGE1、RANGE0引脚的状态来进行选择。本设计将RANGE1、RANGE0引脚与COM引脚相连，选择4 mA到20 mA的环路电流范围。

表1 设置环路电流范围

如图7所示，AD5421经过简单的二极管保护、电感稳流后直接输出4～20 mA电流，LOOP+、LOOP-分别接4～20 mA电流环的正负。DVDD为AD5421对外部提供的3.3 V供电电压。

2.4 二线制低功耗的实现

由于变送器二线制的设计要求，整个系统的功耗必须小于3.5 mA，本文是采用纯硬件的方法来解决低功耗问题的。整个硬件电路采用的芯片都是高集成、低功耗的，外围电路所需元器件也很少。本文硬件系统使用了四块主芯片LM258、ADuCM360、AD5421和AD5700，它们的功耗如表2所示。

表2 硬件电路功耗

可知，整个硬件电路中，除去外围少量的电阻电容的功耗之外，其他器件的总功耗最大值为500 uA+1 mA+0.3 mA+115 uA=1.915 mA，小于3.5 mA，完全符合二线制的低功耗设计要求，而且还有1.5 mA的裕量可供后续扩展其他芯片使用。

3 软件设计

基于HART协议的二线制涡轮流量变送器的软件系统按其功能分为3个模块：主监控程序、变送计算程序、HART通信程序。主监控程序是整个软件系统的核心，初始化各个子程序，并调度各个子程序的运行。变送计算程序主要是对采集来的涡轮流量的方波信号进行频率的计算进而计算出待测流量。HART通信程序是本系统软件设计的重要部分，也是主体部分，将涡轮流量变送器的运行状态信息传送至上位机，实现了上位机和变送器的实时数据通信，它实际上是HART通信协议的数据链路层和应用层的具体实现。软件体系组成框图如图8所示。

图8 软件体系组成框图

变送计算程序包括对LM258所输入的方波信号的采样，频率计算和流量计算。本设计是采用中断方式实现的，由5 ms定时器触发。根据单位时间内采集到的脉冲个数计算出频率。根据频率与流量的正比例关系，由涡轮流量计算公式即可计算出对应的流量。

通信软件的主要功能是,现场仪表通过现场总线将其控制信息、运行状态信息等传到监控计算机,由安装在计算机内的HART协议的设备管理软件来完成计算、组态、故障诊断、监视等功能。HART协议通信程序是基于HART协议二线制涡轮流量变送器整个程序设计的重点部分，是HART通信协议数据链路层和应用层的软件实现，同时变送器与上位机的互操作性也在此得到了实现。

HART通信方式属于半双工方式，具体而言，HART通信为主从方式，所以，在HART通信过程中，涡轮流量变送器作为从设备，一般情况下(突发模式除外)，只有在接收到主设备(如上位机或者手操器)发送来的命令之后才会作出应答。为了保证对主设备发送来的命令的实时响应，同时又不对主监控程序的正常运行造成影响，HART协议通信程序采用中断方式实现，主要由3个中断服务子程序组成：定时器T1的中断子程序、外部中断1(INT1)的载波检测中断子程序和串行口接收/发送服务子程序。

4 功能测试

搭建硬件测试平台，接线图如图9所示，采用直流24 V电压供电，采样电阻RL串接于4～20 mA回路中，将电流信号和HART信号转换为电压信号，通过RS232HART转换器与上位机通信。此处的采样电阻取值要求在250 Ω到1 000 Ω之间，本设计中采用的是300 Ω阻值的电阻，因为取值太大的话可能会影响环路电流。此处的RS232HART转换器采用的是威盛公司生产的ESH232U型号的HART转换器，它具有与PC兼容的标准USB-A型接口，可以通过计算机的USB接口或者RS232串口发送、接收HART命令。

图9 HART变送器接线图

首先测试HART通信的接口是否满足其协议物理层要求，数据链路层是否搭建正确，以及整个二线制系统能否正常运行。采用一个第三方的HART接口测试软件来进行测试。测试结果即界面中的“Status”项显示测试通过，并检测到只连接了一个从设备。

然后对HART协议应用层进行测试。使用的是串口调试助手软件，它能够显示出PC机端与下位机端的数据交换过程。打开串口调试助手,选定对应的COM端口及波特率(1 200 bps)，设置校验位、数据位、停止位等数据格式，接收区选择十六进制显示,发送区选择十六进制发送，最后打开串口，同时接通24 V电源，发送相关命令。

比如，发送的命令0的序文：FFFFFFFFFF0280000082，其中5个FF是前导码，定界符02表示是短帧数据，80是从设备地址，00代表的是HART命令0，00是数据字节，最后82是校验字节。接收数据区返回了下位机端即变送器的响应数据，所返回的HART响应帧为：FFFFFFFFFF068000180001FE040405070102080000000000050-40000000004000168，其中前5个FF是前导码；定界符06表示下位机传上来的是短帧数据；80表示地址0；00代表的是HART命令0；18表示数据段字节数，18转化为十进制是24，表示在它和校验字节68之间有24个字节数据；0001是响应码字节，第一个字节为0表示通讯是成功的，反馈了正确的命令信息。040001表示这台设备的序号。

综上测试说明HART通信成功，基本实现了变送器的HART通信以及二线制传输功能。

5 结束语

本文以涡轮流量变送器为研究对象，从传统仪表的四线制这一缺陷出发提出了二线制的改进思想，然后利用HART总线技术既支持总线供电又向前兼容现有仪表这一特征提出了将HART通信协议运用于涡轮流量变送器上来实现二线制传输。通过理论分析、测试验证，涡轮流量变送器能进行二线制传输，而且与上位机的HART通信也正常，系统所要求的基本功能都实现了。本系统虽然是基于涡轮流量变送器而设计，但是其电路具有通用性，完全符合HART通信协议，软件、硬件稍加更改即可用于其他压力、温度等变送器，可移植性强，可靠性高。由于HART通信协议特有的优势，已成为智能控制领域中应用最广泛的现场通信协议，在今后很长一段时期内，HART协议产品在国内具有十分辽阔的市场。

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Development of Two Wire System Turbine Flow Transmitter Based on HART Protocol

Wan Biao

(Wuhan Polytechnic Computer Institute, Wuhan 430074, China)

Taking HART protocol as the communication standard, the overall scheme design of the system is proposed. Through the understanding and grasp of HART protocol, the detailed hardware and software design based on turbine flow transmitter is presented. Hardware design includes the four modules of turbine pulse acquisition module, microprocessor module, HART communication module and 4～20 mA loop current module. Among them, HART communication module adopts HART modem chip AD5700, and 4～20 mA loop current module adopts loop power supply special chip AD5421. The two together constitute the physical layer interface of HART protocol, In this paper, all hardware circuits adopt low power consumption chips. A pure hardware method is used to solve the difficulty of low power consumption of HART bus equipment. Software design includes three program modules: main monitoring program, transmission calculation program and HART protocol communication program. It focuses on the implementation process of the data link layer and application layer of HART protocol. Finally, the two wire system transfer function and HART communication function of the turbine flow transmitter are tested. The test results show that the transmitter design requirements are basically achieved.

HART protocol; turbine flow transmitter; two wire system

2016-10-12；

2016-11-08。

万 彪(1975-),男,湖北荆门人，硕士，武汉职业技术学院计算机学院，副教授，主要从事计算机应用方向的研究。

1671-4598(2017)03-0248-04DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp

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