基于HART协议的二线制涡轮流量变送器的开发

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3.0 侯斌 2024-11-19 4 4 2.22MB 62 页 15积分

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摘要

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。

论文以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4mA~20mA环路电流

模块四个模块，其中 HART通信模块采用 HART调制解调器芯片AD5700实

现,4mA~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，本文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协议通信程序三个程序模块，重点讲述了HART协议的数据链路层

和应用层的实现过程。最后本文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。

关键词：HART 协议涡轮流量变送器二线制

ABSTRACT

Fieldbus technology is one of the hottest technologies in the field of industrial

control during these years. As a new control technology, Fieldbus has many outstanding

advantages, such as open、decentralized、interoperable、low-cost and so on. Thus a great

amount of instrument manufacturers pay high attention to it, and have launched some

kinds of transmitters which support fieldbus communication. And HART

communication protocol has been widely used to meet from analog communication to

digital communication transition. Turbine flowmeter is widely applied in flow

measurement. However there is little turbine flow transmitter which support HART

protocol in the current market, and two-wire instrument exits little. The instrument

which supports both two-wire and HART protocol is also few. Therefore, by

researching the turbine flowmeter with HART communication, this paper applies

HART protocol to turbine flowmeter and using HART network to supply power for the

transmitter to achieve its two-wire transmission.

Being based upon HART protocol, this paper proposed the system’s overall

program design. Through the understanding and mastery of the HART protocol, gives a

detailed hardware and software design based on turbine flowmeter. Hardware design

includes the turbine pulse acquisition module, the microprocessor module, the HART

communication module and the 4mA ~ 20mA loop current module. And the HART

communication module is achieved by HART modem chip AD5700; the 4mA ~ 20mA

loop current module is achieved by AD5421. This two together constitute the HART

protocol physical layer interface. The hardware circuit is all constitutes by low-power

chips, and uses a pure hardware solution to solve the difficulties of low-power of HART

bus. Software design includes the main control program, the transmission calculation

program and the HART protocol communication program, focusing on implementation

process of the HART protocol’s data link layer and application layer. Finally tests on

the two-wire transfer function and HART communication function of the turbine

flowmeter are introduced. Test results show that the transmitter is designed to achieve

the basic requirements.

Key Word: HART Protocol，Turbine Flowmeter，Two-wire

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ....................................................... 1

1.1课题来源及意义 .............................................. 1

1.1.1二线制涡轮流量变送器的研究意义 .......................... 1

1.1.2现场总线技术在仪表中的应用 .............................. 2

1.2国内外研究现状 .............................................. 5

1.3论文的主要研究内容 .......................................... 7

1.4本章小结 .................................................... 8

第二章 HART 通信协议剖析........................................... 9

2.1HART 通信协议概述........................................... 9

2.2HART 通信协议模型.......................................... 10

2.2.1物理层规范 ............................................. 11

2.2.2数据链路层规范 ......................................... 11

2.2.3应用层规范 ............................................. 14

2.2.4各层间的功能关系 ....................................... 15

2.3本章小结 ................................................... 15

第三章涡轮流量变送器的硬件设计 ................................... 16

3.1系统总体方案设计 ........................................... 16

3.2涡轮脉冲采集模块 ........................................... 17

3.2.1涡轮流量传感器工作原理 ................................. 17

3.2.2涡轮脉冲采集模块 ....................................... 18

3.3微处理器模块 ............................................... 19

3.4HART 通信模块.............................................. 20

3.4.1HART 调制解调器........................................ 20

3.4.2AD5700 与微处理器接口电路 .............................. 22

3.4.3其他辅助电路 ........................................... 24

3.4.4HART 信号工作流程...................................... 26

3.54-20mA 环路电流模块 ........................................ 27

3.5.1D/A转换器 ............................................. 27

3.5.2AD5421 的功能及原理 .................................... 29

3.5.3电流输出电路 ........................................... 31

3.6二线制低功耗的实现 ......................................... 32

3.7本章小结 ................................................... 32

第四章涡轮流量变送器 HART 部分的软件设计 ......................... 33

4.1主监控程序 ................................................. 33

4.2变送计算程序 ............................................... 34

4.3HART 协议通信程序.......................................... 35

4.3.1定时器 T1 中断子程序 .................................... 36

4.3.2INT1 载波检测中断子程序 ................................ 38

4.3.3串行口接收/发送服务子程序 .............................. 40

4.4本章小结 ................................................... 50

第五章 HART 总线的测试............................................ 51

5.1功能详细测试 ............................................... 51

5.2本章小结 ................................................... 54

第六章总结 ....................................................... 55

参考文献 .......................................................... 56

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .................... 59

致谢 .............................................................. 60

第一章绪论

1.1 课题来源及意义

1.1.1二线制涡轮流量变送器的研究意义

流量作为重要的测量参量，与温度、液位、压力一样在工业生产系统中有着

举足轻重的作用，并得到广泛应用。流量测量不仅是生产操作过程中的指导，也

是标准化的处理操作需求和经济核算的依据。流量是流体流动的定量反映，然而

流体所处工作环境非常复杂，对它实现测量很困难。因此，为了达到测量目的，

以及满足目前工业生产过程各种场合的测量需求，各种各样的流量计量仪表如雨

后春笋般先后出现了。

在各类流量计量仪表中，科氏质量流量计、涡轮流量计和容积式流量计以其

精度高、适应性强等优势脱颖而出，被视为三大最佳流量测量仪表产品。其中的

涡轮流量计又拥有自身的特性，比如组件少、易安装、构造简单、容易维修、流

通能力大、能适应恶劣环境条件等。目前，涡轮流量计这类流量测量产品已经可

以达到直径为4~750mm、压力为2480000Pa、温度为-220~680℃这样的技术要求，

这是科氏质量流量计和容积式流量计这两类流量测量产品难以达到的水平[1]。

涡轮流量计也称涡轮流量变送器，它是采用涡轮进行测量，用涡轮的转速去

表征流体的流速。它所输出的信号是脉冲频率，容易转换为可识别的数字量，主

要用于液体和低粘度流体，如石化、轻油产品以及天然气。

最传统的涡轮流量变送器是四线制变送器，它的外部接线需要四根线，分别

是两根供电电源线和两根信号传输线。如果信号输出和电源供电共用一根线，即

共用VC或共用GND，可以省去一根线，外部接线需要三根线，这样的变送器称为

三线制变送器。目前，市场上广泛应用的就是这种四线制或者三线制的涡轮流量

变送器。

然而在实际工业过程中，检测点普遍在现场，人机交互设备即显示台或控制

器在控制室内，它们之间距离达几十到几百米不等。如果按照距离是100m计算，

减少两根导线可以节约成本上百元[2]。二线制变送器是指变送器的外部接线只需要

两根线，这两根线即用作电源供电线，又用作信号传输线。作为三线制、四线制

的优良改进，二线制具有如下诸多优点[3]：

（1）不容易受温度漂移、电线电阻分压等外部环境的干扰，可以使用价格不贵的

更细的电线，大大减少电缆线成本以及它的安装费用。

（2）可以很方便的安置一到两个防爆防浪涌的设备到二线制输出端口，起到安全

栅的作用，以增加安全系数。

（3）在电流源输出电阻足够大时，经磁场耦合感应到导线环路内的电压，不会产

上海理工大学硕士学位论文

生显著影响，因为干扰源引起的电流极小，一般利用双绞线就能降低干扰，两线

制与三线制必须用屏蔽线,屏蔽线的屏蔽层要妥善接地。

（4）一些容性干扰会带来接收端采样电阻的误差。在 4mA~20mA 二线制环路中，

采样电阻一般为 250Ω（对应的取样输出电压为 1~5V），这个电阻的阻值较小，不

会产生明显的较大的误差，所以，导线可以布置得比常规遥测系统距离更远。

（5）支持分散采集。单个的记录读取设备可以任意的安置在二线制环路电线上，

并不会因为电线长度的差异而影响测量的精度。

（6）4mA 对应于电平 0，如果电路开路、短路或者元器件损坏，这些状态判断起

来非常便利。

三线制和四线制都没有二线制的这些优点，在与时俱进、优胜劣汰的今天，

三线制、四线制变送器终会被淘汰，二线制变送器将是发展的潮流所向。在工业

控制过程现场应用中，二线制变送器是第一选择，二线制涡轮流量变送器的研究

开发具有很大的实际意义和应用价值。二线制涡轮流量变送器的实质就是实现供

电电路和通讯线路的“二合一”，使电源供能和数据传输在一个回路上同时进行而

不影响系统整体功能。

1.1.2 现场总线技术在仪表中的应用

所谓现场总线,按照国际电工委员会IEC／SC65C的定义，是指安装在制造或

过程区域的现场装置之间、以及现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字

式、串行和多点通信的数据总线。以现场总线为基础而发展起来的全数字控制系

统称作现场控制系统(FCS),取代了传统的DCS系统。现场总线型变送器与目前开

始广泛使用的智能型变送器相比较，具有如下特点：

（1）全数字性

现场总线作为一种数字式通信网络从控制室一直延伸到生产现场，使过去采

用点到点式的模拟量信号传输变为多点一线的串行数字式传输。在现场总线型变

送器中，不论是传感器电路还是转换器电路，都是数字式的。不像智能型变送器

那样，既有数字电路，又有模拟电路。因而，现场总线型变送器的全数字性使得

变送器的结构更加简单，其分辨率、测量速度、稳定性都高于智能型变送器。

（2）精确度高

在智能型变送器中，其传感器有的不是直接转换成数字的，而是把压差作用

在膜片上，使其产生位移，改变电容或电阻，先输出电压，再经过模数转换变成

数字信号后，送微处理机。当然，也有一些智能型变送器，压差膜片的位移直接

转换成频率信号，没有 AD 转换器。但是，为了保留有 4mA~20mA 模拟信号，数

模转换器还都是存在的。所以，在智能型变送器中，其信号传输精确度在反复的

第一章绪论

AD 和DA 转换中有所降低。而现场总线型变送器中不存在 AD 和DA 转换电路，

所以不会产生 AD 和DA 的转换误差，因而信号的传输精确度有所提高，故现场总

线型变送器要比智能型变送器精确度高。

（3）抗干扰能力强

在模拟型和智能型变送器中，信号是以 4mA~20mA 的连续形式存在的，信号

值的变化可以无限小，因此，噪声和信号畸变在模拟信号传输中是无法避免的。

也就是说，变送器传输模拟信号时稳定性较差，零点容易漂移。而在现场总线型

变送器中，信号的有效值只有两个：0或1，电平较高，一般的噪声很难扭曲它，

只有在很大的干扰出现时，才可能使信号发生畸变。所以，现场总线型变送器要

比智能型变送器(当它传输 4mA~20mA 模拟信号时)的抗干扰能力强。

（4）内嵌控制功能

现场总线型变送器除了保持智能型变送器优良的测量性能外，还增加了运算

和控制功能。在每台现场总线型变送器中都内嵌有 PID 控制、逻辑运算、算术运

算、累加等模块，用户通过组态软件对这些功能模块进行任意调用，以实现参数

的现场控制。由于现场总线型变送器安装在生产设备附近，使信号传输的距离大

大缩短，这不但提高了回路的控制质量，降低了回路的不稳定性，而且还可取消

控制柜，进一步节省了控制室的空间。

（5）高速通信

智能型变送器不论是采用 HART 通信协议，还是采用 DE 通信规程，其通信

速率都不高，因此不能有效地实现实时控制。现场总线型变送器要像 4mA~20mA

系统那样实现闭环实时控制需要更高的通信速率。由于高速需要更大的电源消耗，

这个要求就与本质安全产生了矛盾。因而，需要选择适当的通信速率，使系统的

通信负荷尽可能小。现场总线型变送器采用通信调度系统来控制变量的采样、算

法的执行和通信系统的优化。如 FF(FieldFoundation，现场总线基金会)把数据分为

周期性和非周期性两部分：对周期性数据必须在系统所需的周期内处理完毕；而

对非周期性数据则可以在通信通道空闲时传输。这样的通信调度就使得现场总线

型变送器具有了和模拟型变送器一样的通信速率，并达到了和模拟控制系统一样

的高速闭环控制性能。

（6）多变量测量

所谓多变量测量是指一台变送器可以同时测量多个过程变量。在过去的模拟

通信方式中，测量一个变量就需要一对导线，因此，每台变送器只能测量一个过

程变量。而采用了现场总线通信方式后，由于每台现场总线型变送器内配有多个

感测元件，它就可以同时测量多个过程变量，并通过现场总线传输出去。例如，

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摘要：

摘要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。论文以HART协议为通...

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