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江蘇華海測控技術(shù)有限公司

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技術(shù)文章

普通智能變送器的HART改造

發(fā)布時(shí)間：2024-12-16

隨著電子半導(dǎo)體器件的發(fā)展，智能化、網(wǎng)絡(luò)化成為過程自動(dòng)化現(xiàn)場變送器的發(fā)展方向?，F(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展和成熟為過程自動(dòng)化的發(fā)展描繪了一幅美麗的前景。目前，ＦＦ總線（基金會(huì)現(xiàn)場總線）、ＰＲＯＦＩＢＵＳ總線在國內(nèi)的過程自動(dòng)化領(lǐng)域都有比較成功的應(yīng)用范例。ＨＡＲＴ協(xié)議現(xiàn)場總線作為一種過渡的總線技術(shù)，在保留傳統(tǒng)模擬變送器標(biāo)準(zhǔn)４~２０ｍＡ電流信號(hào)的基礎(chǔ)上增加了通訊的功能。ＨＡＲＴ智能變送器既可以接入ＤＣＳ系統(tǒng)，又可以通過總線通訊組成完整的ＦＣＳ（ＦＩＥＬＤＢＵＳＣＯＮＴＲＯＬＳＹＳＴＥＭ）系統(tǒng)，同時(shí)還可以通過手持終端在線調(diào)整變送器參數(shù)。由于ＨＡＲＴ智能變送器具有上述的多種靈活性，在目前的變送器市場中，ＨＡＲＴ智能變送器占有很大的份額。

　面對(duì)目前的市場競爭，國內(nèi)眾多的變送器生產(chǎn)廠家都把變送器的ＨＡＲＴ智能化改造作為技術(shù)革新的方向；力爭通過ＨＡＲＴ智能變送器的推出進(jìn)一步開拓市場。

　如何實(shí)現(xiàn)變送器的ＨＡＲＴ智能化改造成為擺在眾多變送器生產(chǎn)廠家面前的一個(gè)問題。尤其是對(duì)一些已經(jīng)智能化改造、但不能完成總線通訊的變送器，怎樣在保證現(xiàn)有產(chǎn)品相對(duì)獨(dú)立性的基礎(chǔ)上添加ＨＡＲＴ通訊功能，很多技術(shù)人員都在研究。

　一些技術(shù)人員存在一種觀念，即一臺(tái)４~２０ｍＡ標(biāo)準(zhǔn)輸出的兩線制變送器只需要添加一塊ＨＡＲＴ協(xié)議通訊卡就可以完成變送器的ＨＡＲＴ改造；實(shí)際上這種想法是不可行的。下面從ＨＡＲＴ協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行闡述。

　一臺(tái)符合ＨＡＲＴ協(xié)議智能變送器若已通過ＨＡＲＴ基金會(huì)的應(yīng)用層測試，應(yīng)該可以通過ＨＡＲＴ通訊完成一些規(guī)的功能，包括：

　 * 讀取變送器測量動(dòng)態(tài)變量，如主變量、輸出電流等；

　 * 設(shè)定變送器處于多點(diǎn)（輸出電流固定）或者單點(diǎn)（輸出電流４~２０ｍＡ）模式；

　 * 設(shè)定、讀出必要的變送器管理信息；

　 * 讀出變送器所連接傳感器的相關(guān)參數(shù)；

　 * 獲得變送器的生產(chǎn)廠商、設(shè)備類型、ＨＡＲＴ協(xié)議版本等基本信息。

　如上所述，可以通過ＨＡＲＴ協(xié)議對(duì)變送器的電流輸出進(jìn)行控制，也就是說電流環(huán)路輸出與ＨＡＲＴ通訊模塊是一個(gè)整體，不可分割。因此，上面提及的改造模式對(duì)于兩線制變送器來說是不能實(shí)現(xiàn)的。

　一般來講，除了上述最基本的功能外，符合ＨＡＲＴ協(xié)議智能變送器還可以通過ＨＡＲＴ通訊完成其他幾項(xiàng)功能：

　* 設(shè)定變送器測量量程

　* 設(shè)定變送器輸出阻尼

　* 完成傳感器的線性化

　本文下面介紹一種比較簡單的方法，可以實(shí)現(xiàn)普通智能變送器的ＨＡＲＴ改造。實(shí)現(xiàn)方法的具體功能框圖如下：

原有的智能變送器電子板中剔除電流輸出控制模塊，保留傳感器激勵(lì)、傳感器信號(hào)采集、信號(hào)運(yùn)算處理等功能模塊（本文以下將保留部分簡稱為“信號(hào)采集處理模塊”）。ＨＡＲＴ通訊模塊的處理單元（ＣＰＵ）與信號(hào)采集處理模塊中的處理單元（ＣＰＵ）直接串行傳遞數(shù)據(jù)。對(duì)于信號(hào)采集處理模塊中的ＣＰＵ而言，原用于控制電流輸出的Ｉ／Ｏ口線可轉(zhuǎn)而用于ＣＰＵ通訊，基本不增加硬件負(fù)擔(dān)。ＣＰＵ的軟件中也相應(yīng)的去除控制電流輸出的程序，添加用于ＣＰＵ之間串行傳遞數(shù)據(jù)的功能模塊。

　對(duì)于ＨＡＲＴ通訊模塊而言，不發(fā)生ＨＡＲＴ通訊時(shí)，周期性通過ＣＰＵ之間的數(shù)據(jù)傳遞從信號(hào)采集處理模塊讀取動(dòng)態(tài)變量；發(fā)生ＨＡＲＴ通訊時(shí)，不定期的通過ＣＰＵ之間的數(shù)據(jù)傳遞設(shè)定變送器的運(yùn)算、控制參數(shù)。在雙ＣＰＵ的數(shù)據(jù)傳遞中，ＨＡＲＴ通訊模塊中的ＣＰＵ處于支配地位，負(fù)責(zé)啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳遞及驗(yàn)證數(shù)據(jù)傳遞的正確性。

　對(duì)于一些ＨＡＲＴ協(xié)議規(guī)定的與變送器動(dòng)態(tài)變量運(yùn)算、輸出無關(guān)的管理信息等通訊參數(shù)，ＨＡＲＴ通訊模塊可以獨(dú)立處理，無需啟動(dòng)雙ＣＰＵ之間的數(shù)據(jù)傳遞。一些必需雙ＣＰＵ數(shù)據(jù)傳遞的變送器參數(shù)在下面列出：測量動(dòng)態(tài)變量（包括主變量、輸出電流數(shù)值等）、量程、輸出阻尼、傳感器線性化參數(shù)等。對(duì)于不同種類的變送器，需要傳遞的數(shù)據(jù)也有很大的不同，多則數(shù)十個(gè)，少則幾個(gè)。

　用于實(shí)現(xiàn)雙ＣＰＵ之間串行數(shù)據(jù)傳遞的方法有很多，本文介紹一種適用于我們需要的主從式數(shù)據(jù)傳遞模式。

數(shù)據(jù)傳遞功能：

　　主ＣＰＵ讀取從ＣＰＵ參數(shù)（在物理上可以表現(xiàn)為存儲(chǔ)空間地址）的數(shù)據(jù)，或者將數(shù)據(jù)寫入從ＣＰＵ的參數(shù)。

通信接口：

兩塊ＣＰＵ之間通過四根口線連接，分別定義為：ＣＬＫ、ＤＡＴＡ１、ＤＡＴＡ２、ＣＯＮＴＲＯＬ；主ＣＰＵ全部采用普通Ｉ／Ｏ口線，從ＣＰＵ除去ＣＬＫ應(yīng)用外部中斷口線外，其他三根口線也均使用普通Ｉ／Ｏ口線。主ＣＰＵ按某一周期中斷從ＣＰＵ，從ＣＰＵ接收中斷信號(hào)，并做相應(yīng)處理。

數(shù)據(jù)傳遞時(shí)序：

　　假設(shè)從ＣＰＵ的時(shí)鐘頻率為１．８４３２ＭＨＺ，Ｔ２的最小值為２４８微妙；Ｔ１＋Ｔ２的最小值為３１２．５微妙。

　為確保數(shù)據(jù)傳遞的可靠性，主ＣＰＵ向從ＣＰＵ寫入數(shù)據(jù)時(shí)，可以通過先寫入，后讀出，比較數(shù)據(jù)是否相同；主ＣＰＵ由從ＣＰＵ讀出數(shù)據(jù)，可以連續(xù)讀取兩次，比較數(shù)據(jù)是否相同。若不同，則連續(xù)執(zhí)行寫入或者讀出操作。

　　總之，通過上面談到的ＨＡＲＴ通訊模塊與信號(hào)采集處理模塊之間ＣＰＵ數(shù)據(jù)傳遞的模式對(duì)現(xiàn)有的普通智能變送器進(jìn)行ＨＡＲＴ改造，只需要對(duì)原智能變送器的電子板做微小的改動(dòng)，實(shí)現(xiàn)周期短，可以比較快的將新產(chǎn)品推向市場。當(dāng)然，在實(shí)際改造過程中，也有許多的具體問題需要仔細(xì)考慮，如信號(hào)采集處理模塊的功耗、雙方數(shù)據(jù)傳遞的具體參數(shù)定義等。這時(shí)，只能根據(jù)實(shí)際情況把握。

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