专利名称：基于hart通讯的电容式物位变送器及工作方法
技术领域：
本发明涉及一种检测技术，特别涉及一种基于HART通讯的电容式物位变送器。
背景技术：
物位是指贮存容器或工业生产设备里的液体、粉末状固体、气体之间的分界面位置，也可以是互不相容的两种液体间由于密度不等而形成的界面位置。根据具体用途分为液位、料位、界位传感器或变送器。物位是控制过程中所涉及的主要参数之一。物位不仅是物料耗量或产量计量的参数，也是保证连续生产和设备安全的重要参数。特别是在现代化工业中，生产规模大，速度高，且常有高温、高压、强腐蚀性或易燃易爆物料，对于物位的监视和自动控制更是至关重要。因此，物位检测技术在现代化工业过程控制中占重要地位。物位变送器在电站、石化、油田等工业领域得到广泛的应用。通过对物位的测量，获得物位的连续变量或开关量信号，以获取容器中物料的数量，以便调节物料的流入流出流量，从而实现对物料的处理以及加工过程最优化的控制，并且对在线物料的储藏管理提供有用信息。电容式传感器是将被测非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器。虽然电容式传感器易受分布电容的影响，而且抗干扰能力和信号远距离传输能力也不高。但是电容式传感器具有结构简单，分辨率高等诸多优点。并能在高温辐射和强烈振动等恶劣条件下工作。电容式物位变送器适用于工业企业在生产过程中进行测量和控制生产过程，主要用作类导电与非导电介质的液体物位或粉粒状固体料位的远距离连续测量和指示。作为测量物位的传统方法，电容式测量对现场环境的要求不高，而且简单易行，维修方便，也能够适用于许多工业场合。目前来讲电容式物位变送器是产品最为成型，功能最为完善，应用最为广泛的一种物位计。随着现场总线技术在工业过程控制领域的应用，自动化系统的网络化、总线化是大的趋势，原有的电容式物位变送器通过4 20mA模拟信号控制，不能进行数字通讯，不能满足现代工业系统的要求。由于HART协议具有兼容数字信号和模拟信号的特点，在不影响模拟信号控制的前提下可以进行数字通讯，具有现场和远程参数监控功能，在降低系统成本、提高控制精度和系统可靠性方面具有不可比拟的优势。目前具有HART协议的智能仪表在国内市场上一直被国外公司的产品所垄断，由于其高昂的价格和技术的垄断，使国内企业的生产成本大大增加，降低了企业的竞争能力， 因此研发具有自主知识产权的基于HART通讯的电容式物位变送器具有很大的现实意义。

发明内容
本发明是针对现有的电容式物位变送器无法实现数字通讯的问题，提出了一种基于HART通讯的电容式物位变送器及工作方法，在二线制电容式物位变送器基础上增加了数字通信功能，可使数字信号与模拟信号在互不干扰的情况下同时进行传送，实现双向通讯，大大增强了其在检测与控制领域中的作用。
本发明的技术方案为一种基于HART通讯的电容式物位变送器，基于HART通讯的电容式物位变送器，包括以MCU为核心的MCU控制电路单元、信号处理单元、模数转换单元、 数模转换单元和HART通讯接口，信号处理单元对传感器信号进行转换，将测量的电容值调整到相应的电压值；电压值送入模数转换单元进行数据的采集，数据被送入MCU控制电路单元；MCU控制电路单元的MSP430单片机得到HART通讯接口通讯或通过人机接口的指令后，MCU控制电路单元输出采集数据信号到数模转换单元转换为标准信号输出；信号处理单元依次包括方波发生器、第一选通开关、带通滤波器、电压跟随器、传感器、电压电流转换器、第二选通开关、相敏检波器、低通滤波器，方波发生器发出的方波送入第一选通开关的同时送入后端的相敏检波器，电压跟随器输出信号经过传感器的同时信号送到第二选通开关，MCU控制电路单元输出信号控制信号第二选通开关选择传感器信号。所述HART通讯接口主要由MCU接口和变压器耦合接口构成，MCU本身带有串口可作为与HART MODEM的通讯接口。一种基于HART通讯的电容式物位变送器的工作方法，包括基于HART通讯的电容式物位变送器，所述信号处理单元将传感器采样的模拟信号经过MCU控制电路单元，进行比较运算，根据采样值进行数据处理之后由数模转换单元输出4 20mA模拟信号，实现电容式物位变送器的物位测量；同时，HART通讯接口电路检测到叠加在4 20mA直流信号上的外部控制信号，解调出叠加的数字信号，传送给MCU控制电路单元的CPU进行处理；处理的结果经过HART通讯接口电路调制转换为HART信号要求的交变信号并叠加在直流信号上送出ο所述HART协议采用标准的Bell202移频键控信号以1200波特率进行通信，其物理层采用1200Hz和2200Hz两种不同频率的正弦信号，叠加在4 20mA信号上进行通信。本发明的有益效果在于本发明基于HART通讯的电容式物位变送器及工作方法， 实现双向通讯，同时又提高了电容式物位变送器的测量精度和利用率，便于安装、调校、维护以及控制，降低了控制成本。


图1为本发明基于HART通讯接口的电容式物位变送器原理图； 图2为本发明单片机与HART通讯接口图。
具体实施例方式基于HART通讯的电容式物位变送器，包括以MCU为核心的MCU控制电路单元1、信号处理单元2、模数转换单元3、数模转换单元4和HART通讯接口 5。MCU控制电路单元1 包括电源模块11、MSP430单片机12及人机接口 ；信号处理单元2主要是对传感器信号进行转换，将测量的电容值调整到相应的电压值；电压值送入A/D转换单元3进行数据的采集， 数据被送入MCU控制电路单元1 ；MCU控制电路单元1的MSP430单片机12得到HART通讯接口 5通讯或通过人机接口的指令后，MCU控制电路单元1输出采集数据信号到D/A转换单元4转换为相应4 20mA输出；HART通讯接口 5还包括由专用HART调制解调芯片所构成的调制解调电路。信号处理单元2依次包括方波发生器21、第一选通开关22、带通滤波器23、电压跟随器M、传感器25、电压电流转换器沈、第二选通开关27、相敏检波器观、低通滤波器四，方波发生器21发出的数个不同角度的方波送入第一选通开关22的同时送入后端的相敏检波器28，电压跟随器M输出信号经过传感器25的同时信号送到第二选通开关27，MCU控制电路单元1输出信号控制信号第二选通开关27选择传感器信号。本发明通过设置HART通讯接口电路、MCU控制电路单元，传感器采样的模拟信号经过MCU控制电路单元，进行比较运算，根据采样值进行数据处理之后由D/A转换单元输出 4 20mA模拟信号，实现电容式物位变送器的物位测量；同时，HART通讯接口电路检测到叠加在4 20mA直流信号上的外部控制信号，解调出叠加的数字信号，传送给CPU进行处理； 处理的结果经过HART通讯接口电路调制转换为HART信号要求的交变信号并叠加在直流信号上，从而实现与外界信息的数字通讯。本发明中，主要的变量和控制信息由4 20mA传送，在需要的情况下，其他过程参数、设备组态、校准和组态信息通过HART协议以数字通信的方式访问。MCU控制单元内部集成12位AD转换器、具有超低功耗并可以直接驱动IXD，高达 60KB的FLASH存储器以及2KB的RAM可以节省许多外围芯片，大大简化硬件电路设计。HART通信接口用MCU和HART MODEM芯片开发基于HART通讯的电容式物位变送器，简单方便，缩小了空间和成本。HART MODEM的主要功能模块由控制逻辑、载波检测、调制和解调四部分组成。它集成了输入滤波和输出整形的功能，可以简化接口电路设计实现系统的可靠性。HART通讯接口主要由MCU接口和变压器耦合接口构成。MCU本身带有串口可作为其与HART MODEM的通讯接口，如图2所示。当HART 芯片 A5191 的 IRXA 引脚上出现 1200(士 10)Hz 或 2200(士20)Hz 的频率信号时，则A5191的0⑶脚为高电平，MCU从Pl. 6检测到高电平后将Pl. 3置高电平，此时 HART MODEM的INRTS脚检测到高电平，打开解调器对检测到的数字信号进行解调并将有效数据由ORXD传送给MCU进行处理。若0⑶为低电平，说明总线空闲，这时MCU设定P1. 3也为低电平，则A5191的调制器打开，将从ΙΤ )接收的数据调制整形后由OTXA引脚发送。由OTXA发送的数据由运算放大器放大并经过变压器耦合到4 20mA直流信号上。HART协议采用标准的Bell202移频键控信号以1200波特率进行通信。其物理层采用两种不同频率(1200Hz和2200Hz，分别代表2进制的1和0)的正弦信号，叠加在4 20mA信号上进行通信，由于正弦信号的均值为0，并不干扰直流信号。它可使模拟信号和数字信号能同时进行双向通信而不互相干扰。本发明采用的是半双工的通信，采用简化的三层模型结构，即第一层物理层、第二层数据链路层和第七层应用层。物理层规定了信号的传输方法、传输介质；数据链路层规定了 HART帧的格式，实现建立、维护、终结链路通讯功能；应用层规定HART命令集。命令分为三类，即通用命令、普通命令和专用命令。通用命令提供了所有与现场设备有关的功能，这些命令包括读取制造厂家与设备类型；读初始变量与单位；读取电流输出与量程的百分比；读4个预定义的动态变量；读写8字符位号，16字符描述符，日期；读写32字符信息；读量程、单位和阻尼时间常数；读传感器系列号和界限；读写最末的装配零件数字；写轮询地址。常用命令提供常见的多种现场设备中的功能，但不是全部。包括读总共4个动态变量的一组选择；写阻尼时间变量；写量程；校准测定(置零、置最大量程)；设置固定的输出电流；执行自检；执行主机复位；调整初始变零；写初始变量单位；调整数字-模拟转换器零点与增益；书写传送函数；书写传感器系列号；读写动态变量赋值。专用命令提供只针对特殊的现场设备的功能，是本发明自已所特有的，不互相兼容。 由于HART协议规定的数据传送速率是1200bit/s，每传送一个字符的时间接近10 毫秒，所以软件中采用中断的方式收发数据，其余时间可以使CPU进入低功耗状态或处理其它事务。MSP430的USART模块的接收、发送缓存均可产生独立的中断，程序在该中断中完成对HART信息帧的各种处理。在帧的接收过程中，每当检测出异常，会自动设置相应状态信息，程序在定时器中断集中处理传输过程中出现的错误、延迟，并根据系统工作模式的不同调用相应的处理过程。信息帧的发送过程与此类似，当系统工作于成组模式时，定位器以一定的时间间隔不断地检测线路上是否有主机上传的命令信息，如果没有，会自动把设备运行的相关信息以HART信息帧的形式发送出去；如果恰有主机正在通信，则优先执行主机命令，或根据主机命令类型推迟或取消成组数据的发送。
权利要求
1.一种基于HART通讯的电容式物位变送器，其特征在于，基于HART通讯的电容式物位变送器，包括以MCU为核心的MCU控制电路单元、信号处理单元、模数转换单元、数模转换单元和HART通讯接口，信号处理单元对传感器信号进行转换，将测量的电容值调整到相应的电压值；电压值送入模数转换单元进行数据的采集，数据被送入MCU控制电路单元；MCU控制电路单元的MSP430单片机得到HART通讯接口通讯或通过人机接口的指令后，MCU控制电路单元输出采集数据信号到数模转换单元转换为标准信号输出；信号处理单元依次包括方波发生器、第一选通开关、带通滤波器、电压跟随器、传感器、电压电流转换器、第二选通开关、相敏检波器、低通滤波器，方波发生器发出的方波送入第一选通开关的同时送入后端的相敏检波器，电压跟随器输出信号经过传感器的同时信号送到第二选通开关，MCU控制电路单元输出信号控制信号第二选通开关选择传感器信号。
2.根据权利要求1所述基于HART通讯的电容式物位变送器，其特征在于，所述HART通讯接口主要由MCU接口和变压器耦合接口构成，MCU本身带有串口可作为与HART MODEM的通讯接口。
3.一种基于HART通讯的电容式物位变送器的工作方法，包括基于HART通讯的电容式物位变送器，其特征在于，所述信号处理单元将传感器采样的模拟信号经过MCU控制电路单元，进行比较运算，根据采样值进行数据处理之后由数模转换单元输出4 20mA模拟信号，实现电容式物位变送器的物位测量；同时，HART通讯接口电路检测到叠加在4 20mA 直流信号上的外部控制信号，解调出叠加的数字信号，传送给MCU控制电路单元的CPU进行处理；处理的结果经过HART通讯接口电路调制转换为HART信号要求的交变信号并叠加在直流信号上送出。
4.根据权利要求3所述基于HART通讯的电容式物位变送器的工作方法，其特征在于， 所述HART协议采用标准的Bell202移频键控信号以1200波特率进行通信，其物理层采用 1200Hz和2200Hz两种不同频率的正弦信号，叠加在4 20mA信号上进行通信。
全文摘要
本发明涉及一种基于HART通讯的电容式物位变送器及工作方法，基于HART通讯的电容式物位变送器即在二线制电容式物位变送器基础上增加了数字通信功能，采用Bell202FSK信号标准，可使数字信号与模拟信号在互不干扰的情况下同时进行传送，实现双向通讯，同时又提高了电容式物位变送器的测量精度和利用率，便于安装、调校、维护以及控制，降低了控制成本。大大增强了其在检测与控制领域中的作用。
文档编号G01F23/26GK102538904SQ201010578669
公开日2012年7月4日 申请日期2010年12月8日 优先权日2010年12月8日
发明者杨振荣, 王鑫 申请人:上海自动化仪表股份有限公司