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普通智能变送器的HART改造

  摘要:HART协议是一种过渡现场总线,既保留模拟信号又可进行数字通讯,目前具有HART通讯功能的变送器在市场上很有竞争力。本文介绍了一种方便可行的对现有普通智能变送器的技术改造方法,使其具有HART数字通讯能力。

  关键词:HART  智能变送器  中央处理单元

Abstract:The HART smart transmitter can communicate through digital signal and also output the analog current. There is one of the methods to add the HART communication ability to common smart transmitter in this paper.

Keywords:  HART   Smart Transmitter   CPU

  随着电子半导体器件的发展,智能化、网络化成为过程自动化现场变送器的发展方向。现场总线技术的发展和成熟为过程自动化的发展描绘了一幅美丽的前景。目前,FF总线(基金会现场总线)、PROFIBUS总线在国内的过程自动化领域都有比较成功的应用范例。HART协议现场总线作为一种过渡的总线技术,在保留传统模拟变送器标准4~20mA电流信号的基础上增加了通讯的功能。HART智能变送器既可以接入DCS系统,又可以通过总线通讯组成完整的FCS(FIELDBUS CONTROL SYSTEM)系统,同时还可以通过手持终端在线调整变送器参数。由于HART智能变送器具有上述的多种灵活性,在目前的变送器市场中,HART智能变送器占有很大的份额。

   面对目前的市场竞争,国内众多的变送器生产厂家都把变送器的HART智能化改造作为技术革新的方向;力争通过HART智能变送器的推出进一步开拓市场。

   如何实现变送器的HART智能化改造成为摆在众多变送器生产厂家面前的一个问题。尤其是对一些已经智能化改造、但不能完成总线通讯的变送器,怎样在保证现有产品相对独立性的基础上添加HART通讯功能,很多技术人员都在研究。

   一些技术人员存在一种观念,即一台4~20mA标准输出的两线制变送器只需要添加一块HART协议通讯卡就可以完成变送器的HART改造;实际上这种想法是不可行的。下面从HART协议可以实现的功能进行阐述。

   一台符合HART协议智能变送器若已通过HART基金会的应用层测试,应该可以通过HART通讯完成一些最常规的功能,包括:

  * 读取变送器测量动态变量,如主变量、输出电流等;

  * 设定变送器处于多点(输出电流固定)或者单点(输出电流4~20mA)模式;

  * 设定、读出必要的变送器管理信息;

  * 读出变送器所连接传感器的相关参数;

  * 获得变送器的生产厂商、设备类型、HART协议版本等基本信息。

   如上所述,可以通过HART协议对变送器的电流输出进行控制,也就是说电流环路输出与HART通讯模块是一个整体,不可分割。因此,上面提及的改造模式对于两线制变送器来说是不能实现的。

   一般来讲,除了上述最基本的功能外,符合HART协议智能变送器还可以通过HART通讯完成其他几项功能:

  * 设定变送器测量量程

  * 设定变送器输出阻尼

  * 完成传感器的线性化

   本文下面介绍一种比较简单的方法,可以实现普通智能变送器的HART改造。实现方法的具体功能框图如下:

   原有的智能变送器电子板中剔除电流输出控制模块,保留传感器激励、传感器信号采集、信号运算处理等功能模块(本文以下将保留部分简称为“信号采集处理模块”)。HART通讯模块的中央处理单元(CPU)与信号采集处理模块中的中央处理单元(CPU)直接串行传递数据。对于信号采集处理模块中的CPU而言,原用于控制电流输出的I/O口线可转而用于CPU通讯,基本不增加硬件负担。CPU的软件中也相应的去除控制电流输出的程序,添加用于CPU之间串行传递数据的功能模块。

   对于HART通讯模块而言,不发生HART通讯时,周期性通过CPU之间的数据传递从信号采集处理模块读取动态变量;发生HART通讯时,不定期的通过CPU之间的数据传递设定变送器的运算、控制参数。在双CPU的数据传递中,HART通讯模块中的CPU处于支配地位,负责启动数据传递及验证数据传递的正确性。

   对于一些HART协议规定的与变送器动态变量运算、输出无关的管理信息等通讯参数,HART通讯模块可以独立处理,无需启动双CPU之间的数据传递。一些必需双CPU数据传递的变送器参数在下面列出:测量动态变量(包括主变量、输出电流数值等)、量程、输出阻尼、传感器线性化参数等。对于不同种类的变送器,需要传递的数据也有很大的不同,多则数十个,少则几个。

   用于实现双CPU之间串行数据传递的方法有很多,本文介绍一种适用于我们需要的主从式数据传递模式。

数据传递功能:

  主CPU读取从CPU指定参数(在物理上可以表现为存储空间地址)的数据,或者将数据写入从CPU的指定参数。

通信接口:

  两块CPU之间通过四根口线连接,分别定义为:CLK、DATA1、DATA2、CONTROL;主CPU全部采用普通I/O口线,从CPU除去CLK应用外部中断口线外,其他三根口线也均使用普通I/O口线。主CPU按某一周期中断从CPU,从CPU接收中断信号,并做相应处理。

数据传递时序:

  假设从CPU的时钟频率为1.8432MHZ,T2的最小值为248微妙;T1+T2的最小值为 312.5 微妙。

  为确保数据传递的可靠性,主CPU向从CPU写入数据时,可以通过先写入,后读出,比较数据是否相同;主CPU由从CPU读出数据,可以连续读取两次,比较数据是否相同。若不同,则连续执行写入或者读出操作。

  总之,通过上面谈到的HART通讯模块与信号采集处理模块之间CPU数据传递的模式对现有的普通智能变送器进行HART改造,只需要对原智能变送器的电子板做微小的改动,实现周期短,可以比较快的将新产品推向市场。当然,在实际改造过程中,也有许多的具体问题需要仔细考虑,如信号采集处理模块的功耗、双方数据传递的具体参数定义等。这时,只能根据实际情况把握。

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