基于HART 協(xié)議的多路給水自動切換裝置設計

劉飛龍，孫冬梅

(南京工業(yè)大學電氣工程與控制科學學院，江蘇 南京211816)

目前，國內(nèi)的化學分析儀表在測量精度和穩(wěn)定性上與國外的化學分析儀表存在一定的差距，因此國內(nèi)大規(guī)模的火力發(fā)電廠選擇采用國外的儀表，隨之而來的是高昂的成本問題[1-2]。 本文設計了一套多路給水自動切換裝置，在需要多個化學分析儀表檢測多路樣水的火力發(fā)電廠，只使用一個化學分析儀表和給水自動切換裝置便可在遠程終端監(jiān)測多路給水中的水質(zhì)。 由于模擬儀表大量使用、無線傳輸在傳輸過程中的不可靠性以及純數(shù)字總線存在安全隱患[3]，此裝置通過HART 協(xié)議可以充分利用現(xiàn)有的儀器設備及線路在傳輸模擬信號的同時傳輸數(shù)字信號。 因此，基于HART 協(xié)議的多路給水自動切換裝置在保證測量精度、數(shù)據(jù)傳輸準確度和穩(wěn)定性的前提下，有效地節(jié)省了儀表費用、配件費用和維護費用，對火力發(fā)電廠多路給水監(jiān)測具有重要的意義和價值。

1 系統(tǒng)總體方案設計

智能多路給水自動切換裝置用于單通道化學分析儀表的通道擴展，定時自動切換通道進行火力發(fā)電廠多路給水的水質(zhì)檢測。 如圖1 所示，用戶可根據(jù)所采用的化學分析儀表使用薄膜按鍵搭配LCD顯示屏進行通道使能、單位、量程、通道循環(huán)時間T1和采集延時時間T2等參數(shù)的設置。 主控制器每隔T1時間通過開關(guān)電磁閥的方式依次切換到下一路已使能的給水通道，化學分析儀表測量當前通道的4 mA～20 mA 模擬信號經(jīng)過AD 轉(zhuǎn)換后傳輸?shù)街骺刂破鳎骺刂破鬟M行數(shù)據(jù)處理后進行數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲和HART 數(shù)據(jù)通訊。 在通道剛切換時，根據(jù)設置的T2時間延遲接收化學分析儀表的模擬量信號，以避免混合樣品的交叉影響。 當有樣水斷流、電流信號低于3.5 mA 或超過20.5 mA 等故障時顯示界面在呈現(xiàn)警告信息的同時通過干接點進行報警輸出，并自動切換到下一路。 此裝置輸出的4 mA ～20 mA 模擬信號疊加了FSK(頻移鍵控)信號支持HART 協(xié)議[4-5]，遠程監(jiān)控中心的上位機或手持器等主設備可向自動切換裝置發(fā)布符合HART 協(xié)議讀取命令和設定命令，自動切換裝置根據(jù)接收到的命令發(fā)送所需數(shù)據(jù)，進行遠程顯示和統(tǒng)計[6]。

圖1 系統(tǒng)總體設計框圖

2 硬件設計

2.1 總體硬件設計

多路給水自動切換裝置硬件設計采用模塊化設計如圖2 所示，總體硬件設計主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、人機交互模塊、HART 通信模塊3 部分。 裝置的主控單元采用基于ARM Cortex-M 內(nèi)核的STM32F103RBT6 處理器，其具有處理能力強、外設豐富、開發(fā)速度快等特點，符合裝置對處理效率、運算精度、多路輸出和低功耗等需求。 數(shù)據(jù)采集模塊中，通過控制電磁閥的開關(guān)使一路給水流入化學分析儀表，儀表輸出的4 mA～20 mA 的模擬電流信號通過電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號，由于輸入的模擬信號為1% μA 等級的微弱信號，因此采用精度為16 位的A/D 轉(zhuǎn)換器AD7705 將電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并傳輸?shù)轿⒖刂破鳌?人機交互模塊中的按鍵、串口屏、SD 卡存儲器可實現(xiàn)通道使能、量程設置、單位設置、切換設置和裝置校準等交互功能，也可實現(xiàn)多通道實時監(jiān)測值和歷史檢測值的顯示。HART 通信模塊主要包括SPI 接口的AD5421 和UART 接口的AD5700 HART 調(diào)制解調(diào)器，可實現(xiàn)此裝置與支持HART 協(xié)議的遠程上位機和移動手操器進行數(shù)據(jù)通訊。

圖2 件總體框圖

2.2 HART 通信模塊設計

可尋址遠程傳感器高速通道(HART)協(xié)議通過疊加正弦調(diào)制波的方式實現(xiàn)4 mA～20 mA 模擬信號和數(shù)字信號同時傳輸，此協(xié)議得到工業(yè)界的深度認可且在工業(yè)控制領(lǐng)域應用廣泛[7]。 HART 協(xié)議物理層規(guī)定在4 mA～20 mA 的模擬信號上疊加互不干擾的FSK 信號，如圖3 所示，F(xiàn)SK 信號是由兩個不同頻率的載波在基帶信號的控制下組合而成，其變化幅度是±0.5 mA 但平均值為零，所以不會影響模擬信號的傳輸[8]。 FSK 基于載波頻率的變化傳輸數(shù)字信號，頻率為2 200 Hz 的信號代表數(shù)字信號“0”，用頻率為1 200 Hz 的信號代表數(shù)字信號“1”[9]。 此裝置采用高性能的16 位數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD5421 接收來自STM32 的數(shù)字信號并將其轉(zhuǎn)換為4 mA ～20 mA 的模擬信號，采用ADI 公司研制的AD5700 芯片作為HART 調(diào)制解調(diào)器，其集成了符合Bell202 標準的生成信號電路、濾波電路、調(diào)制器和解調(diào)器，具有低功耗、集成度高和性能優(yōu)等特點[10]。

圖3 HART 協(xié)議原理圖

圖4 AD5421 硬件電路圖

TSSOP 封裝的AD5421 硬件電路圖如圖4 所示，其中SDO、SCLK、SYNC 和SDIN 引腳分別與控制器的MISO、SCLK、SYNC 和MOSI 引腳相連實現(xiàn)SPI 通信。 控制器通過檢測FAULT 引腳是否為高電平判斷故障的存在性。 C1、C2、C3、C5、和C6為去耦合電容至COM。 CIN 引腳通過C8電容連接到COM，主要作用是降低環(huán)路電流的變化率，CIN 引腳與C7電容耦合后連接到AD5700 用于接收HART FSK 輸入信號。 引腳Loop+和Loop-分別和4 mA ～20 mA 電流環(huán)的正負極相連接。 電阻R4與R3形成了電阻分壓器與VLOOP 相連接，實現(xiàn)對環(huán)路電源電壓的監(jiān)控。

低功耗HART 調(diào)制解調(diào)器AD5700 的硬件電路圖如圖5 所示，其中TXD(網(wǎng)絡標號為HART＿TXD)和RXD 引腳(網(wǎng)絡標號為HART＿RXD)分別與微控制器UART3 的TXD 和RXD 引腳相連實現(xiàn)UART 通信。 通過XTAL＿EN 引腳接地使能晶振電路，XTAL1和XTAL2 引腳實現(xiàn)3.686 4 MHz 外部晶振的連接，CLK＿CFG0、CLK＿CFG1 和CLKOUT 實現(xiàn)時鐘配置。ADC＿IP 引腳經(jīng)過外部RC 帶通濾波器連接到AD5421 的LOOP+端。 當此裝置需要將采集到的化學分析儀表測量值傳輸?shù)奖O(jiān)控中心時，首先將RTS引腳置為低電平，使能調(diào)制器并禁用解調(diào)器，表示發(fā)送狀態(tài)，然后將微控制器通過串口TXD 引腳傳輸?shù)臄?shù)字信號，通過使能的調(diào)制器轉(zhuǎn)換為2 200 Hz 和1 200 Hz 的正弦波信號[11]，此信號經(jīng)過緩沖和整形后通過HART＿OUT 引腳疊加到4 mA～20 mA 模擬信號上，最終傳輸?shù)奖O(jiān)控中心的上位機或移動手操器[12]。解調(diào)器使能狀態(tài)下，當上位機或手操器發(fā)送命令到此裝置時，CD 引腳置為高電平表示檢測到載波，數(shù)據(jù)首先通過濾波器進行濾波，然后通過解調(diào)器將正弦信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，通過串口RXD 引腳傳輸?shù)轿⒖刂破鬟M行處理。

圖5 AD5700 硬件電路圖

3 軟件設計

多路給水自動切換裝置軟件按照功能可分為主監(jiān)控程序、測控程序和HART 通信程序三部分。 主監(jiān)控程序是自動切換裝置軟件部分的核心，主要包括各個模塊的初始化、內(nèi)存中各個參數(shù)的自檢、鍵盤中斷和串口屏顯示子程序。 測控程序主要完成使能通道的循環(huán)開關(guān)以及數(shù)據(jù)的接收、處理和顯示。 如圖6 所示，系統(tǒng)初始化程序中已完成使能通道、循環(huán)時間、延遲時間、單位和量程等參數(shù)設置，測控程序首先開啟第一個使能通道，然后判斷化學分析儀表檢測當前通道的4 mA ～20 mA 模擬信號輸入值是否正常，如果輸入不正常立刻進行報警顯示并關(guān)閉當前通道和開啟下一個使能通道。 正常情況下不斷采樣儀表輸入值進行處理和顯示，同時不斷判斷輸入值的正確性。 如果各通道之間的循環(huán)時間T1到達，則關(guān)閉當前通道并開啟下一個使能的通道，為避免混合樣水的交叉影響，會進行T2時間的延時后再進行下一個通道的測量與顯示，這樣進行不斷循環(huán)。當前給水通道的數(shù)據(jù)顯示及模擬量和數(shù)據(jù)量的輸出在切換到其他通道時會保持切換前的狀態(tài)，直至下一次測量該通道時更新。

圖6 測控程序流程圖

HART 通信程序是自動切換裝置軟件設計的關(guān)鍵，在HART 通信協(xié)議中作為從設備的多路給水自動切換裝置，主要完成主設備命令的接收和應答，以及按照主設備的命令反饋相關(guān)數(shù)據(jù)[13]。 為了能夠及時接收到上位機或手操器的命令且不影響主監(jiān)控程序的運行，主要依靠串口中斷實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收[14]。 如圖7 所示，首先通過接收狀態(tài)標志位判斷中斷程序?qū)儆诮邮罩袛喑绦蜻€是發(fā)送中斷程序。接收中斷程序主要是在奇偶校驗有效、載波信號有效、當前為空閑狀態(tài)的前提下，對所接收到命令的命令號進行相應的處理，比如單位設置、通道使能設置、切換時間設置等，然后按照一定的格式形成應答幀放到發(fā)送緩沖區(qū)中等待發(fā)送。 如果接收標志不為1，便進入數(shù)據(jù)發(fā)送中斷程序，首先更改AD5700 為調(diào)制器切換到發(fā)送狀態(tài)，應答幀數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，將當前狀態(tài)的標志位更改為空閑狀態(tài)，等待下一條命令的接收。

圖7 串口中斷程序流程圖

4 性能檢驗

在完成多路給水自動切換裝置硬件和軟件的設計和開發(fā)后，對其性能進行測試和分析，從而判斷裝置是否滿足設計功能的需求。 實驗準備了6 路樣水，樣水鈉離子濃度分別為1 ppb、2 ppb、10 ppb、100 ppb、1 000 ppb、5 000 ppb(1 ppb ＝10-9，即十億分之1)并分別接到通道1 至通道6，多路給水自動切換裝置搭配在0.01 ppb 至2 ppb 誤差率為±0.1 ppb，在2 ppb 至10 000 ppb 誤差率為±3%的國產(chǎn)單通道鈉表進行數(shù)據(jù)采集與顯示，并基于HART 協(xié)議與上位機和手操器進行通訊。 如表1 所示，多路樣水自動切換裝置的輸入電流值和輸出電流值的誤差值在1‰ mA 之內(nèi)，滿足工藝要求。 從理論電流值和輸入電流值可以看出LCD 串口屏顯示值與理論值的偏差主要由單通道鈉表產(chǎn)生，但是此偏差在單通道鈉表的誤差范圍之內(nèi)，而且經(jīng)測試此裝置能夠很好地支持采用HART 通信軟件的上位機和手操器的所有命令。

表1 裝置測量數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

多路給水自動切換裝置搭配單通道化學分析儀表可以精確地測量多路給水中化學離子的含量。 實驗室的測試結(jié)果和合作廠商的反饋意見都表明此裝置具有低成本、使用方便、穩(wěn)定、國產(chǎn)化等特點，能夠很好地滿足市場的需求。