【文章內(nèi)容簡介】 現(xiàn)場儀表信號的傳輸方式經(jīng)歷了模擬信號傳輸方式、模擬數(shù)字混合信號傳輸方式、全數(shù)字信號傳輸方式三個階段。 本世紀 40 年代， 過程控制儀表基于氣動信號 ， 60 年代先后引入 0～ 10mA和 4～ 20mA 模擬電流信號標準，這兩個標準對儀表工業(yè)發(fā)展發(fā)揮了巨大作用。DDZIII 型模擬儀表皆以 4～ 20mADC 信號作為現(xiàn)場信號傳輸標準?，F(xiàn)場變送器將檢測信號變換為 4～ 20mADC 信號，經(jīng)雙絞線送入控制室內(nèi)的控制器中，經(jīng)控制運算之后，將其輸出變換為 4～ 20mADC 信號，傳輸給現(xiàn)場執(zhí)行器件，完成過 程控制。 4～ 20mA DC 作為信號傳輸標準，系統(tǒng)響應(yīng)快，簡單通用是其主要優(yōu)點。但其傳輸精度不高，易受干擾，一對電纜線上只能單方向傳輸單一信息，不僅使電纜用量大，而且也出現(xiàn)了信息傳輸?shù)摹捌款i”現(xiàn)象。 1986 年 ,Rosemount 公司提出了 HART 通信協(xié)議 (Highway Addressable Remote Transducer)即可尋址數(shù)據(jù)通道遠傳傳感器。 HART 通信協(xié)議參照國際標準化組織 (ISO)制定的“開放系統(tǒng)互聯(lián)模型 (OSI)”，簡化使用了其第 7層，即物理層、 數(shù)據(jù)鏈路層及應(yīng)用層。在其物理層中， HART 協(xié)議采用了基于BELL202 通信標準的頻移鍵控技術(shù) (FSK)，使數(shù)字信號調(diào)制后疊加于 4～20mADC 信號上，數(shù)字信號使用 1200Hz 和 2200Hz 兩個不同的頻率分別對應(yīng)數(shù)字 1 和數(shù)字 0，通信時頻率變化的平均分量為 0，使數(shù)字信號和模擬信號互不影 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 5 響。 HART 協(xié)議的智能變送器輸出信號波形如圖 11 所示。 1200Hz “1” 2200Hz “0” 圖 11 HART 協(xié)議智能變送器輸出信號波形 由于 HART 協(xié)議采用了 4～ 20mADC 信號和數(shù)字信號的混合傳輸方式，使其不僅可利用 4～ 20mA DC 信號而且可利用同一電纜利用數(shù)字信號實現(xiàn)雙向多信息傳輸，從而達到諸如修改量程、阻尼時間、 PID 參數(shù)等目的，進而可提高系統(tǒng)的運行質(zhì)量和管理效率，降低操作和運行成本。另外，數(shù)字信號的應(yīng)用，使現(xiàn)場智能變送器部分地采用了“明天的技術(shù)”，將 PID 調(diào)節(jié)、流量積算、設(shè)定值程序發(fā)生、曲線設(shè)定等功能下放到 HART 智能變送器中，實現(xiàn)控制功能下放。其次，由于 HART 協(xié)議采用了 OSI 的簡化模型，使不同廠家生產(chǎn)的 HART協(xié)議產(chǎn)品具有一定 的開放性，大大方便了用戶的選用。 HART 協(xié)議是公開的，世界上已有 70 多家公司宣布接受這一協(xié)議，如Foxboro、 ABB、 TOSHIBA 等，并組成了 HART 用戶組織 HUG（ HART User Group）。據(jù) 1994 年統(tǒng)計，世界上遵守 HART 協(xié)議的產(chǎn)品市場占有率約為 70%左右。 HART 協(xié)議采用了 4～ 20mA DC 信號和數(shù)字信號進行信息傳輸，與傳統(tǒng)的4～ 20mA DC 信號兼容，實現(xiàn)了雙向數(shù)字通信，可進行總線式連接而節(jié)省電纜，比 4～ 20mA DC 信號傳輸方式的控制系統(tǒng)有了很大進步。但它 有不足之處，一是速度慢，數(shù)字的通信波特率僅為 1200bps；二是 HART 協(xié)議智能儀表只能固定擔(dān)當(dāng)系統(tǒng)中“主”或“從”設(shè)備中一個，屬主從式通信，僅適用于那些對通信速度要求不高的場合 [16]。 自 80 年代起，微處理器、計算機網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)取得了長足進展。微處理器與傳感器、執(zhí)行器相結(jié)合涌現(xiàn)了大量的智能化、數(shù)字化變送器和執(zhí)行裝置。數(shù)字化無可置疑的優(yōu)點，導(dǎo)致了取代 4~20mA DC 的強烈要求，促使發(fā)達國家紛紛推出了各自的數(shù)字總線和現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場總線的概念應(yīng)包含以下兩方面內(nèi)容： ，是一種全 數(shù)字化、雙向、多信息、多主站通信規(guī)程的應(yīng)用技術(shù)，它要保證連接可互操作 （ interoperable） 產(chǎn)品，能把控制功能分散到現(xiàn)場裝置中，并能實現(xiàn) 數(shù)字形式寬范圍通信。 + 0mA xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 6 ，供應(yīng)商提供各種可互操作的產(chǎn)品，如控制系統(tǒng)、測量儀表和執(zhí)行裝置，用戶可自由選擇不同廠商的產(chǎn)品，利用現(xiàn)場總線構(gòu)成自己所需的自動化系統(tǒng)。開放性是現(xiàn)場總線的主要標志之一。 盡管現(xiàn)場總線國際標準進展不如想象中快，但最終其標準是必將建成的。一旦現(xiàn)場總線標準制訂完成，勢必引起控制系統(tǒng)一場革命，其影響將超過 50 年代末由舊式模擬儀表 向電動或氣動單元組合儀表轉(zhuǎn)換的影響，和超過 80 年代從電子模擬儀表轉(zhuǎn)到 DCS 那樣大的深度?，F(xiàn)場總線產(chǎn)品的應(yīng)用勢必開辟控制領(lǐng)域新紀元，并對自動化產(chǎn)品市場及控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和設(shè)計方法產(chǎn)生很大的沖擊。毫無疑問，數(shù)字化傳輸是現(xiàn)場變送器信號傳輸?shù)陌l(fā)展趨勢。不同傳輸方式的數(shù)字化變送器框圖如圖 12 所示。 圖 12 數(shù)字化變送器框圖 在數(shù)字傳輸方面，有現(xiàn)場總線國際標準，但限于資料和開發(fā)工具限制，還不能按其標準進行設(shè)計工作?？紤]到實際情況，本人認為有 RS—485 和 CAN總線兩種，較易進行開發(fā)，也能滿足使用要求。盡管 CAN 總線有許多優(yōu)點，但CAN 總線開發(fā)、使用費用要高于 RS— 485 總線，從經(jīng)濟性考慮，設(shè)計采用RS—485 總線。 本論文的主要工作 在充分了解國內(nèi)外變送器發(fā)展動態(tài)的前提下，結(jié)合現(xiàn)場控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀，設(shè)計了現(xiàn)場總線通信協(xié)議，研制了相應(yīng)的硬件裝置，完成了軟件的設(shè)計與實現(xiàn)，進行了系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)實驗。具體內(nèi)容如下： ，設(shè)計 自適應(yīng)增益 模擬信號高精度放大電路； ADC 和 DAC 芯片，進行接口設(shè)計，送入微處理器進行數(shù) 據(jù)采集處理，輸出模擬 4～ 20mADC 標準信號，以達到與模擬變送器兼容； D/A CPU A/D 傳感器 4~20mA DC 信號 Field 接口 CPU A/D 傳感器 數(shù)字信號 模擬信號傳輸數(shù)字化變送器 數(shù)字化傳輸變送器 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 7 RS— 485 總線接口，設(shè)計通信協(xié)議，實現(xiàn)信號的數(shù)字化傳輸； ； 、看門狗、存儲器電路設(shè)計； ； 。 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 8 第 2章 硬件電路設(shè)計 變送器是工業(yè)過程重要的基礎(chǔ)自動化設(shè)備之一。主要完成物理信號的測量和換處理。隨著高參數(shù)、大容量設(shè)備的增加和過程工藝的復(fù)雜．對自動化的依賴越來越大，變送器用量不斷增多．要求不斷提高。模擬式變送器主要是由運算放大器、電阻、電容等器件構(gòu)成，功能較單一，主 要起信號放大、變換作用。近年來隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，尤其是近年來由于低功耗、多功能單片微處理器、高精度 A/D 與 D/A 變換器件的面世，為研制通用型高精度智能變送器打下了扎實的物質(zhì)基礎(chǔ)。智能變送器都是以 CPU 為核心構(gòu)成的數(shù)字化儀表，工作原理如圖 21 所示。 圖 21 變送器工作原理圖 智能變送器采用 CPU 后，不僅可對溫度、濕度、流量、位移等物理 量進行測量與變送，還能大大提高系統(tǒng)的可靠性與精度， 實現(xiàn)一機多用 。 本論文智能變送器的硬件電路設(shè)計主要包括單片機選擇、弱信號增益自 調(diào)節(jié)電路設(shè)計、 A/D 轉(zhuǎn)換器選擇及接口電路設(shè)計、 D/A 轉(zhuǎn)換器電路選擇及接口設(shè)計、看門狗電路、存儲器電路設(shè)計、 RS— 485 總線接口電路設(shè)計、 4～ 20mA 轉(zhuǎn)換電路設(shè)計、鍵盤和顯示器接口電路設(shè)計等。硬件設(shè)計原理框圖如圖 22 所示。下面分節(jié)給予介紹。 圖 22 硬件原理設(shè)計框圖 由傳感器將非電量信號變換為電量信 號 進 行 放大、濾波等變換電路 CPU 進行數(shù)據(jù)采集處理 將 過接口電路 進 行 顯示、信號遠傳 CPU TLC 25 43 增益調(diào)節(jié)電路 增益調(diào)節(jié)電路 傳感器 傳感器 看門狗、存儲器電路 DAC0832 V/I 光隔 RS485 接口 鍵盤、液晶顯示電路 4~20mA xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 9 單片機選擇 因 MCS— 51 系列單片機已被國內(nèi)用戶廣泛認可和應(yīng)用，貨源充足，資料豐富，仿真工具種類繁多且成熟，因此設(shè)計選用 ATMEL 公司生產(chǎn)的 80C52 單片機，其本身具有 8051CPU 內(nèi)核，片內(nèi) 256 字節(jié) RAM、特殊功能寄存器 SFR、時鐘頻率 、 3 個 8 位并行 I/O 口、 2 個 16 位定時計數(shù)器、全雙工串行口、布爾處理器 、 4 層優(yōu)先級中斷結(jié)構(gòu) ， 兼容 TTL 和 CMOS 邏輯電平 。硬件擴展方便，用途廣泛 [2]。 輸入信號增益自調(diào)節(jié)電路設(shè)計 目前現(xiàn)實應(yīng)用中存在很多非標準的傳感器，其應(yīng)用存在兩個問題： 0～ 5V、 4～ 20mA 等標準信號，而是 mV 級直流弱信號， 經(jīng)運 算 放 大器 放大后才能達到通常的 A/D 轉(zhuǎn)換器需要的 0～ 5V 信號要求 。 情況下，信號幅值不一致，如同批次某應(yīng)變片式壓力傳感器，在同一 +5VDC 電壓供電情況下，滿量程時輸出信號在 ～ 之間變化；不同作用的傳感器同樣存在輸出信號不一致的問題。在多傳感器應(yīng)用系統(tǒng)中，給運放電路設(shè)計、調(diào)試、維修帶來了很大困難。所以，論文對選用輸出不同幅值的弱信號的多傳感器應(yīng)用系統(tǒng)，設(shè)計一種通用的能夠根據(jù)傳感器輸出信號滿量程幅值自動調(diào)節(jié)增益的運算放大電路。設(shè)計思路為：在變送器工作現(xiàn)場利用鍵盤輸入所使用的傳感器輸出信號的滿量程幅值或由上位機通過遠程通信方式將傳感器輸出信號的滿量程幅值下載到變 送器中，變送器CPU 根據(jù)該幅值大小，自動計算所需運放增益，達到增益自動調(diào)節(jié)目的?？勺冊鲆娣糯笃鞯脑鲆娓淖兎绞街饕腥斯?(或機械 )和程控兩大類，具體方法有多種，每種方法各有其優(yōu)點和局限性。從理論上講改變集成運算放大器 (運放 )的反饋電阻或輸入電阻，即可改變放大器的增益 。有以下三種方法： 非易失性數(shù)控電位器克服了模擬電位器的主要缺點，無噪聲、壽命長、阻值可程控改變、可設(shè)定阻值掉電記憶，步進阻值小，增益接近線性。 DAC 改變電阻 電流輸出型 DAC 內(nèi)含 R─2R電阻網(wǎng)絡(luò)，可以作為 運放的反饋電阻或輸入電阻，在 DAC 輸入數(shù)據(jù)的控制下，實現(xiàn)放大器增益的程控改變。 用不同阻值的固定電阻 ，將其分別接入運放的輸入回路，以此來達到改變輸入電阻的目的，從而實現(xiàn)對信號的放大或衰減，即改變放大器的增益。缺點是多路模擬開關(guān)的導(dǎo)通電阻影響放大器的增益。 本設(shè)計采用 第一種 方法，即用非易失性數(shù)控電位器和高精度運放組成程控增益放大器。由新型的集成儀表放大器 AD623 和非易失性數(shù)控電位器 X9241 組成。采用程控改變運放的反饋電阻來實現(xiàn)可變增益的放大器。非易失性數(shù)控電 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 10 位器克服了模擬電 位器的主要缺點，無噪聲，壽命長，阻值可程控改變，可設(shè)定阻值掉電記憶。設(shè)計采用的電路具有增益范圍寬、成本低，適用做單片機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的傳感器與 ADC 之間的信號放大器。增益自調(diào)節(jié)電路原理如圖 23所示： R G I N I N +VR G +V+O U T P U TR E FR?V C CV W 3V L 3VH3A1A3S C LV W 2VH2V L 2V W 0V L 0VH0A0A2V W 1V L 1VH1S D AV s sR?x 92 4 1A D 6 23V C COUTV C CS C LV C CV C CS D A 圖 23 增益自調(diào)節(jié)電路 下面簡要介紹所用芯片 AD623 與 X9241。 AD623 是一個集成單電源儀表放大器，該芯片內(nèi)含 3 個運算放大器，它能在單電源下提供滿電源幅度的輸出。 AD623 允許使用單個增益設(shè)置電阻進行增益編程，以得到更好的用戶靈活性，且符合 8 引腳的工業(yè)標準配置。在無外接電阻的條件下， AD623 被設(shè)置為單位增益，在接入外界電阻后， AD623 可編程設(shè)置增益，且其增益最高可達 1000 倍。 AD623 通過提供極好的隨增益增大而增大的交流共模抑制比而保持最小的誤差。線路噪聲及諧波將由于共模抑制比在高達 200HZ 時仍保持恒定而受到抑制。 AD623 具有較寬的共模輸入范圍，它可以放大具有低于低電平 150mv 的共模電壓的信號。特別適合模塊化電路應(yīng)用，且在最小的空間內(nèi)提供很好的線性度、溫度穩(wěn)定性和可靠性。 輸入信號加到作為電壓緩沖器的 PNP 晶體管上，并且提供一個共模信號到輸入放大器。每個放大器接入一個精確的 50kΩ的 反饋以保證增益可編程。差分輸入為： xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 11 =(1+ )