专利名称：一种通用型hart变送模块及工作方法
技术领域：
本发明涉及一种变送器，特别涉及一种通用型HART变送模块。
技术背景
HART协议作为一种工业现场总线标准协议，得到了广泛了应用，目前HART型智能 仪表的市场占有量已经超过50%，但仍有约40%的仪表采用模拟量或非标准数字协议进行 输出，这些仪表将逐步被HART协议或其他数字总线协议所替代。
这些模拟量或非标准数字协议输出的仪表，大多是产量不大的特殊品种规格，或 是一些老产品。为使这些特种规格产品升级为HART型智能仪表，一般需要定制与之相配套 的电子部件或HART转换模块。此外，随着多参数复合传感器的不断出现，也需要HART变送 器模块能实现多参数的测量、计算及输出。这些复合型多参数传感器，也是由普通的压力、 差压、温度等传感器构成。
为此，需要设计一种通用型HART变送模块，提供多个测量通道，能与各种传感器 相配套，实现将这些特殊规格的仪表或传感器升级为HART型智能变送器。
通用型HART变送器模块在HART技术推广初期就已有出现。但这些早期的通用 HART模块一般只能对单一模拟量进行测量和转换，功能简单，仅支持HART5协议而且安装 的命令较少，不可以支持复合型多参数传感器及数字化传感器。发明内容
本发明是针对现在通用型HART变送器模块兼容性差的问题，提出了一种通用型 HART变送模块及工作方法，采用了多通道测量信号测量、转换及动态配置输出的方法，对工 业现场的多个过程测量值完成测量、转换及输出，并与上层监控系统建立起了一条双向数 字通信通道，使得上层监控系统能够对现场的多个过程测量通道进行组态及实时监测。
本发明的技术方案为一种通用型HART变送模块，包括了多通道信号采样模块、 恒压/恒流激励模块、微处理器模块、HART通信模块、电流输出模块，多通道信号采样模块 对多路模拟及数字型传感器进行采样后进行滤波、放大送入微处理器模块；恒压/恒流激 励模块接收微处理器模块的控制信号为传感器提供激励电压或电流；微处理器模块对采样 信号进行计算、处理及转换后，通过HART通信模块完成HART信号的调制及解调输出到HART 主站，通过电流输出模块输出4 20mA环路电流至上层控制系统。
所述多路模拟及数字型传感器可为电压、电流、电阻、频率测量信号及总线数字信 号。
一种通用型HART变送模块工作方法，包括通用型HART变送模块，微处理器模块设 定输入设备变量与输出动态变量，每一个输入通道的测量或计算值对应固定且唯一一个 设备变量，每个设备变量包括输入通道的测量值、单位、测量限、传感器编号所有通道信息， 微处理器模块周期访问多通道信号采样模块，设备变量内通道信息周期性更新；动态变量 即为通用型HART变送模块规定的4个数字输出值PV (第一主变量)、SV (第二主变量)、TV(第三主变量)、QV (第四主变量)四个，其中PV将对应为4 20mA输出，微处理器模块随时 选定通道，动态变量将指向并接收对应通道的数字输出值，进而实现多通道测量信号测量 转换及动态调整输出。
本发明的有益效果在于本发明通用型HART变送模块及工作方法，可以同时支持 模拟和数字传感器；实现测量/结果到模拟和HART数字输出的动态对应；支持HART通信功 能并符合HART协议第六版规范。
图1为本发明通用型HART变送模块系统连线图； 图2为本发明通用型HART变送模块硬件模块图；图3为本发明通用型HART变送模块变量与动态变量之间的关系图； 图4为本发明通用型HART变送模块实施例1框图； 图5为本发明通用型HART变送模块实施例2框图。
具体实施方式
通用型HART变送模块的系统连线如图1所示，传感器101将模拟或数字测量信号 传送给通用型HART变送模块102。在系统侧，通用型HART变送模块102输出模拟4 20mA 环路电流至上层控制系统103，其中4 20mA可以选择对应任意一个输入通道的测量值。 同时完成与HART主设备104之间的数字通信，实现对所有测量过程值的监测，通用型HART 变送模块，能够提供多个测量输入通道，同时支持多种传感器输出信号，包括差动电压、单 端电压、电流、频率、以及总线数字信号，能与市场上通用的传感器以及复合型多参数传感 器相配套。
通用型HART变送模块的硬件结构如图2所示，包括了多通道信号采样模块202、 恒压/恒流激励模块201、微处理器模块203、HART通信模块205、电流输出模块204。多通 道信号采样模块202对传感器传来的各种信号进行滤波、放大及采样；恒压/恒流激励模块 201为传感器提供激励电压或电流，恒压与恒流输出的切换由MCU控制模拟开关完成；微处 理器模块203将处理采样信号的计算及转换、恒压/恒流激励模块的切换、HART从设备协议 栈的实现、模拟输出模块的控制及驱动；HART通信模块205完成HART信号的调制及解调； 电流输出模块204将输出4 20mA环路电流。
图3描述了从传感器信号到设备变量再到动态变量的转换过程。微处理器模块 203会周期访问多通道信号采样模块202，获取各个通道的测量值。每一个输入通道都有一 个固定且唯一的设备变量号，使之与一个设备变量绑定。而设备变量又与动态变量相关，两 者之间的映射关系由HART的51号命令进行设置，保存在非易失存储器中。可以通过HART 的50号命令进行读取，获取两者之间的映射关系。
动态变量中PV (第一主变量)的测量值，将对应最终输出的环路电流的电流值，并 传送至上层控制系统103。而HART主设备104可以通过HART的3号命令来获取各个动态 变量的值，也可以利用HART的设备变量相关命令对各个设备变量的测量和相关信息进行 监测，从而达到了实时监测多个过程测量值的目的。
引入HART6中的“设备变量”与“动态变量”的概念。“设备变量”对应为每一个输入通道的测量或计算值，而“动态变量”即为HART规定的4个数字输出值PV(第一主变量)、 SV (第二主变量)、TV (第三主变量)、QV (第四主变量)四个，其中PV将对应为4 20mA输出ο
每一个输入通道都会与一个固定且唯一的设备变量绑定。为了通过“设备变量” 来访问输入通道的所有相关信息，在程序设计中，建立了一个结构体DEVICE_VARIABLE来 对“设备变量”进行一个完整的描述，包括输入通道的测量值、单位、测量限、传感器编号等 fn息ο
此外，为了描述“动态变量”，又设计另一个结构体DYNAMIC_VARIABLE对“动态变 量”进行描述，该结构体除了需要包含一个指向“设备变量”的指针PDV外，还包含了与电流 输出相关的信息，包括DA调整系数、输出模式、数字电流值等等，以体现“动态变量”的输出 特性。
通过执行HART的51号命令，可以改变pDV指针的指向，实现动态变量的分配，由 此可以完成“设备变量”到“动态变量”的转换，进而实现多通道测量信号测量转换及动态 调整输出的方法。
图4给出的是一个数字输出型物位计使用通用型HART变送模块402在系统中的 连线图。物位计401通过其数字输出接口，与通用型HART变送模块402的通道5输入端口 403相连。两者之间采用MODBUS数字通讯协议来交互数据，传输模式为RTU传输模式，通讯 速率为9600bps。通用型HART变送模块402采用了 Freescale公司的MC9S12E64作为微处 理器404，利用其异步通信口经过光隔405后与输入端口 403相连。
在开始运行之前，首先需要利用HART主设备407对通用型HART变送模块402进 行组态配置，完成测量单位、测量限、传感器编号、输出方式等参数的设置，这些参数信息都 被封装在一个DEVICE_VARIABLE的结构体中。
正式运行的时候，微处理器404每隔一定时间会发出MODBUS请求报文，物位计401 接收到请求报文后，将返回液位、温度等过程测量信息。通用型HART变送模块402接收到 这些信息后后，会更新相应的设备变量值。
通过HART的51号命令可以改变动态变量与设备变量之间的映射关系，具体方式 为执行HART的51号命令，改变用来描述动态变量的结构体DYNAMIC_VARIABLE所包含的 一个指向DEVICE_VARIABLE结构体的指针，即可达到改变动态变量与设备变量之间的映射 关系的目的。同时，微处理器会将当前的映射关系存入一个外部EEPROM存储器。
图5给出的是一个多参数传感器使用通用型HART变送模块在系统中的连线图。多 参数传感器501将输出差压、压力、过程温度、传感器温度测量信号。这些模拟测量信号将 通过通用型HART变送模块502的输入通道进入传感器信号采集模块503进行采样。传感 器信号采集模块503由前级信号调理电路及一块AD采样芯片组成，AD采样芯片为ADI公 司的AD7714。微处理器504将周期访问AD7714，以获取每个通道的测量值。每次接收到新 的测量值后，相应的设备变量值都会进行更新，因此HART主站505通过发送HART的3号命 令可以实时获取到多参数传感器501的各个测量值。权利要求
1.一种通用型HART变送模块，其特征在于，包括了多通道信号采样模块、恒压/恒流 激励模块、微处理器模块、HART通信模块、电流输出模块，多通道信号采样模块对多路模拟 及数字型传感器进行采样后进行滤波、放大送入微处理器模块；恒压/恒流激励模块接收 微处理器模块的控制信号为传感器提供激励电压或电流；微处理器模块对采样信号进行计 算、处理及转换后，通过HART通信模块完成HART信号的调制及解调输出到HART主站，通过 电流输出模块输出4 20mA环路电流至上层控制系统。
2.根据权利要求1所述通用型HART变送模块，其特征在于，所述多路模拟及数字型传 感器可为电压、电流、电阻、频率测量信号及总线数字信号。
3.一种通用型HART变送模块工作方法，包括通用型HART变送模块，其特征在于，微处 理器模块设定输入设备变量与输出动态变量，每一个输入通道的测量或计算值对应固定 且唯一一个设备变量，每个设备变量包括输入通道的测量值、单位、测量限、传感器编号所 有通道信息，微处理器模块周期访问多通道信号采样模块，设备变量内通道信息周期性更 新；动态变量即为通用型HART变送模块规定的4个数字输出值PV (第一主变量)、SV (第 二主变量)、TV (第三主变量)、QV (第四主变量)四个，其中PV将对应为4 20mA输出，微 处理器模块随时选定通道，动态变量将指向并接收对应通道的数字输出值，进而实现多通 道测量信号测量转换及动态调整输出。
全文摘要
本发明涉及一种通用型HART变送模块及工作方法，多通道信号采样模块对多路模拟及数字型传感器进行采样后进行滤波、放大送入微处理器模块；恒压/恒流激励模块接收微处理器模块的控制信号为传感器提供激励电压或电流；微处理器模块对采样信号进行计算、处理及转换后，通过HART通信模块完成HART信号的调制及解调输出到HART主站，通过电流输出模块输出4～20mA环路电流至上层控制系统。采用了多通道测量信号测量、转换及动态配置输出的方法，对工业现场的多个过程测量值完成测量、转换及输出，并与上层监控系统建立起了一条双向数字通信通道，使得上层监控系统能够对现场的多个过程测量通道进行组态及实时监测。
文档编号G01D21/02GK102032928SQ20101058870
公开日2011年4月27日 申请日期2010年12月15日 优先权日2010年12月15日
发明者叶瑞源, 王骏 申请人:上海工业自动化仪表研究院