一种基于HART技术的协议转换装置的制作方法

一种基于hart技术的协议转换装置
技术领域
1.本发明属于自动化仪表测控技术领域，具体涉及一种hart接口与rs485接口的协议转换装置。


背景技术：

2.hart(highway addressable remote transducer)是高速可寻址远程传感器数据通路，用于智能化仪表与控制系统间的数据传输协议。其采用在模拟信号上叠加fsk(频移键控)数字信号，既保持4～20ma模拟信号的工业标准，又实现以数字形式传输过程和变送器数据的功能。其缺点是传输速度较慢，总线组网节点数量少。
3.rs485通信采用半双工工作方式，支持多点数据通信。其采用平衡发送和差分接收，具有传输速度快，抑制共模干扰的能力。rs485应用于工业环境下嵌入式仪器仪表之间进行远距离数据双向通信，其特点是传输速率高，误码率低，总线组网节点数高。
4.现有技术中，hart与rs485需要通过连接计算机的网关板卡，通过计算机编程实现通讯功能，不便于工业现场展开，扩展空间受限，且采购成本较高，不利于大规模使用。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于hart技术的协议转换装置。本发明方案能够解决上述现有技术中存在的问题。
6.本发明的技术解决方案：
7.一种基于hart技术的协议转换装置，包括测控设备和与之相连的若干个rs485与hart转换电路；
8.所述的每一个rs485与hart转换电路包括电源管理模块、rs485信号转换模块、数据解析模块、hart通讯模块和hart仪表；
9.所述的rs485信号转换模块、数据解析模块、hart通讯模块和hart仪表依次相连；
10.所述的电源管理模块为每一个rs485与hart转换电路提供电源；
11.所述的rs485信号转换模块将接收到的rs485格式的信号和uart串口数据进行相互转换；
12.所述的数据解析模块将接收到的uart串口数据按照协议进行解析；
13.所述的hart通讯模块将接收到的uart串口数据和hart格式的信号进行相互转换；
14.rs485到hart的信号传送路径为：
15.所述的rs485信号转换模块接收测试设备发送的rs485格式的信号，并将其转换为uart串口数据，传送给数据解析模块；
16.所述的数据解析模块将接收到的uart串口数据按照协议进行解析后，传送给hart通讯模块；
17.所述的hart通讯模块将获得的解析数据转换为hart格式的信号，并传送给hart仪表；
18.反之按照相反的路径，可以完成hart到rs485的信号传送。
19.进一步的，所述的与测控设备相连的rs485与hart转换电路最多为320个。
20.进一步的，所述的数据解析模块包括单片机和晶振电路，所述的晶振电路为单片机产生合格时钟信号，单片机接收rs485信号转换模块的uart串口数据，进行帧格式转换后，发送到hart通讯模块，单片机接收hart通讯模块的uart串口数据，进行帧格式转换后，发送到rs485信号转换模块。
21.所述的单片机应满足：48mips，4352b ram，64k flash，可在系统编程，2个增强型uart串口，4个通用16位计数器/定时器，40个i/o端口，器件具备上电复位功能，所述的晶振电路应满足串口标准。
22.进一步的，所述的hart通讯模块包括hart调制解调器芯片、轨到轨放大器芯片和cmos模拟开关。
23.进一步的，所述的cmos模拟开关选用单刀单掷模拟开关，具备轨至轨输出能力，ttl/cmos逻辑兼容，实现对不同线制的hart模式的自适应切换。
24.本发明与现有技术相比的有益效果：
25.(1)本发明通过将rs485与hart信号之间解析和转换，实现了hart、rs485两种不同接口和通信协议的仪器仪表间的数据双向通讯；
26.(2)本发明通过rs485信号转换模块，数据解析模块，解决了hart协议传输速率低，组网仪表数量少的缺点，使用rs485接口可以提高传输速率最大到10mbps，增加组网数量最高到320个，使工业现场不同品牌、不同协议仪表形成传感器测控网络。
附图说明
27.所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
28.图1示出了根据本发明实施例提供的一种hart接口与485接口的协议转换电路及系统实施方式原理图；
29.图2示出了根据本发明实施例提供的电源管理模块的电路原理图；
30.图3示出了根据本发明实施例提供的rs485信号转换模块的电路原理图；
31.图4示出了根据本发明实施例提供的数据解析模块的电路原理图；
32.图5示出了根据本发明实施例提供的hart通讯模块的电路原理图。
具体实施方式
33.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
35.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
36.如图1所示，根据本发明实施例提供一种基于hart技术的协议转换装置，包括测控设备和与之相连的若干个rs485与hart转换电路；
37.每一个rs485与hart转换电路包括电源管理模块、rs485信号转换模块、数据解析模块、hart通讯模块和hart仪表；
38.rs485信号转换模块、数据解析模块、hart通讯模块和hart仪表依次相连；
39.电源管理模块为每一个rs485与hart转换电路提供电源，在一个实施例中，如图2所示，24v电源供电经自恢复保险f1、防反接二极管d1后，进入dc/dc隔离电源wrb2405s-1wr2，输出dc5v后，经过低压降(ldo)电压稳压器tps76333dbv，输出dc3.3v，用于给rs485信号转换模块、数据解析模块、hart通讯模块供电，电路中还接有瞬态放电管tvs1、tvs2，电解电容c1、c2、c4，起到过电压、过电流、防反向电压接入保护功能，同时提供稳定的3.3v供电的能力。
40.rs485信号转换模块将接收到的rs485格式的信号和uart串口数据进行相互转换，在一个实施例中，如图3所示，测控设备发送的rs485数据由a、b接口进入，经过高速保护器tbu1、tbu2后，对总线起到过压保护，通过并联瞬态放电管tvs4，对总线起到过流保护，经过上、下拉电阻r15、r14起到提高驱动能力，增加抗干扰能力的作用，通过芯片sn65hvd1780d转换为uart总线格式，经过芯片sn65hvd1780d管脚1、管脚4转给数据解析模块，在数据回传的过程中，将数据解析模块传回的数据通过芯片sn65hvd1780d转换为rs485格式，传回测控设备，进行组网数据交换；
41.数据解析模块将接收到的uart串口数据按照协议进行解析，在一个实施例中，如图4所示，选用型号为c8051f340的单片机及晶振电路，晶振电路为单片机产生合格时钟信号，晶振电路选用串口标准的11.0592mhz晶振，通过单片机c8051f340的管脚47与晶振连接，经过rs485信号转换模块转换后的数据，通过uart总线1接单片机c8051f340的管脚3、管脚4，发送到单片机c8051f340内部，经过缓存，并进行数据帧格式转换，单片机c8051f340管脚1、管脚2分别与hart调制解调器相连，将解析后的数据传送给hart调制解调器；
42.hart通讯模块将接收到的uart串口数据和hart格式的信号进行相互转换，在一个具体的实施例中，如图5所示，hart通讯模块包括yt-hart的低功耗hart调制解调器芯片、型号为ad8541art的轨到轨放大器芯片和型号为max4646euk-t的cmos模拟开关。数据解析模
块输出的信号，按照hart协议速率通过uart总线2转发到hart通讯模块的低功耗hart调制解调器芯片yt-hart，由其将数字信号转换为模拟信号，低功耗hart调制解调器芯片yt-hart的管脚23通过电阻rt、r19分别与放大器芯片ad8541art管脚3、管脚4连接，通过轨到轨放大器芯片ad8541art放大3倍后，通过cmos模拟开关max4646euk-t管脚1进入，管脚2输出后送出给hart仪表，然后hart仪表读回的信号参数经过低功耗hart调制解调器芯片yt-hart的管脚18，通过低功耗hart调制解调器芯片yt-hart将模拟信号转换为数字信号后，通过uart总线2转回单片机c8051f340内部，通过uart总线1发回给rs485信号转换模块，然后转回测控设备，进行组网数据交换。cmos模拟开关max4646euk-t实现对标准两线制hart模式和四线制hart模式的自适应切换，满足对两线制hart仪表和四线制hart仪表的兼容。
43.从rs485到hart的信号相互之间的传送路径为：
44.测控设备发送的rs485数据由a、b接口进入，经过高速保护器tbu1、tbu2后，对总线起到过压保护，通过并联瞬态放电管tvs4，对总线起到过流保护，经过上、下拉电阻r15、r14起到提高驱动能力，增加抗干扰能力的作用，通过芯片sn65hvd1780d转换为uart总线格式，通过uart总线1接单片机c8051f340的管脚3、管脚4，发送到单片机c8051f340内部，经过缓存，单片机c8051f340管脚1、管脚2分别与低功耗hart调制解调器芯片yt-hart的管脚8、管脚9连接，按照hart协议速率通过uart总线2转发到hart通讯模块的低功耗hart调制解调器芯片yt-hart，由其将数字信号转换为模拟信号，通过轨到轨放大器芯片ad8541art放大后，转给hart仪表，然后hart仪表读回的信号参数经过低功耗hart调制解调器芯片yt-hart的管脚18，通过低功耗hart调制解调器芯片yt-hart将模拟信号转换为数字信号后，通过uart总线2转回单片机c8051f340内部，通过uart总线1发回给rs485信号转换模块，然后转回测控设备，进行组网数据交换。
45.综上，本发明提供的一种基于hart技术的协议转换装置相比于现有技术至少具有以下优势：
46.(1)本发明通过将rs485与hart信号之间解析和转换，实现了实现hart、rs485两种不同接口和通信协议的仪器仪表间的数据双向通讯；
47.(2)本发明通过rs485信号转换模块和数据解析模块，解决了hart协议传输速率低，组网仪表数量少的缺点，使用rs485接口可以提高传输速率最大到10mbps，增加组网数量最高到320个，使工业现场不同品牌、不同协议仪表形成传感器测控网络。
48.此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
49.以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。