CN201514245U

CN201514245U - 带有hart通信模块的流量传感器

Info

Publication number: CN201514245U
Application number: CN2009202360985U
Authority: CN
Inventors: 陈柏志
Original assignee: EMA ELECTRONICS Ltd
Current assignee: EMA ELECTRONICS Ltd
Priority date: 2009-09-23
Filing date: 2009-09-23
Publication date: 2010-06-23
Anticipated expiration: 2019-09-23

Abstract

本实用新型提出一种带有HART通信模块的流量传感器，包括流量信号采集单元、信号放大电路、微处理器、HART通信模块和4～20mA测量电路。流量信号采集单元采集流量信号；信号放大电路接收上述流量信号；流量信号经上述信号放大电路放大后输入给微处理器；HART通信模块从上述微处理器接收数据或者发送数据至上述微处理器；4～20mA测量电路连接上述HART通信模块。本实用新型可以使用HART协议数字通信的方式远程设置仪表参数、中间测量数据、校准参数等信息，以及通过HART通信传输流量变化的数字值。

Description

带有HART通信模块的流量传感器

技术领域

本实用新型涉及流量传感器技术领域，特别是有关于一种带有HART通信模块的流量传感器。

背景技术

流量传感器用于流量监控***中，当流速达到设定的流速阀值时，输出功率开关控制信号，用于启动连锁保护***；或是通过模拟和数字量直接输出检测信号，由工业控制***检测并控制。在工业自动化过程控制中，有时为了达到远程监视的要求，流量传感器输出1～5V或4～20mA的模拟信号，但信号的精度较低且传输过程中易受干扰；有些流量传感器采用串口通信的方式传输采集信号，没有模拟量信号的输出。由于模拟现场还保留很多现役模拟设备，受原投资保值的限制，从模拟传感器到全数字智能传感器的更新还需要很长一段时间，在此期间，开发出一种能兼容模拟信号和数字信号的智能流量传感器将具有十分重要的现实意义。本实用新型介绍的带有HART通信模块的流量传感器即是在这样的背景下开发的。

HART(Highway Addressable Remote Transducer)可寻址远程传感器高速通道的开放的通信协议，是一种用于现场智能仪表和控制室设备之间的通信协议。HART装置提供具有相对低的带宽，适度响应时间的通信。HART技术在国内外已经十分成熟，并已成为全球智能仪表的工业标准。HART协议采用基于Be11202标准的FSK频移键控信号，在低频的4～20mA模拟信号上叠加幅度为0.5mA的音频数字信号进行双向数字通讯，数据传输速率为1.2Mbps。由于FSK信号的平均值为0，不影响传送给控制***模拟信号的大小，保证了与现有模拟***的兼容性。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种可以使用HART协议数字通信的方式可以远程设置仪表参数、中间测量数据、校准参数等信息，以及通过HART通信传输流量变化的数字值的流量传感器。

为达上述目的，本实用新型提出一种带有HART通信模块的流量传感器，包括流量信号采集单元、信号放大电路、微处理器、HART通信模块和4～20mA测量电路。流量信号采集单元采集流量信号；信号放大电路接收上述流量信号；流量信号经上述信号放大电路放大后输入给微处理器；HART通信模块从上述微处理器接收数据或者发送数据至上述微处理器；4～20mA测量电路连接上述HART通信模块。

本实用新型中，流量信号采集单元是流量传感器，流量传感器包括流速感应电阻RF、温度感应电阻RT，温度感应电阻RT连接有基准电压，电阻RT、RF分别连接信号放大电路的两输入端。

本实用新型中，其中还包括人机接口，连接上述微处理器。

本实用新型中，微处理器为MSP430F135处理器。HART协议通信模块包括HART调制/解调器HT1200M和D/A转换器AD421。

综上所述，本实用新型提出了采用带有HART通信模块的流量传感器，这样可以通过4～20mA电流信号传递流量变化，而且使用HART协议数字通信的方式可以远程设置仪表参数、中间测量数据、校准参数等信息，以及通过HART通信传输流量变化的数字值。本实用新型既可实现独立控制，又可以作为分体流量传感器，连接现场总线组成集散式控制***。本实用新型的设计方案使流量传感器的安装、操作、维护、接线更加方便，可靠性得到很大提高。

附图说明

图1为本实用新型实施例的原理框图。

图2为图1中流量信号采集单元、信号放大电路和微处理器的连接示意图。

图3为图1中微处理器、HART通信模块和4～20mA测量电路的连接示意图。

图4所示为图1中的HART通信模块的工作流程图。

具体实施方式

为让本实用新型的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。

本实用新型提出一种带有HART通信模块的流量传感器，包括流量信号采集单元11、信号放大电路12、微处理器13、HART通信模块14、4～20mA测量电路15和人机接口16。流量信号采集单元11采集流量信号；信号放大电路12接收上述流量信号；流量信号经上述信号放大电路12放大后输入给微处理器13；HART通信模块14从上述微处理器13接收数据或者发送数据至上述微处理器13；4～20mA测量电路15连接上述HART通信模块14，人机接口16连接上述微处理器13。

流量检测单元11设有两个热敏电阻和一个热源(发热体)，该热源在介质中引起一个局部温度升高，增加的温度由其中一个热敏电阻检测。只要介质流经热源，就吸收热源的热量，一个热敏电阻检测由此而得出的温度变化，用于流量的显示，为得到比较宽的线性范围，使变化的介质温度获得一个精确的测量结果，另外一个热敏电阻和汽室用于温度的补偿，从而得到比较宽的线性范围。

流量信号经由热敏电阻的探头采集，通过信号放大电路12放大后输入给微处理器13。经处理后，微处理器13会根据所设定的流量范围产生基准电压，从而保证采样电压为最佳精度值。对于输出信号，还附带有电流侦测功能，当电流超过既定量时，会提供过流保护。

如图2所示，本实施例中，流量检测单元11是流量传感器，包括流速感应电阻RF、温度感应电阻RT(用于感应水温，产生基准电压)，温度感应电阻RT由基准电位产生器供电，电阻RT、RF分别连接差动放大器(应用现有的器件)的两输入端、差动放大器输出的信号经带通滤波器(由现有的高通滤波电路和低通滤波电路组成)滤波后与微处理器13内置的高精度A/D转换器131连接。

图3为图1中微处理器、HART通信模块和4～20mA测量电路的连接示意图。如图3所示，微处理器13采用了高性能、低功耗的16位处理器MSP430F135，它具有16K字节的***内可编程Flash，512字节的片内SRAM，12位A/D转换器。MSP430F135通过三线接口CLOCK、DATA和LATCH将数字信号输入AD421，转换成4～20mA电流输出，传送模拟量流量值。MSP430F135的通用串行收发模块UART的接口信号包括载波检测OCD、HART解调输出RXD、来自UART的HART调制输入TXD和请求发送RTS；经过外部电阻电容和HT1200M内部电路完成接收信号的带通滤波和放大，用于解调；调制好的数据经过内部整形电路处理后由管脚OTXA输出，通过电容C5耦合到AD421内部，然后叠加到环路上传输。

HART协议通信中，主要的变量或控制信息一般由4～20mA传送，另外的诸多的测量数据、设备参数、校准信息、诊断信息等通过HART协议传输，采用半双工通信方式。以HART协议通信模块需要完成测量结果的数字码到4～20mA模拟信号的D/A转换，以及上其他信息的HART协议数字通信。HART协议通信模块主要由HART调制解调器HT1200M和D/A转换器AD421及其***电路实现。其中，AD421通过串行接口接收现场仪表内部MCU传送的数字信号，转换成4～20mA电流输出，输出主要的测量结果。HT1200M接收叠加在4～20mA环路上的信号，对其带通滤波和放大之后进行载波检测，带通主要有电阻R7、R10、R11和电容C8、C9、C10等元件构成。如果检测到FSK频移键控信号，则将1200Hz的信号解调为“1”，2200Hz信号解调为“0”，并通过串口通信传输给MCU，MCU接收命令帧并作相应的数据处理。之后，MCU产生要发回的应答帧，应答帧的数字信号由HT1200M调制成相应的1200Hz和2200Hz的FSK频移键控信号，并经过发送信号整形电路进行波形整形后，经AD421叠加在环路上发送。HT1200M是单片、半双工1200b/s速率的频移键控(FSK)调制解调器，Bell202标准的FSK频移键控信号，载波为1200Hz和2200Hz，内部集成了接收带通滤波器电路和发送信号波形整形电路。

本实用新型设计中当HT1200M接收时，从4～20mA环路上接收信号，经过带通滤波、放大整形后提取出FSK信号并解调为数字信号，传送给MCU；发送时，从MCU接收数据，进行调制和波形整形后耦合到AD421内部，通过AD421叠加到环路上。HT1200M和MCU通过后者的通用串行通信接口连接。

AD421是ADI公司推出的单片高性能数模转换器，主要由移位寄存器、电压调整器、数模转换器和电流放大器组成。电压调整器由运放、带隙基准和外接FET调整管组成，能够从环路中获取电流。数模转换器采用∑-ΔDAC结构，将16位数字码转换为4～20mA模拟电流。AD421在时钟信号的控制下，移位寄存器把DATA引脚上的数据逐次读入，转换为相应的电流信号，经过电容C5、C6、C7的三级滤波，满足HART信号截止频率双极点低通滤波特性。数模转换器输出的电流信号经过精密放大器放大，控制LOOPRTN引脚电流。

流量测控程序包括信号的采集和数据滤波处理、量程切换、非线性补偿运算。HART协议数据链路层和应用层的软件设计，是整个模块软件设计的主体和关键。图4所示为图1中的HART通信模块的工作流程图。HART协议通信模块的通信过程首先由主机(上位机)发送命令帧发起，本实用新型作为从设备使用中断调用子程序的方法完成接收和应答。本实用新型上电或看门狗复位后，主程序首先对HART协议通信模块进行初始化，设定UART的工作方式、串行通信波特率、数据帧格式、清通信缓冲区、开中断等，之后将其设置为等待状态。上位机发送命令时，HT1200M的载波检测输出OCD变为低电平，触发UART中断，程序进入接收过程。微处理器13完成主机命令的接收、解释并执行相应的操作后，按一定格式生成应答帧并送入发送缓冲区，完成发送后再次将HART协议通信模块设置为等待状态。具体流程如图4。

本实用新型中所述具体实施案例仅为本实用新型的较佳实施案例而已，并非用来限定本实用新型的实施范围。即凡依本实用新型申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应作为本实用新型的技术范畴。

Claims

1.一种带有HART通信模块的流量传感器，其特征在于，包括：

流量信号采集单元，采集流量信号；

信号放大电路，接收上述流量信号；

微处理器，流量信号经上述信号放大电路放大后输入至微处理器；

HART通信模块，从上述微处理器接收数据或者发送数据至上述微处理器；

4～20mA测量电路，连接上述HART通信模块。

2.根据权利要求1所述的带有HART通信模块的流量传感器，其特征在于，其中流量信号采集单元是流量传感器，流量传感器包括流速感应电阻RF、温度感应电阻RT，温度感应电阻RT连接有基准电压，电阻RT、RF分别连接信号放大电路的两输入端。

3.根据权利要求1所述的带有HART通信模块的流量传感器，其特征在于，其中还包括人机接口，连接上述微处理器。

4.根据权利要求1或2或3所述的带有HART通信模块的流量传感器，其特征在于，其中微处理器为MSP430F135处理器。

5.根据权利要求1或2或3所述的带有HART通信模块的流量传感器，其特征在于，其中HART协议通信模块包括HART调制/解调器HT1200M和D/A转换器AD421。