基于HART 協議的多路給水自動切換裝置設計

劉飛龍，孫冬梅

(南京工業大學電氣工程與控制科學學院，江蘇 南京211816)

目前，國內的化學分析儀表在測量精度和穩定性上與國外的化學分析儀表存在一定的差距，因此國內大規模的火力發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測多路給水中的水質。 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字總線存在安全隱患[3]，此裝置通過HART 協議可以充分利用現有的儀器設備及線路在傳輸模擬信號的同時傳輸數字信號。 因此，基于HART 協議的多路給水自動切換裝置在保證測量精度、數據傳輸準確度和穩定性的前提下，有效地節省了儀表費用、配件費用和維護費用，對火力發電廠多路給水監測具有重要的意義和價值。

1 系統總體方案設計

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電廠多路給水的水質檢測。 如圖1 所示，用戶可根據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、通道循環時間T1和采集延時時間T2等參數的設置。 主控制器每隔T1時間通過開關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 模擬信號經過AD 轉換后傳輸到主控制器，主控制器進行數據處理后進行數據顯示、數據存儲和HART 數據通訊。 在通道剛切換時，根據設置的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 協議[4-5]，遠程監控中心的上位機或手持器等主設備可向自動切換裝置發布符合HART 協議讀取命令和設定命令，自動切換裝置根據接收到的命令發送所需數據，進行遠程顯示和統計[6]。

圖1 系統總體設計框圖

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據采集模塊、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 內核的STM32F103RBT6 處理器，其具有處理能力強、外設豐富、開發速度快等特點，符合裝置對處理效率、運算精度、多路輸出和低功耗等需求。 數據采集模塊中，通過控制電磁閥的開關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 轉換器AD7705 將電壓信號轉換為數字信號并傳輸到微控制器。 人機交互模塊中的按鍵、串口屏、SD 卡存儲器可實現通道使能、量程設置、單位設置、切換設置和裝置校準等交互功能，也可實現多通道實時監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 調制解調器，可實現此裝置與支持HART 協議的遠程上位機和移動手操器進行數據通訊。

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)協議通過疊加正弦調制波的方式實現4 mA～20 mA 模擬信號和數字信號同時傳輸，此協議得到工業界的深度認可且在工業控制領域應用廣泛[7]。 HART 協議物理層規定在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，FSK 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字信號，頻率為2 200 Hz 的信號代表數字信號“0”，用頻率為1 200 Hz 的信號代表數字信號“1”[9]。 此裝置采用高性能的16 位數模轉換器AD5421 接收來自STM32 的數字信號并將其轉換為4 mA ～20 mA 的模擬信號，采用ADI 公司研制的AD5700 芯片作為HART 調制解調器，其集成了符合Bell202 標準的生成信號電路、濾波電路、調制器和解調器，具有低功耗、集成度高和性能優等特點[10]。

圖3 HART 協議原理圖

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，實現對環路電源電壓的監控。

低功耗HART 調制解調器AD5700 的硬件電路圖如圖5 所示，其中TXD(網絡標號為HART＿TXD)和RXD 引腳(網絡標號為HART＿RXD)分別與微控制器UART3 的TXD 和RXD 引腳相連實現UART 通信。 通過XTAL＿EN 引腳接地使能晶振電路，XTAL1和XTAL2 引腳實現3.686 4 MHz 外部晶振的連接，CLK＿CFG0、CLK＿CFG1 和CLKOUT 實現時鐘配置。ADC＿IP 引腳經過外部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到監控中心時，首先將RTS引腳置為低電平，使能調制器并禁用解調器，表示發送狀態，然后將微控制器通過串口TXD 引腳傳輸的數字信號，通過使能的調制器轉換為2 200 Hz 和1 200 Hz 的正弦波信號[11]，此信號經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，最終傳輸到監控中心的上位機或移動手操器[12]。解調器使能狀態下，當上位機或手操器發送命令到此裝置時，CD 引腳置為高電平表示檢測到載波，數據首先通過濾波器進行濾波，然后通過解調器將正弦信號轉化為數字信號，通過串口RXD 引腳傳輸到微控制器進行處理。

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控程序、測控程序和HART 通信程序三部分。 主監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、內存中各個參數的自檢、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開關以及數據的接收、處理和顯示。 如圖6 所示，系統初始化程序中已完成使能通道、循環時間、延遲時間、單位和量程等參數設置，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時間T1到達，則關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。當前給水通道的數據顯示及模擬量和數據量的輸出在切換到其他通道時會保持切換前的狀態，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鍵，在HART 通信協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數據[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控程序的運行，主要依靠串口中斷實現數據的發送和接收[14]。 如圖7 所示，首先通過接收狀態標志位判斷中斷程序屬于接收中斷程序還是發送中斷程序。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送緩沖區中等待發送。 如果接收標志不為1，便進入數據發送中斷程序，首先更改AD5700 為調制器切換到發送狀態，應答幀數據發送完成后，將當前狀態的標志位更改為空閑狀態，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%的國產單通道鈉表進行數據采集與顯示，并基于HART 協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，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生，但是此偏差在單通道鈉表的誤差范圍之內，而且經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 裝置測量數據

5 結論

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、穩定、國產化等特點，能夠很好地滿足市場的需求。