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基于HART协议的智能现场通信器的软件设计

焦燕鸿  
【摘要】: 现场总线是目前国际上过程控制领域的一个热点,通过现场总线,数字通信技术可以延伸到现场级仪表,给控制体系带来一场革命。HART协议作为一个开放性的协议,现已成为智能仪表的“事实上”的标准。其特点是在现有的模拟信号传输线上实现数字信号通信,属于模拟系统向数字系统转变过程中的过渡产品,因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争能力,得到了较快的发展。目前,智能化现场设备的国内市场几乎被国外大公司所控制。为了推动民族工业的发展,打破某些大公司的垄断,国家组织了基于现场总线的新一代控制系统的研究和开发。在此背景下,基于HART协议的智能现场通信器的设计为HART通信协议在智能仪表应用做了一些有益尝试。 论文对HART协议作了一个较全面的分析。HART协议采用ISO/OSI简化模型,ISO/OSI分为七个功能层,HART协议只用了第一、二、七层,即物理层,数据链路层和应用层。其中物理层规定了信号的传输方式以及信号电平等内容。数据链路层规定了设备类型以及数据传输帧格式。命令层规定了HART协议的各种命令及响应码。基于HART协议的智能现场通信器的通信功能就是基于HART的各种规范实现的。智能现场通信器的通信功能实现包括硬件实现和软件实现。其中硬件实现是指对于HART协议物理层的实现,软件实现是指对于HART协议数据链路层和应用层的实现。 为了提高被测数据精度以及加强现场设备的工作安全性,在本设计中加入了一些数据处理、运算及测控功能,例如温度补偿和PID算法功能块。PID控制是目前在过程控制系统应用最广,技术最成熟的一种控制方式,在基于HART协议的智能现场通信器的设计中,同样也采用了这样的控制算法。通过智能现场通信器中PID控制功能单元来完成对现场设备的控制功能,其控制参数通过HART数据帧传送给现场设备,从而保证现场设备始终处于正常的工作状态。 由于传感器实际工作环境的温度变化幅度是很大的,对于高精度的传感器,温度误差已成为提高其性能指标的严重障碍。传统的硬件补偿技术,不但成本高,设备复杂,而且对有些误差的补偿是极为困难的,甚至是不可能 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的。在本设计中,为了保证所测数据的精度,对所采集到数据通过软件处理 的方法进行温度补偿。文中首先介绍了两种常规的温度补偿的方 二维 线性插值法、曲线拟合法。在此基础上提出了改进方法的数学模型及软件实 现。最后进行了补偿效果分析,通过计算证明该方法可有效改善温度补偿的 效果。 基于HART协议的智能现场通信器的软件总体设计主要包括HART通信实 t 现功能块和测控功能块。其中HART通信程序为HART协议数据链路层和应用 层的软件实现,测控程序主要包括数据采集、数据处理和控制运算的部分。 为了满足智能现场通信器对信号实时处理的需要,在HART智能现场通信器软 件总体设计中采用实时控制系统。通过比较各种实时系统软件结构,结合本 设计的特点,采用前后台系统,又叫中断处理系统,它是嵌入式实时系统的 一种主要形式。在设计中,采用*公司的TMS320C5409作为处理器。该DSP 芯片具有强大的数字信号处理功能且速度较快,易于实现对实时信号处理的 要求。软件设计采用DSP环境下的汇编语言与C语言相结合的方式完成。 HAR通信的应用非常广泛,最普通的是用智能现场通信终端与现场智 能仪表进行通信。对于购买的遵循HAR协议的变送器具有全部的通信功能, 并己实现了与智能现场终端(SFC)之间的通讯,但SFC并不适用于操作人 员做常规监控用,而且不能实现用户自编程序的自动控制过程。为了满足用 户对部分控制功能的需求,常在智能现场通信器的设计中加入所需的特殊功 能块。本设计正是基于这种情况,对HAR仪表设计所做的有益尝试。初步 测试表明,该软件可进行基本的通信、数据处理及控制功能。


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