專利名稱：基于hart通訊的電容式物位變送器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種檢測技術，特別涉及一種基于HART通訊的電容式物位變送器。
背景技術：
物位是指貯存容器或工業(yè)生產設備里的液體、粉末狀固體、氣體之間的分界面位置，也可以是互不相容的兩種液體間由于密度不等而形成的界面位置。根據具體用途分為液位、料位、界位傳感器或變送器。物位是控制過程中所涉及的主要參數之一。物位不僅是物料耗量或產量計量的參數，也是保證連續(xù)生產和設備安全的重要參數。特別是在現代化工業(yè)中，生產規(guī)模大，速度高，且常有高溫、高壓、強腐蝕性或易燃易爆物料，對于物位的監(jiān)視和自動控制更是至關重要。因此，物位檢測技術在現代化工業(yè)過程控制中占重要地位。物位變送器在電站、石化、油田等工業(yè)領域得到廣泛的應用。通過對物位的測量，獲得物位的連續(xù)變量或開關量信號，以獲取容器中物料的數量，以便調節(jié)物料的流入流出流量，從而實現對物料的處理以及加工過程最優(yōu)化的控制，并且對在線物料的儲藏管理提供有用信息。電容式傳感器是將被測非電量的變化轉換為電容量變化的一種傳感器。雖然電容式傳感器易受分布電容的影響，而且抗干擾能力和信號遠距離傳輸能力也不高。但是電容式傳感器具有結構簡單，分辨率高等諸多優(yōu)點。并能在高溫輻射和強烈振動等惡劣條件下工作。電容式物位變送器適用于工業(yè)企業(yè)在生產過程中進行測量和控制生產過程，主要用作類導電與非導電介質的液體物位或粉粒狀固體料位的遠距離連續(xù)測量和指示。作為測量物位的傳統(tǒng)方法，電容式測量對現場環(huán)境的要求不高，而且簡單易行，維修方便，也能夠適用于許多工業(yè)場合。目前來講電容式物位變送器是產品最為成型，功能最為完善，應用最為廣泛的一種物位計。隨著現場總線技術在工業(yè)過程控制領域的應用，自動化系統(tǒng)的網絡化、總線化是大的趨勢，原有的電容式物位變送器通過4 20mA模擬信號控制，不能進行數字通訊，不能滿足現代工業(yè)系統(tǒng)的要求。由于HART協議具有兼容數字信號和模擬信號的特點，在不影響模擬信號控制的前提下可以進行數字通訊，具有現場和遠程參數監(jiān)控功能，在降低系統(tǒng)成本、提高控制精度和系統(tǒng)可靠性方面具有不可比擬的優(yōu)勢。目前具有HART協議的智能儀表在國內市場上一直被國外公司的產品所壟斷，由于其高昂的價格和技術的壟斷，使國內企業(yè)的生產成本大大增加，降低了企業(yè)的競爭能力， 因此研發(fā)具有自主知識產權的基于HART通訊的電容式物位變送器具有很大的現實意義。
發(fā)明內容本實用新型是針對現有的電容式物位變送器無法實現數字通訊的問題，提出了一種基于HART通訊的電容式物位變送器，在二線制電容式物位變送器基礎上增加了數字通信功能，可使數字信號與模擬信號在互不干擾的情況下同時進行傳送，實現雙向通訊，大大增強了其在檢測與控制領域中的作用。本實用新型的技術方案為一種基于HART通訊的電容式物位變送器，基于HART通訊的電容式物位變送器，包括以MCU為核心的MCU控制電路單元、信號處理單元、模數轉換單元、數模轉換單元和HART通訊接口，信號處理單元對傳感器信號進行轉換，將測量的電容值調整到相應的電壓值；電壓值送入模數轉換單元進行數據的采集，數據被送入MCU控制電路單元；MCU控制電路單元的MSP430單片機得到HART通訊接口通訊或通過人機接口的指令后，MCU控制電路單元輸出采集數據信號到數模轉換單元轉換為標準信號輸出；信號處理單元依次包括方波發(fā)生器、第一選通開關、帶通濾波器、電壓跟隨器、傳感器、電壓電流轉換器、第二選通開關、相敏檢波器、低通濾波器，方波發(fā)生器發(fā)出的方波送入第一 選通開關的同時送入后端的相敏檢波器，電壓跟隨器輸出信號經過傳感器的同時信號送到第二選通開關，MCU控制電路單元輸出信號控制信號第二選通開關選擇傳感器信號。所述HART通訊接口主要由MCU接口和變壓器耦合接口構成，MCU本身帶有串口可作為與HART MODEM的通訊接口。本實用新型的有益效果在于本實用新型基于HART通訊的電容式物位變送器，實現雙向通訊，同時又提高了電容式物位變送器的測量精度和利用率，便于安裝、調校、維護以及控制，降低了控制成本。

圖1為本實用新型基于HART通訊接口的電容式物位變送器原理圖；圖2為本實用新型單片機與HART通訊接口圖。
具體實施方式
基于HART通訊的電容式物位變送器，包括以MCU為核心的MCU控制電路單元1、信號處理單元2、模數轉換單元3、數模轉換單元4和HART通訊接口 5。MCU控制電路單元1 包括電源模塊11、MSP430單片機12及人機接口 ；信號處理單元2主要是對傳感器信號進行轉換，將測量的電容值調整到相應的電壓值；電壓值送入A/D轉換單元3進行數據的采集， 數據被送入MCU控制電路單元1 ；MCU控制電路單元1的MSP430單片機12得到HART通訊接口 5通訊或通過人機接口的指令后，MCU控制電路單元1輸出采集數據信號到D/A轉換單元4轉換為相應4 20mA輸出；HART通訊接口 5還包括由專用HART調制解調芯片所構成的調制解調電路。信號處理單元2依次包括方波發(fā)生器21、第一選通開關22、帶通濾波器23、電壓跟隨器24、傳感器25、電壓電流轉換器26、第二選通開關27、相敏檢波器28、低通濾波器29，方波發(fā)生器21發(fā)出的數個不同角度的方波送入第一選通開關22的同時送入后端的相敏檢波器28，電壓跟隨器24輸出信號經過傳感器25的同時信號送到第二選通開關27，MCU控制電路單元1輸出信號控制信號第二選通開關27選擇傳感器信號。本實用新型通過設置HART通訊接口電路、MCU控制電路單元，傳感器采樣的模擬信號經過MCU控制電路單元，進行比較運算，根據采樣值進行數據處理之后由D/A轉換單元輸出4 20mA模擬信號，實現電容式物位變送器的物位測量；同時，HART通訊接口電路檢測到疊加在4 20mA直流信號上的外部控制信號，解調出疊加的數字信號，傳送給CPU進行處理；處理的結果經過HART通訊接口電路調制轉換為HART信號要求的交變信號并疊加在直流信號上，從而實現與外界信息的數字通訊。本實用新型中，主要的變量和控制信息由 4 20mA傳送，在需要的情況下，其他過程參數、設備組態(tài)、校準和組態(tài)信息通過HART協議以數字通信的方式訪問。MCU控制單元內部集成12位AD轉換器、具有超低功耗并可以直接驅動IXD，高達 60KB的FLASH存儲器以及2KB的RAM可以節(jié)省許多外圍芯片，大大簡化硬件電路設計。
HART通信接口用MCU和HART MODEM芯片開發(fā)基于HART通訊的電容式物位變送器，簡單方便，縮小了空間和成本。HART MODEM的主要功能模塊由控制邏輯、載波檢測、調制和解調四部分組成。它集成了輸入濾波和輸出整形的功能，可以簡化接口電路設計實現系統(tǒng)的可靠性。HART通訊接口主要由MCU接口和變壓器耦合接口構成。MCU本身帶有串口可作為其與HART MODEM的通訊接口，如圖2所示。當A5191的IRXA引腳上出現1200 (士 10)Hz或2200 (士20)Hz的頻率信號時，則 A5191的OCD腳為高電平，MCU從Pl. 6檢測到高電平后將Pl. 3置高電平，此時HART MODEM 的INRTS腳檢測到高電平，打開解調器對檢測到的數字信號進行解調并將有效數據由ORXD 傳送給MCU進行處理。若0⑶為低電平，說明總線空閑，這時MCU設定P1. 3也為低電平，則A5191的調制器打開，將從ITXD接收的數據調制整形后由OTXA引腳發(fā)送。由OTXA發(fā)送的數據由運算放大器放大并經過變壓器耦合到4 20mA直流信號上。HART協議采用標準的Bell202移頻鍵控信號以1200波特率進行通信。其物理層采用兩種不同頻率(1200Hz和2200Hz，分別代表2進制的1和0)的正弦信號，疊加在4 20mA信號上進行通信，由于正弦信號的均值為0，并不干擾直流信號。它可使模擬信號和數字信號能同時進行雙向通信而不互相干擾。
權利要求1.一種基于HART通訊的電容式物位變送器，其特征在于，基于HART通訊的電容式物位變送器，包括以MCU為核心的MCU控制電路單元、信號處理單元、模數轉換單元、數模轉換單元和HART通訊接口，信號處理單元對傳感器信號進行轉換，將測量的電容值調整到相應的電壓值；電壓值送入模數轉換單元進行數據的采集，數據被送入MCU控制電路單元；MCU控制電路單元的MSP430單片機得到HART通訊接口通訊或通過人機接口的指令后，MCU控制電路單元輸出采集數據信號到數模轉換單元轉換為標準信號輸出；信號處理單元依次包括方波發(fā)生器、第一選通開關、帶通濾波器、電壓跟隨器、傳感器、電壓電流轉換器、第二選通開關、相敏檢波器、低通濾波器，方波發(fā)生器發(fā)出的方波送入第一選通開關的同時送入后端的相敏檢波器，電壓跟隨器輸出信號經過傳感器的同時信號送到第二選通開關，MCU控制電路單元輸出信號控制信號第二選通開關選擇傳感器信號。
2.根據權利要求1所述基于HART通訊的電容式物位變送器，其特征在于，所述HART通訊接口主要由MCU接口和變壓器耦合接口構成，MCU本身帶有串口可作為與HART MODEM的通訊接口。
專利摘要本實用新型涉及一種基于HART通訊的電容式物位變送器，基于HART通訊的電容式物位變送器即在二線制電容式物位變送器基礎上增加了數字通信功能，采用Bell202FSK信號標準，可使數字信號與模擬信號在互不干擾的情況下同時進行傳送，實現雙向通訊，同時又提高了電容式物位變送器的測量精度和利用率，便于安裝、調校、維護以及控制，降低了控制成本。大大增強了其在檢測與控制領域中的作用。
文檔編號G01F23/26GK201974211SQ20102064773
公開日2011年9月14日 申請日期2010年12月8日 優(yōu)先權日2010年12月8日
發(fā)明者楊振榮, 王鑫 申請人:上海自動化儀表股份有限公司