隔离式协议转换器在PDS型压变并行温补系统上的研发与应用

1、隔离式协议转换器在PDS型压变并行温补系统上的研发与应用谢先伟1，张宇2，胡珺珺3，徐旭2重庆工程职业技术学院 重庆，402260)重庆川仪自动化股份有限公司技术中心 重庆，401121)重庆邮电大学移通学院 重庆，401571)摘要：文章提出隔离式协议转换器在PDS型压力变送器并行温压补偿系统上的研发与应用，其目的是替换现存以HART总线1为基础的并行PDS温压补偿系统的补偿电路，进而简化了补偿电路，提高了主站与工位采集板之间的通讯速率，使系统的维护和维修简单，以及令PCI总线驱动控制PIO数字I/O电路2完全的独立出来，只用于温压补偿中气路的切换选择控制。隔离式协议转换器是一款自主研发、自

2、拟协议的独立模块，经PDS型压力变送器生产企业的应用与验证，该研发成果能够较好的解决现在温压补偿系统存在的问题，同时易移植于其它温压补偿系统上，并满足PDS型压力变送器生产客户的需求。关键字：隔离式；协议转换器；压力变送器；HART总线；通讯速率；PCI总线The Development and Appliction of Isolated Protocol Converter to PDS Pressure Transmitter Parallel Temperature and Pressure Compensation System Xie Xian-wei1，Zhang Yu2，Hu

3、Jun-jun3，Xu xu2The Chongqing Vocational Institute of Engineering. ChongQing,402260)Chongqing Chuanyi Automation Co.,Ltd.Technical Branch. ChongQing,401121)College of Mobile Telecommunications Chongqing University of Posts and Telecommunications. ChongQing,401571)Abstract: This paper puts forward a k

4、ind of isolated protocol converter which applied to the temperature and pressure compensation system of PDS pressure transmitter.Its purpose is to replace the existing parallel temperature and pressure compensation system based on HART bus1,which simplifies the compensation circuit, improves the com

5、munication rate between master station and location acquisition boards , makes the maintenance and repair of the system simple, and make the PCI bus driver control PIO digital I/O circuit2 complete independence,which only used for gas path switching selection control of temperature and pressure comp

6、ensation.Isolated protocol converter which is a standalone module by independent research and self-proposed protocolis,it is application and verification by PDS pressure transmitter,the developmental achievement is able to solve the problems of the current temperature and pressure compensation syste

7、m ,while it is easy to transplant to other temperature and pressure compensation system,and meet the demand of PDS pressure transmitter production .Key Words: Isolated; Protocol Converter; Pressure Transmitter; HART Bus; Communication rate; PCI Bus中图法分类号： TP273 文献标识码：B 文章编号：0 引言由于现阶段并行的PDS型压力变送器温压补偿

8、系统控制软件与工位传感器信号采集板之间的通讯是以HART总线为基础，并通过PCI总线驱动控制PIO数字I/O矩阵电路完成工位传感器间HART总线的切换。在实际的生产应用中发现，由于HART通讯协议是模拟信号和数字信号的融合，随着并行标定压力传感器数量的增加，加载在4-20mA电路回路上的FSK调制协议信号发生改变，进而导致整批次压力传感器的温压补偿的失败，再加上HART总线的通讯波特率为1200B/S3，势必会导致压力传感器温压补偿生产周期长的问题。同时，以PCI总线驱动控制PIO数字I/O矩阵电路在生产应用中可操控性差，维护和维修成本也比较高。为此，本文提出一种自主研发、自拟协议的隔离式协议

9、转换器在PDS型压力变送器传感器并行温压补偿系统上的研发与应用，来解决现存并行温压补偿系统中存在的问题。1 隔离式协议转换器的工作原理及硬件设计隔离式协议转换器的工作原理：该协议转换器以M16CM3030RFCP微控制器4为核心，接受PDS压力变送器温压补偿系统主站自动补偿软件通过RS485总线发送的协议帧控制，并依据协议帧指令通过RS232总线获取高低温烘箱5内部对应工位压力传感器内相应的数据（包括压力、温度和电流的标定采样，温压补偿的线性修正系数，协议转换器内部参数等），并将数据通过RS485总线回传至系统主站。隔离式协议转换器的硬件设计主要分为电源部分、总线通信部分和数字控制三部分,见图

10、1为其硬件设计原理图。协议转换器的电源硬件原理与设计其中电源部分要求模块为24V DC供电，在温压补偿系统中，协议转换器是作为压力传感器温压补偿标定数据采样的功能块，所以为了提高RS485总线和RS232总线通信电路抗干扰能力，提高信号传输的可靠性需采用隔离性的DC/DC模块电源供电。实际的设计应用中将24V DC电源分离出两组独立5V DC电源，一组作为RS485总线驱动芯片MAX481的电源，另一组作为RS232总线驱动芯片MAX232和微控制器M16CM3030RFCP的电源。协议转换器的通讯硬件原理与设计隔离式协议转换器总线通信部分的设计要满足下面几个要求：其一、该协议转换器对于温压补

11、偿系统来讲属于从站设备，其通讯总线为RS485总线，它接受温压补偿系统主站发来的压力、温度、电流、读写线性修正系数等控制指令，同时为避免来自主站工控机通讯端口电路对协议转换器数据采集和数据传输的电磁干扰，要求在温补系统的工控机串行通讯端口端加RS232转RS485的光电隔离器。其二、同样为有效地抑制电磁干扰和消除接地环路的干扰，提高通信的可靠性，将M16CM3030RFCP微控制器的RXD-485、TXD-485、CTR-485引脚与RS485总线驱动芯片的接收器输出(RO)、接收器输出使能(RE)、驱动器使能(DE)、驱动器输入(DI)等引脚之间需加光电隔离器。其三、该协议转换器对于压力差压

12、传感器工位电路来讲为主站设备，通过RS232总线来获取对应工位压力差压传感器的压力、温度、电流采样值，以及温压补偿结束后温压补偿修正系数的读写功能。图1 隔离式协议转换器的硬件设计原理图3 协议转换器数字控制硬件原理与设计隔离式协议转换器数字控制主要完成地址设备地址配置、工作状态指示和转换器死机复位等三种功能。隔离式协议转换器的地址配置是通过播码开关实现的，M16CM3030RFCP微控制器通过获取P0和P1两组I/O输入的状态值来设置协议转换器的地址。隔离式协议转换器的工作状态指示主要分为微控制器供电状态指示（D6 LED，正常状态为常亮，否则供电异常）、程序运行状态指示（D7 LED，程序

13、正常运行为常亮，否则闪动）和RS232总线通讯状态指示（D8 LED，RS232总线通讯正常为常亮，否则闪动）。转换器死机复位功能就是防止模块死机后无法正常工作，为此在微控制器外加了一个看门狗。2 隔离式协议转换器的协议原理及软件研发要实现隔离式协议转换器在PDS型压力变送器自动并行温压补偿系统中应用，首先就要使温补系统主站、协议转换器和工位控制采集板三方必须有一个统一的通讯协议，才能保证协议转换器有机的融入到温压补偿系统中，进而实现系统的正常运转，以及解决现在基于HART总线型并行温压补偿系统中存在的问题。整套温压补偿系统，不论是系统控制主站，还是隔离式协议转换器和工位控制采集板，采用的都是

14、自拟的类似于MODBUS协议6的总线协议来实现三者之间的通讯功能。见图2为自拟协议命令帧及命令响应帧。图2 自拟协议命令帧及命令响应帧隔离式协议转换器控制软件的设计主要完成协议功能模块和辅助功能模块。其中协议功能模块主要为从主协议模块和主从协议模块。从主协议模块是隔离式协议转换器通过RS485总线接收主站自动温压补偿系统的协议帧控制，在此过程中协议转换器属于从属设备，受控于温补系统。主从协议模块是隔离式协议转换器通过RS232总线控制对应工位控制板进行工位压力差压传感器的压力、温度和电流的标定采样与数据回传。辅助功能模块主要为拨码开关式的地址配置、协议转换器状态指示控制和复位控制。拨码开关式的

15、地址配置是为隔离式协议转换器分配地址，软件只需读取P0、P1 I/O引脚的状态值即可。状态指示控制主要是方便用户可直接的通过目测就可知道在线的隔离式协议转换器是否正常工位，RS232总线的通讯是否正常。复位控制主要是通过定时器定时的向看门狗发送占空比为50%,周期小于100ms的脉冲信号。软件的具体流程如下（见图3为隔离式协议转换器软件的流程图）。图3 协议转换器软件实现流程图M16CM3030RFCP微控制器对PLL锁相环、相关参数、I/O端口、控制寄存器及中断向量进行初始化配置。置RS485总线为接收态。微控制器对RS485总线进行监听，如果存在协议命令帧，则跳转至4），否则跳转至7）。解

16、析主站发来的协议帧指令，如果是读取采样标定数据，则跳转5）。如果是除读取采样标定数据之外的协议帧指令，则跳转6）。置RS485总线为发送态，延时并向主站发送读取采样标定数据响应帧，延时置RS485总线为接收态。微控制器通过RS232总线向工位控制板发送主站命令意图协议帧，并处理相应的响应协议帧当前的运行状态扫描并控制状态指示灯。定时喂狗，并跳转至3）。3 协议转换器在温补系统中的组网与实现应用本文提出的隔离式协议转换器在PDS型压力变送器温压补偿系统上的应用，其前提是不改变现有温度补偿系统中的设备平台，只将现存的以HART总线为通讯基础，以PCI总线驱动控制PIO数字I/O卡实现的HART工位

17、总线切换矩阵电路替换为以RS485总线为通讯基础的隔离式协议转换器。其目的有五：其一、简化了温压补偿系统中的补偿电路；其二、提高了主站与工位压力差压传感器之间的通讯速率；其三、支持在线每一工位独立的带电热插拔操作；其四、使系统的维护和维修简单；其五、另以PCI总线驱动控制PIO数字I/O卡完全的独立出来，只用于温压补偿中基架上待补偿传感器气路的选择切换控制。见图4为隔离式协议转换器在PDS型压力变送器温压补偿系统中进行组网连接的示意图。PDS型压力变送器的压力或差压传感器在出厂前都要进行一次完整的全温区温压补偿标定，并在全温区内选取120/85/65/45/25/5/-15/-40等作为温度补

18、偿点，同时在对应温度点下还要进行压力和电流的标定7。对于压力型的传感器通常选取该类型传感器满量程的0.0/0.05/0.1/0.15/0.2/0.3/0.4/0.5/0.65/0.8/1.0作为压力补偿标定点。对于差压型的传感器通常选取该类型传感器满量程的-1.0/-0.8/-0.65/-0.5/-0.4/-0.3/-0.2/-0.15/-0.1/-0.05/0.0/0.05/0.1/0.15/0.2/0.3/0.4/0.5/0.65/0.8/1.0作为压力补偿标定点。依据上述给定的温度和压力补偿标定条件，应用隔离式协议转换器在PDS型并行温压补偿系统上进行压力型传感器温压补偿的具体实现流程8

19、如下：图4 隔离式协议转换器在温补系统组网示意图控温：主站软件通过RS485总线控制设置高低温烘箱的温度，并将温度设置为第1个温度补偿点120，使其恒温延时并趋于稳定状态，则进行当前温度点下的压力标定；气路选择：主站软件通过PCI总线驱动控制PIO数字I/O矩阵电路，将压力控制器RUSKA 72509的压力输出端与待补偿传感器的测试端连通。控压：主站软件通过GPIB总线1011控制压力控制器，使其压力的输出值为待补偿压力传感器的第1个压力补偿标定点（传感器满量程的0.0）。当气路管道内的气体压力与压力控制器输出的压力相等且处于稳定状态时，则准备进行当前压力标定点的标定采样。主站发送并行压力标定

20、协议帧至协议转换器：主站软件通过RS485总线向在线所有协议转换器发送并行压力采样广播协议帧。协议转换器发压力标定协议帧至工位控制板：在线所有隔离式协议转换器实时监听主站软件发来的并行压力标定协议帧，并解析协议帧指令，并将压力标定指令发送至对应工位压力传感器的控制板。压力标定数据回传：工位控制板接收到协议转换器发压力标定协议帧后进行压力标定的采样、滤波，并将结果回传协议转换器并进行存储，等待主站的读取。完成其它压力标定点的采样滤波：重复步骤3）至6），完成120下其它压力标定点的采样。温度标定：与并行压力标定采样相同，先是主站发并行温度标定采样的广播协议帧告知协议转换器进行对应工位压力传感器的

21、温度标定采样，然后协议转换器向对应工位传感器控制板发送温度采样指令，最后工位将温度标定采样结果回传给协议转换器，等待主站读回。电流标定：与温度标定流程相同，不做赘述。标定数据读回：主站自动温压补偿控制软件通过RS485总线将在线所有压力传感器的压力、温度和电流标定采样数据从前至后依次读回，并将数据进行文件存储备份。完成其它温度标定点的标定：重复步骤1）至10），完成其它温度补偿点的压力标定；温压补偿的线性修正计算：主站软件进行在线压力传感器的线性修正计算，并将线性修正系数通过RS485总线写入至对应压力传感器内，同时将线性修正系数进行保存备份；温压补偿结果报告：主站软件完成在线压力传感器的温压

22、补偿，并将结果报告生产用户；4 隔离式协议转换器的工程实例与对比分析现存的基于HART总线型的并行温压补偿系统与隔离式协议转换器的并行温压补偿系统在压力传感器温压补偿原理上没有区别，都是采用一对多式的同步并行标定采样的模式，然而在补偿硬件和软件方面则有一定程度上的差别。对于现存基于HART总线型的并行温压补偿系统中温压补偿硬件主要是以通讯波特率为1200B/S的HART总线为基础，通过PCI总线驱动控制PIO数字I/O矩阵电路，实现工位HART总线的选通和气路的切换选择控制，同时采用自拟的类似HART总线协议的规约协议来完成压力差压传感器的温压补偿生产流程中的压力标定采样。而基于隔离式协议转换

23、器的并行温压补偿系统中温压补偿硬件主要是隔离式协议转换器和矩阵切换电路两部分独立的电路。其中隔离式协议转换器接受主站控制，依据协议帧指令完成相应的压力、温度同步标定，以及采样数据、线性修正系数的读写等功能。矩阵切换电路是以PCI总线为基础，驱动控制PIO148数字I/O来实现对系统中补偿气路的切换选择。在软件方面，基于HART总线型的并行温压补偿系统和基于隔离式协议转换器的并行温压补偿系统没有太大的区别，各自的系统严格按照压力差压传感器温压补偿流程和自拟协议组帧规范进行研发的。见表1为两种并行系统在工程实例中的详细对比。表1 两种并行系统在工程实例中的对比对比项并行的温补系统类型HART总线型

24、隔离式协议转换器系统容量(台)1-250台1-250台温度补偿选取数(个)88温度点恒温时间(分钟)150150压力/差压标定点数(个)（11/21）（11/21）压力标定控压时间(分钟)22压力标定采样时间(分钟)0.30.08单批次压力/差压生产时间(分钟)压力：1402.4差压：1586.4）压力：1383.04差压：1549.44单台压力/差压生产时间(分钟)压力：5.61至1402.4差压：6.35至1586.4压力：5.53至1383.04差压：6.20至1549.44工位总线隔离无光耦隔离工位切换电路PIO为基础矩阵电路无通讯波特率（Bit/S）12009600通讯总线HART总

25、线 RS485总线协议类型自拟类HART协议自拟类MODBUS协议带电更换否支持生产合格率80%97%为使读者更清楚表1中前8项的数据来源和依据，见公式(1)(2)。其中为公式(1)PDS压力变送器并行温压补偿系统进行单批次的传感器温压补偿的总时间： (1)：单批次压力传感器温压补偿总时间(分钟)；：每个温度补偿点下烘箱恒温时间(分钟)； ：每个压力标定点下的控压时间(分钟)；：并行压力标定采样时间(分钟)；：每个温度补偿点下的压力标定数量；：温度补偿选取的温度点的数量；公式(2) 为PDS压力变送器并行温压补偿系统进行单台传感器的生产时间： (2)其中：为在线温压补偿传感器的数量； 表1中的

26、前6项参数在PDS压力变送器并行温压补偿系统中是固定的常数，会依据组建系统的大小而进行相应改动。表中的第7、8两个对比项是依据公式(1)(2)计算得出。5 结束语本文阐述的隔离式协议转换器在PDS型压力变送器传感器并行温压补偿系统上的应用是压力变送器生产企业的工艺人员和开发人员历经几代温压补偿系统的研发与实践应用的总结和智慧的结晶。该温压补偿系统不但解决了以往点对点式的温压补偿系统中存在的温压补偿时间长、单位时间产品产能低、温压补偿电路冗余性的缺失和维修困难等问题；而且解决现存并行温压补偿系统因应用HART总线而导致补偿电路复杂，通讯速率低，以及整套系统在生产应用中可操控性差、维护和维修成本高

27、的问题。隔离式协议转换器是一款自主研发、自拟协议的独立模块，经PDS型压力变送器生产企业的应用与验证，该研发成果能够较好的解决现存温压补偿系统中的问题，同时易移植于其它温压补偿系统上，并满足PDS型压力变送器生产客户的需求。所以这就是本文提出隔离式协议转换器在PDS温压补偿系统上研发与应用的关键所在。参考文献1 HCF-SPEC-53,HART-SMART Communication Protocol.FSK Physical Layer Specification, Rev:7.2 S.2 PIO-D144/D168 Series User Manual (Ver.3.0, Nov. 2010, PMH-009-30 )Z. ICP