基于掌上电脑的har手操器的设计

基于掌上电脑的har手操器的设计

0hart手操国产哈特智能仪已广泛应用于工业现场。作为HART通信协议规范的第二类主设备,手操器可以对各类智能仪表进行组态及控制,现场普及度高,具有灵巧轻便、反应灵敏、操作简单等特点。目前市场上的主流产品是Emerson公司生产的375手操器,它的通用性较强,且易于升级。基于掌上电脑开发HART手操器具有开发周期短和容易上手的优点,开发的产品兼容性强,且易于升级设备库;数字通信符合HART协议规范,能满足工业过程控制系统对HART协议现场设备调校和维护的使用要求。事实证明,这是一种经济有效的开发模式。1hart通信接口整个手操器包括掌上电脑、HART协议通信接口、数据存储卡及连接线。在掌上电脑的存储单元中固化有中文嵌入式操作系统;HART通信接口接收从掌上电脑数字接口传送过来的数字信号,经调制解调芯片,转换为符合HART物理层规范的频率为1200波特率的Bell202正弦频率信号,并通过回路连接线将调制后的频率信号叠加在4～20mA模拟回路中。回路中返回的HART信号经过输入滤波后传送给调制解调芯片,并转换为数字信号传递给掌上电脑;数据存储卡用于组态程序的存放。1.1amoin400掌上电脑手操器的硬件结构主要由掌上电脑、HART通信接口和连接线组成,如图1所示。掌上电脑可以满足手操器的显示、键盘输入和通信处理功能,通信接口实现HART信号物理层的连接,连接线是掌上电脑和通信接口数据交换的媒介。掌上电脑的显示模块和键盘模块提供了手操器的人机界面,用于操作和控制手操器,用户可以根据显示的现有状态和参数,运用键盘对HART仪表进行控制。以AmoiN800掌上电脑配备TJ-3型USB转HART通信接口为例,简单说明手操器硬件平台的配置情况。该机型的CPU采用三星SC32442400MHz的CPU,自带128MBROM和64MBSDRAM,2.8寸(1英寸=25.4mm)26万色触摸屏,支持键盘输入和手写功能,支持USBhost功能。掌上电脑与TJ-3通信接口通过USB数据线连接后,实现了同HART仪表通信的物理层连接。需要说明地是,如果使用USB通信接口的掌上电脑,则手操器的USB端口必须支持host功能。1.2hart调制解调主芯片典型的通信接口电路应用示意图如图2所示。接收滤波电路的设计是通信接口设计的重要组成部分,接收滤波原理图如图3所示。HART通信接口接收到的HART信号需经过一个带通滤波器,以消除波形中的尖峰,从而使接收到的信号变得平缓。整个带通滤波器由1个单极点的低通滤波器和1个四极点的高通滤波器构成。HART调制解调主芯片采用安森美公司生产的A5191,其引脚IAREF为芯片内部的放大器和比较器提供电压基准,通常为1.235V;引脚ICDREF用于载波检测,应比IAREF低0.08V。1.3hart数据链路层HART通信程序包括数据链路层和应用层的软件实现。数据链路层功能设计是整个通信程序软件实现的重点和难点,数据链路层包括接收数据、发送数据和数据仲裁。接收数据的过程包括等待数据起始位、接收帧信息、数据帧解码和产生回应报文。发送数据是通过接收请求的信号建立一个报文,在仲裁允许时发送。线路仲裁指维持正常的通信状态,在适当的时候启动数据收发服务,它包括前导码检查、维持定时器、突发模式通信控制和出错处理。HART数据链路层规定了数据帧格式和数据通信规程,其通信是按字节接收和发送的。数据帧格式如图4所示,其中Start起始字符格式如表1所示。①Preamble为前导字节,由5～20个FF十六进制字节组成,用于保证信息传输的同步。②Start为起始字节,对应3种帧类型。③Address为地址字节,短帧格式地址长度为1字节,低4位表示从设备的地址号;长帧格式地址长度为5字节,由第一字节的低6位及后续字节共38位构成(6位仪表制造厂商标志代码+8位仪表类型代码+24位仪表序列号)。④Command为命令字节,范围为1～253,用十六进制的0～FD表示。HART命令集包括256条命令:0～31为通用命令、32～127为常用命令、128～255为特殊命令。⑤ByteCount为数据字节总数,是从该字节的下一个字节起到数据字节(DATA)的总和。数据字节最多为25字节,所以BC的值不会超过27。⑥Status为状态字节,也称做“响应码”,从机响应主机,并报告通信过程中的错误或接收命令的状态(如设备忙、无法解析命令等)及从机的处理状态,用2个字节表示。⑦Data为数据字节,是与命令相关的数据,最大长度不超过25字节。⑧Check为奇偶校验,它从起始字符开始对后面所有字节进行异或操作,确保命令帧正确传送。1.4fffffffff5e-80sf0的药品传递HART协议规定了一系列命令,一般分为3类。第一类称为通用命令,这是所有设备都能够理解并执行的命令,如读取HART设备的制造商代码和设备代码等;第二类称为常用命令,所提供的功能可以在大部分现场设备中实现,这类命令包括最常用的现场设备的功能库,如写主变量单位等;第三类称为特殊命令,这类命令在某些设备中实现特殊功能,既可以在基金会中开放使用,又可以为开发此命令的公司所独有,如特征化和传感器微调等。在一个现场设备中,通常可发现同时存在这3类命令。以手操器和横河川仪的EJX多参数压力变送器通信为例,简单说明HART通信数据帧格式的含义。发送零号命令:手操器发送数据FFFFFFFFFF0280000082,则前导字节为FFFFFFFFFF、起始字符为02(短帧格式请求字符)、地址为80、命令为00、数据长度为00、校验位为82。返回数据FFFFFFFFFF0680000e0054fe37510505010108000f4dc7c9。命令注解如下:序文为FFFFFFFFFF、起始字符为06(短帧格式应答字符)、地址为80、命令为00、数据长度为0E、数据为0054fe37510505010108000f4dc7c9。其中37510f4dc7为这台设备的长帧地址,37为制造商代码,表示是横河公司;51为EJX的设备号;0f4dc7为该台设备的序号。在获取设备的长帧地址后,再发送3号命令(读取电流和动态变量),手操器发送数据FFFFFFFFFF8237510f4dc7030062,则前导字节为FFFFFFFFFF、起始字符为82(长帧格式请求字符)、长帧地址为37510f4dc7、命令为03、数据长度为00、校验位为62。返回数据8637510f4dc703150054406666620bc07a3e80ed3dc6aab220418c4ff355。命令注解如下:序文为FFFFFFFFFF、起始字符为86(长帧格式应答字符)、长帧地址为37510f4dc7、命令为03、数据长度为15、通信状态为0054;40666662为当前输出电流(IEEE754浮点格式);0b对应的单位为Pa,c07a3e80为当前的基本变量值(IEEE754浮点格式);ed对应的单位为MPa,3dc6aab2为当前的第二变量值(IEEE754浮点格式);20对应的单位为℃,418c4ff3为当前的第三变量值(IEEE754浮点格式);最后是校验位55。2基于设备描述的ddHART手操器对不同的HART设备(如压力变送器、温度变送器、流量计、物位计、电动执行机构)的可互操作性是衡量手操器功能强弱的重要指标。一般来讲,各制造商可以通过设备描述DD(devicedescription)的形式来完整说明其设备的特性,HART手操器通过解析这些DD实现HART设备的组态。通过HCF(HART通信基金会)测试认证的HART设备可以向HCF提交DDL格式的设备描述,这些DD都可以通过HCF得到。因此,兼容性好的手操器都应该能支持这些HART设备并兼容通信。2.1描述语言ddlHART协议设备描述的DD文件是一种包括智能设备基本功能及操作界面的静态二进制文件,由专用的主站软件系统(如AMS、PDM、SDC-625等)加载执行。设备描述DD采用设备描述语言DDL进行编写,包括8种要素:变量(Variables)、命令(Commands)、菜单(Menus)、编辑显示(Editdisplays)、方法(Methods)、关系(Relations)、数组(Arrays)和集合(Collections)。HART设备通过这8种要素,以设备描述语言DDL形式对自身的完整特性进行描述,实现完全开放的操作。设备描述的8要素如表2所示。2.2智能仪表内部标准应具备以下几种基本要求运行在手操器中的组态软件可以配置各种完全采用设备描述的现场设备,具有兼容性好、易操作和可互操作的特点,能够充分发挥智能仪表的优点。我们在UML建模基础上,建立了HART组态软件模型,开发了HDC613组态软件,实现了各种HART设备的智能化应用。2.2.1仪表显示功能HART设备组态软件作为HART主机软件,其功能性需求主要包括以下内容。①HART设备的操作者需要对软件运行的环境进行配置,如选择通信方式、通信端口号,以及是否载波有效等;②与连接现场设备建立连接后,根据应用需要修改具有写属性变量的数值,并把数据下载到现场仪表中;③对可以实现方法操作的设备运行方法,按设备描述的规定对仪表进行配置;④能够通过菜单树进行导航,显示设备所提供的功能;⑤仪表的各种参数能够直接显示给用户,如在某一菜单树下,可以显示变量的数值及与之对应的单位和方法;⑥用户可以查看仪表当前的运行状态以及组态软件所支持设备的库信息列表。2.2.2uml与hdc213HART组态软件使用UML建立软件内部的静态模型。UML通过类图表示类与类之间的关联,HDC613通过分析执行设备的DD文件来实现智能仪表的各个功能。HART组态软件的静态模型类图如图5所示。2.2.3实体设备响应数据HART组态软件的系统配置、连接设备、下载数据及运行方法等操作都采用序列图描述对象之间的动态关系。以连接设备为例,当操作人员选择连接设备时,软件从通用设备描述文件中取得命令数据,并通过HART通信接口将命令发送给现场设备;当通信接口接收到现场设备的响应时,它将命令响应数据以消息的形式发送给软件,然后对数据进行处理;当处理完成后,打开对应的设备描述库,显示当前设备菜单及菜单项数据。2.2.4hart软件的实现HART组态软件运行在WindowsMobile系统平台上。考虑到EVC具有丰富的MFC库,编码阶段以EVC作为开发工具,并经过迭代式增量开发过程,最终实现HART设备组态软件HDC613。HART组态软件与标准Windows应用程序的用户友好界面风格相同,上部是树形结构窗口显示菜单树,下部是列表窗口显示各项数据,用户可以通过手持操作完成HART设备的组态工作。3hart设备的互操作性国内某大型钢铁企业配套的手操器同Emerson公司的248温度变送器通信显示的菜单树(部分)如图6所示。自此,基于掌上电脑的HART手操器的软硬件功能已经实现。应用Lex与Yacc实现设备描述分析的方法所建立的HART设备描述库,已经实现了90多家制造商的200多种设备的组态,具有互操作性及扩展HART注册设备的能力。经过国内几十个现场用户的试用后确认