劉飛龍，孫冬梅

(南京工業(yè)大學(xué)電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京211816)

目前，國內(nèi)的化學(xué)分析儀表在測(cè)量精度和穩(wěn)定性上與國外的化學(xué)分析儀表存在一定的差距，因此國內(nèi)大規(guī)模的火力發(fā)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(shè)計(jì)了一套多路給水自動(dòng)切換裝置，在需要多個(gè)化學(xué)分析儀表檢測(cè)多路樣水的火力發(fā)電廠，只使用一個(gè)化學(xué)分析儀表和給水自動(dòng)切換裝置便可在遠(yuǎn)程終端監(jiān)測(cè)多路給水中的水質(zhì)。 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(shù)字總線存在安全隱患[3]，此裝置通過HART 協(xié)議可以充分利用現(xiàn)有的儀器設(shè)備及線路在傳輸模擬信號(hào)的同時(shí)傳輸數(shù)字信號(hào)。 因此，基于HART 協(xié)議的多路給水自動(dòng)切換裝置在保證測(cè)量精度、數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性的前提下，有效地節(jié)省了儀表費(fèi)用、配件費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用，對(duì)火力發(fā)電廠多路給水監(jiān)測(cè)具有重要的意義和價(jià)值。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

智能多路給水自動(dòng)切換裝置用于單通道化學(xué)分析儀表的通道擴(kuò)展，定時(shí)自動(dòng)切換通道進(jìn)行火力發(fā)電廠多路給水的水質(zhì)檢測(cè)。 如圖1 所示，用戶可根據(jù)所采用的化學(xué)分析儀表使用薄膜按鍵搭配LCD顯示屏進(jìn)行通道使能、單位、量程、通道循環(huán)時(shí)間T1和采集延時(shí)時(shí)間T2等參數(shù)的設(shè)置。 主控制器每隔T1時(shí)間通過開關(guān)電磁閥的方式依次切換到下一路已使能的給水通道，化學(xué)分析儀表測(cè)量當(dāng)前通道的4 mA～20 mA 模擬信號(hào)經(jīng)過AD 轉(zhuǎn)換后傳輸?shù)街骺刂破?，主控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和HART 數(shù)據(jù)通訊。 在通道剛切換時(shí)，根據(jù)設(shè)置的T2時(shí)間延遲接收化學(xué)分析儀表的模擬量信號(hào)，以避免混合樣品的交叉影響。 當(dāng)有樣水?dāng)嗔?、電流信?hào)低于3.5 mA 或超過20.5 mA 等故障時(shí)顯示界面在呈現(xiàn)警告信息的同時(shí)通過干接點(diǎn)進(jìn)行報(bào)警輸出，并自動(dòng)切換到下一路。 此裝置輸出的4 mA ～20 mA 模擬信號(hào)疊加了FSK(頻移鍵控)信號(hào)支持HART 協(xié)議[4-5]，遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的上位機(jī)或手持器等主設(shè)備可向自動(dòng)切換裝置發(fā)布符合HART 協(xié)議讀取命令和設(shè)定命令，自動(dòng)切換裝置根據(jù)接收到的命令發(fā)送所需數(shù)據(jù)，進(jìn)行遠(yuǎn)程顯示和統(tǒng)計(jì)[6]。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 總體硬件設(shè)計(jì)

多路給水自動(dòng)切換裝置硬件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)如圖2 所示，總體硬件設(shè)計(jì)主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、人機(jī)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(nèi)核的STM32F103RBT6 處理器，其具有處理能力強(qiáng)、外設(shè)豐富、開發(fā)速度快等特點(diǎn)，符合裝置對(duì)處理效率、運(yùn)算精度、多路輸出和低功耗等需求。 數(shù)據(jù)采集模塊中，通過控制電磁閥的開關(guān)使一路給水流入化學(xué)分析儀表，儀表輸出的4 mA～20 mA 的模擬電流信號(hào)通過電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，由于輸入的模擬信號(hào)為1% μA 等級(jí)的微弱信號(hào)，因此采用精度為16 位的A/D 轉(zhuǎn)換器AD7705 將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并傳輸?shù)轿⒖刂破鳌?人機(jī)交互模塊中的按鍵、串口屏、SD 卡存儲(chǔ)器可實(shí)現(xiàn)通道使能、量程設(shè)置、單位設(shè)置、切換設(shè)置和裝置校準(zhǔn)等交互功能，也可實(shí)現(xiàn)多通道實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)值和歷史檢測(cè)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(diào)制解調(diào)器，可實(shí)現(xiàn)此裝置與支持HART 協(xié)議的遠(yuǎn)程上位機(jī)和移動(dòng)手操器進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。

圖2 件總體框圖

2.2 HART 通信模塊設(shè)計(jì)

可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道(HART)協(xié)議通過疊加正弦調(diào)制波的方式實(shí)現(xiàn)4 mA～20 mA 模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)同時(shí)傳輸，此協(xié)議得到工業(yè)界的深度認(rèn)可且在工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[7]。 HART 協(xié)議物理層規(guī)定在4 mA～20 mA 的模擬信號(hào)上疊加互不干擾的FSK 信號(hào)，如圖3 所示，F(xiàn)SK 信號(hào)是由兩個(gè)不同頻率的載波在基帶信號(hào)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(huì)影響模擬信號(hào)的傳輸[8]。 FSK 基于載波頻率的變化傳輸數(shù)字信號(hào)，頻率為2 200 Hz 的信號(hào)代表數(shù)字信號(hào)“0”，用頻率為1 200 Hz 的信號(hào)代表數(shù)字信號(hào)“1”[9]。 此裝置采用高性能的16 位數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD5421 接收來自STM32 的數(shù)字信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為4 mA ～20 mA 的模擬信號(hào)，采用ADI 公司研制的AD5700 芯片作為HART 調(diào)制解調(diào)器，其集成了符合Bell202 標(biāo)準(zhǔn)的生成信號(hào)電路、濾波電路、調(diào)制器和解調(diào)器，具有低功耗、集成度高和性能優(yōu)等特點(diǎn)[10]。

圖3 HART 協(xié)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(shí)現(xiàn)SPI 通信。 控制器通過檢測(cè)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(huán)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(hào)。 引腳Loop+和Loop-分別和4 mA ～20 mA 電流環(huán)的正負(fù)極相連接。 電阻R4與R3形成了電阻分壓器與VLOOP 相連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)路電源電壓的監(jiān)控。

低功耗HART 調(diào)制解調(diào)器AD5700 的硬件電路圖如圖5 所示，其中TXD(網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)為HART＿TXD)和RXD 引腳(網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)為HART＿RXD)分別與微控制器UART3 的TXD 和RXD 引腳相連實(shí)現(xiàn)UART 通信。 通過XTAL＿EN 引腳接地使能晶振電路，XTAL1和XTAL2 引腳實(shí)現(xiàn)3.686 4 MHz 外部晶振的連接，CLK＿CFG0、CLK＿CFG1 和CLKOUT 實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘配置。ADC＿IP 引腳經(jīng)過外部RC 帶通濾波器連接到AD5421 的LOOP+端。 當(dāng)此裝置需要將采集到的化學(xué)分析儀表測(cè)量值傳輸?shù)奖O(jiān)控中心時(shí)，首先將RTS引腳置為低電平，使能調(diào)制器并禁用解調(diào)器，表示發(fā)送狀態(tài)，然后將微控制器通過串口TXD 引腳傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)，通過使能的調(diào)制器轉(zhuǎn)換為2 200 Hz 和1 200 Hz 的正弦波信號(hào)[11]，此信號(hào)經(jīng)過緩沖和整形后通過HART＿OUT 引腳疊加到4 mA～20 mA 模擬信號(hào)上，最終傳輸?shù)奖O(jiān)控中心的上位機(jī)或移動(dòng)手操器[12]。解調(diào)器使能狀態(tài)下，當(dāng)上位機(jī)或手操器發(fā)送命令到此裝置時(shí)，CD 引腳置為高電平表示檢測(cè)到載波，數(shù)據(jù)首先通過濾波器進(jìn)行濾波，然后通過解調(diào)器將正弦信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，通過串口RXD 引腳傳輸?shù)轿⒖刂破鬟M(jìn)行處理。

圖5 AD5700 硬件電路圖

3 軟件設(shè)計(jì)

多路給水自動(dòng)切換裝置軟件按照功能可分為主監(jiān)控程序、測(cè)控程序和HART 通信程序三部分。 主監(jiān)控程序是自動(dòng)切換裝置軟件部分的核心，主要包括各個(gè)模塊的初始化、內(nèi)存中各個(gè)參數(shù)的自檢、鍵盤中斷和串口屏顯示子程序。 測(cè)控程序主要完成使能通道的循環(huán)開關(guān)以及數(shù)據(jù)的接收、處理和顯示。 如圖6 所示，系統(tǒng)初始化程序中已完成使能通道、循環(huán)時(shí)間、延遲時(shí)間、單位和量程等參數(shù)設(shè)置，測(cè)控程序首先開啟第一個(gè)使能通道，然后判斷化學(xué)分析儀表檢測(cè)當(dāng)前通道的4 mA ～20 mA 模擬信號(hào)輸入值是否正常，如果輸入不正常立刻進(jìn)行報(bào)警顯示并關(guān)閉當(dāng)前通道和開啟下一個(gè)使能通道。 正常情況下不斷采樣儀表輸入值進(jìn)行處理和顯示，同時(shí)不斷判斷輸入值的正確性。 如果各通道之間的循環(huán)時(shí)間T1到達(dá)，則關(guān)閉當(dāng)前通道并開啟下一個(gè)使能的通道，為避免混合樣水的交叉影響，會(huì)進(jìn)行T2時(shí)間的延時(shí)后再進(jìn)行下一個(gè)通道的測(cè)量與顯示，這樣進(jìn)行不斷循環(huán)。當(dāng)前給水通道的數(shù)據(jù)顯示及模擬量和數(shù)據(jù)量的輸出在切換到其他通道時(shí)會(huì)保持切換前的狀態(tài)，直至下一次測(cè)量該通道時(shí)更新。

圖6 測(cè)控程序流程圖

HART 通信程序是自動(dòng)切換裝置軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，在HART 通信協(xié)議中作為從設(shè)備的多路給水自動(dòng)切換裝置，主要完成主設(shè)備命令的接收和應(yīng)答，以及按照主設(shè)備的命令反饋相關(guān)數(shù)據(jù)[13]。 為了能夠及時(shí)接收到上位機(jī)或手操器的命令且不影響主監(jiān)控程序的運(yùn)行，主要依靠串口中斷實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收[14]。 如圖7 所示，首先通過接收狀態(tài)標(biāo)志位判斷中斷程序?qū)儆诮邮罩袛喑绦蜻€是發(fā)送中斷程序。接收中斷程序主要是在奇偶校驗(yàn)有效、載波信號(hào)有效、當(dāng)前為空閑狀態(tài)的前提下，對(duì)所接收到命令的命令號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的處理，比如單位設(shè)置、通道使能設(shè)置、切換時(shí)間設(shè)置等，然后按照一定的格式形成應(yīng)答幀放到發(fā)送緩沖區(qū)中等待發(fā)送。 如果接收標(biāo)志不為1，便進(jìn)入數(shù)據(jù)發(fā)送中斷程序，首先更改AD5700 為調(diào)制器切換到發(fā)送狀態(tài)，應(yīng)答幀數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，將當(dāng)前狀態(tài)的標(biāo)志位更改為空閑狀態(tài)，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(yàn)

在完成多路給水自動(dòng)切換裝置硬件和軟件的設(shè)計(jì)和開發(fā)后，對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)試和分析，從而判斷裝置是否滿足設(shè)計(jì)功能的需求。 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)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(dòng)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(chǎn)單通道鈉表進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與顯示，并基于HART 協(xié)議與上位機(jī)和手操器進(jìn)行通訊。 如表1 所示，多路樣水自動(dòng)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(nèi)，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(chǎn)生，但是此偏差在單通道鈉表的誤差范圍之內(nèi)，而且經(jīng)測(cè)試此裝置能夠很好地支持采用HART 通信軟件的上位機(jī)和手操器的所有命令。

表1 裝置測(cè)量數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

多路給水自動(dòng)切換裝置搭配單通道化學(xué)分析儀表可以精確地測(cè)量多路給水中化學(xué)離子的含量。 實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試結(jié)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(wěn)定、國產(chǎn)化等特點(diǎn)，能夠很好地滿足市場(chǎng)的需求。