基于HART协议的智能多段式电容汽包液位计设计

基于HART协议的智能多段式电容汽包液位计设计
田海军;张鋆;王健
【摘要】多段式电容液位计采用基于电容数字转换技术的专用电容测量芯片PCap01进行多段电容高精度同时测量.测量结果通过SPI通信接口传送给单片机,经过数据处理之后,通过D/A转换芯片AD421输出两线制标准的4～20mA信号,同时应用HART调制解调芯片DS8500在4～20mA模拟信号的基础上叠加数字音频信号进行双向数字通信.通过HART协议访问传感器的测量过程参数、设备组态及校准等信息,实验结果表明:该液位计精度等级可以达到0.5级.
【期刊名称】《化工自动化及仪表》
【年(卷),期】2015(042)009
【总页数】5页(P976-979,996)
【关键词】多段式电容液位计;锅炉汽包水位;HART协议;电容检测
【作者】田海军;张鋆;王健
【作者单位】东北电力大学自动化工程学院,吉林吉林132012;东北电力大学自动化工程学院,吉林吉林132012;东北电力大学自动化工程学院,吉林吉林132012【正文语种】中文
【中图分类】TH816
汽包水位是自然循环锅炉安全运行的重要参数之一。

汽包水位过高或过低时，都会破坏锅炉的水循环，严重时会造成爆管等重大事故，所以准确测量汽包水位具有重
要意义。

由于汽包结构复杂，运行工况变化大，目前还没有全工况监测汽包水位的方法。

现在电厂中多采用多种仪表、多点检测的方法来测量汽包水位，主要使用差压式水位计、云母水位计和电接点水位计，但它们都存在一些缺陷[1]。

为解决这
些问题，笔者设计了一种基于HART协议的智能多段式电容汽包液位计，通过精
确测量各段传感器的电容值，得到实时液位值，最终结果通过两线制输出4～
20mA校准工业信号，实现了汽包液位的全工况测量，并且支持HART通信协议，可以方便地实现液位计的组态、监测和校准功能。

HART协议是一种现场总线协议[2]，现场总线是目前国际过控领域的一个热点，
通过现场总线对现场仪表完成实时监控和校准。

但是现在工厂中的仪表大部分还保留4～20mA的模拟信号，在模拟设备向数字设备过渡的现阶段，HART协议作为一种开放性协议，可以同时兼容数字信号和模拟信号。

智能多段式电容液位计主要由七段式电容液位传感器、高精度电容测量电路、STM32F103C8T6单片机、4～20mA电流输出和HART通信单元构成。

七段式电容液位传感器用来将液位信号转换成各段传感器对应的电容值，高精度电容测量电路实现各段电容值的同时、准确被测量，并将测量结果传送给STM32单片机进行数据处理得到实时的液位值，然后经D/A转换器AD421转换成连续的4～20mA电流信号， HART通信单元用来实现4～20mA电流环路中FSK数字
信号的发送和接收，通过HART手持器或者在控制室就可以方便地完成对液位计
的组态、实时监测和校准功能。

2 硬件设计
2.1 七段式电容液位传感器设计
七段式电容传感器[3]结构如图1所示，由外极筒和内极筒构成。

不锈钢外壳作为
整体构成外极筒，为了使被测液体能够顺利进入两极筒间，在靠近外极筒底端和顶端部分留有两个进液孔。

内极筒由7段相同的铜箔电极粘贴在电木上构成，外极
筒和每段铜箔电极各引出一条导线与传感器接线盒相连，8条导线就可以很方便地测量各段电容值，为了避免寄生电容并适应恶劣的应用环境，设计中采用耐高温的屏蔽导线。

由于水是良好的导体，为了使外极筒和内极筒绝缘，内极筒的铜箔电极外部套有耐高温和耐腐蚀的聚四氟乙烯绝缘层，传感器接线盒用来放置数字信号处理电路板，接线盒的一侧采用航空插头增加电路的抗干扰能力，为了使接线盒防水，传感器接线盒顶部也设置有传感器上盖。

图1 七段式电容传感器结构
七段式电容传感器相当于从上至下形成了7个1/7量程的电容传感器，各段独立
检测电容，从而得到整体的测量结果[4]。

多段式电容传感器，不但具有耐高温、耐腐蚀及成本低等优点，而且由于采用了多段式结构，相当于缩短了检测量程，提高了检测分辨率和精度，自带量程基准(段长)、零点基准(空介质段)和满值基准(满介质段)，为实现在线自标定校正功能提供了依据。

2.2 高精度电容测量电路设计
电容测量电路采用PCap01高精度电容测量芯片，测量电容精度可以达到af级，而且芯片带有单片机处理单元来完成电容数字转换。

PCap01芯片电容测量单元原理如图2所示。

芯片内部集成了RC充放电电路[5]，为了提高测量精度，芯片输出的最终结果不是被测电容值，而是被测电容与参考电容的比值。

PC0引脚接47pF的参考电容，PC1～PC7引脚分别与各段传感器的引线相连。

PCap01芯片提供了可供选择的4个不同阻值的充放电电阻(单位：kΩ)，可以通过设置芯片的配置寄存器参数来选择，选择完成后，芯片内部会将被测电容和参考电容连接到这同一个充放电电阻。

由于采用相同的充放电电阻和比值输出，克服了温度和压力改变对电容测量值的影响。

图2 PCap01芯片电容测量单元原理
由于电容值的大小与放电时间成正比关系，PCap01芯片集成了高精度的时间数字转换单元，可以精确记录放电时间，精度可以达到2μs，然后经哈佛结构的数字信号处理器处理之后得到电容比值，完成电容数字转换，精度可以达到0.477%，最后将电容比值存储在结果寄存器中。

为了使电容能够完成完整的充放电过程，充放电周期参数的设置非常重要，需要将芯片配置寄存器的充放电周期参数设置的足够大。

最后通过SPI通信接口技术将结果寄存器的测量结果传送给STM32单片机，进行数据处理和拟合。

由于采用电容单芯片测量方案，避免了搭建充放电电路和使用切换开关[6]，提高了电路的稳定性和精度，实现了各段传感器电容值的同时测量。

2.3 HART通信单元设计
HART协议是美国Rosemount公司开发的一种通信协议[7]， HART通信单元由AD421芯片、STM32单片机和DS8500芯片构成，实现了HART协议的物理层设计[8]。

AD421是一款用于工业控制领域的16位数模转换芯片，用来将单片机传输的液位信号转换为工业上标准的4～20mA电流信号。

为了减少数字信号对模拟信号的干扰，将AD421的CLOCK、DATA、LATCH引脚通过ADuM1310磁耦芯片隔离之后，分别与STM32单片机的PC13～PC15引脚相连。

AD421的C1～C3引脚外接电容用来滤波，为了得到精确的HART波形，C1～C3引脚的外接电容值分别置为0.01、0.50、0.16μF。

DS8500芯片是一款用于HART通信的单芯片调制解调器。

DS8500及其外围器件电路图如图3所示。

DS8500芯片的RTS引脚与STM32单片机的PA12引脚连接，通过编程输出高低电平来控制DS8500处于调制或解调模式，引脚 D_IN 和D_OUT分别为数字输入和输出引脚，分别与STM32单片机的USART1引脚PA9(Tx)和PA10(Rx)对应连接。

FSK_IN为HART信号的接收引脚，为了能够从模拟信号中准确提取HART信号，R10和C34构成一个截止频率为10kHz的低通
滤波器，R13和C32构成一个截止频率为480Hz的高通滤波器，FSK_IN引脚与24V电源正极相连。

FSK_OUT为HART信号的发送引脚，为了使HART输出信号稳定，使用MAX4040EUK增益放大器芯片将HART信号进一步放大，最后经过C39连接到AD421的C3引脚，通过AD421将HART信号叠加到4～20mA 电流环路中。

图3 DS8500芯片及其外围器件电路图
3 软件设计
软件设计分为两个部分，一部分是液位测量程序设计，另一部分是HART协议通信程序设计。

液位测量程序流程如图4所示，首先对STM32单片机进行初始化，包括初始化IO接口、设置SPI通信参数及初始化USART1等。

然后通过SPI通信方式向PCap01发送复位信号，初始化PCap01芯片，操作配置寄存器，使PC1～PC7引脚处于测量模式，充放电周期设置为280μs，选择30kΩ的充放电电阻，操作完成后，开始电容测量，待测量完成之后，将测量结果传送给STM32单片机，单片机将电容比值经过处理和拟合之后转换为实时液位值，然后将液位值变为16位的数字量传给AD421输出4～20mA电流信号。

图4 液位测量程序流程
HART协议通信程序流程如图5所示，完成了HART协议数据链路层[9]、应用层[10]和层间接口的程序设计，实现了HART信号的接收、解析、响应和发送，并开发了用于各段校准的特殊命令。

由于采用USART1完成数字字节的传输，所以单片机初始化时应包括通信速率、数据长度及工作模式等参数设置，并开启USART1接收中断，PA12引脚设置为高电平，使DS8500芯片处于接收HART 信号状态。

当DS8500芯片接收到HART信号时，将其解调成0、1数字信号，然后通过USART1传送给STM32单片机，STM32接收到数据后，进入串口接收
中断，接收命令帧数据。

进而对接收到的数据进行纵向奇校验，如果正确，则按照HART协议的通信帧格式，解析命令帧，根据命令帧相应的命令形成应答帧，然后将PA12引脚设置为低电平，使DS8500芯片处于发送HART信号状态，STM32单片机通过USART1将应答帧传送给DS8500芯片，经DS8500芯片调制成FSK 信号之后加载到4～20mA环路中。

当发送完成之后，再次进入接收状态，等待下一条命令。

图5 HART通信程序流程
4 实验与结果分析
液位计各段长度为70mm，传感器外壁贴有0.1mm精度的防水贴尺，用来标定真实液位值。

将液位计放入透明测量筒中，为了消除液位计插入水中时对水位的影响，测量筒的直径应足够大，为了使实验准确，采用向测量筒中滴加水的方式，每间隔2mm记录液位计电流输出值和液位真实值，并使用仿真器记录PCap01芯片对应的电容测量值，由于各段大致相同，以第四段为例，绘制液位-电流曲线如图6所示，可以看到线性良好，与理论吻合，由于电容传感器存在制造误差，液位测量值有较小的波动，误差小于3mm，精度为0.5级，符合设计要求。

在4～20mA电流环路中，串入300Ω左右的通信电阻，将USB-HART调制解调器的两个无极性测试钩，勾在电阻两端，通过上位机软件和液位计通信，完成HART通信测试，结果表明HART通信单元实现了量程上下限调整，各段传感器校准和对液位值、电容值等变量的实时监测等功能。

图6 液位-电流曲线
5 结束语
笔者设计的智能多段式电容液位计克服了差压式水位计等传统水位计测量汽包水位存在的缺陷，并解决了温度压力补偿问题，实现了汽包水位的全工况测量。

精度可
以达到0.5级，满足工业现场要求。

参考文献
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