一种带有HART协议转换的多通道模拟量输入模块的制作方法

本实用新型涉及模拟量输入模块技术领域，尤其涉及一种带有hart协议转换的多通道模拟量输入模块。

背景技术：

目前，分布式控制系统(distributedcontrolsystem,dcs)已被广泛应用于电力、石油、化工、钢铁、造纸、水泥、脱硫、除尘、水处理等自动化控制领域中，它是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机(computer)、通讯(communication)、显示(crt)和控制(control)等4c技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活、组态方便。

可寻址远程传感器高速通道(highwayaddressableremotetransducer,hart)的开放通信协议，是美国rosemount公司于1985年推出的一种用于现场智能仪表和控制室设备之间的通信协议。目前hart协议已成为全球智能仪表的工业标准。

现有技术中，dcs系统中的模拟量输入模块仅负责模拟量信号4-20ma信号的输入，并不解包hart协议报文，不能满足工业现场带有hart协议的仪器仪表进行信息采集和设备管理的功能需要。

因此，本领域的技术人员致力于开发带有hart协议转换的多通道模拟量输入模块，以克服现有技术存在的缺陷。

技术实现要素：

有鉴于现有技术的上述缺陷，本实用新型所要解决的技术问题是提供一种用于dcs系统的多通道模拟量输入模块，能够在模拟量输入采样的同时实现hart信号的传输，通过高速、低阻抗的切换开关让模拟量输入模块可以无扰动的实现多个通道数据采集和hart仪器仪表的信息采集和管理，从而满足工业现场的需要。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种带有hart协议转换的多通道模拟量输入模块，包括微控制器、可编程逻辑器件、hart调制解调器、模拟数字转换器、第一隔离单元、第二隔离单元、第一多路开关单元和第二多路开关单元，所述微控制器、可编程逻辑器件通信连接，所述第一多路开关单元和第二多路开关单元的输入端并联后连接至多路现场hart设备，其控制端连接至所述可编程逻辑器件，所述第一多路开关单元输出端经所述hart调制解调器、第一隔离单元连接至所述微控制器，所述第二多路开关单元输出端经模拟数字转换器、第二隔离单元连接至所述可编程逻辑器件。

进一步地，所述微控制器具有第一串行总线接口，所述hart调制解调器具有串口，所述hart调制解调器的串口经所述第一隔离单元连接至所述第一串行总线接口。

进一步地，所述可编程逻辑器件具有第二串行总线接口，所述模拟数字转换器具有串口，所述模拟数字转换器的串口经所述第二隔离单元连接至所述第二串行总线接口。

进一步地，所述微控制器具有第一局部总线接口，所述可编程逻辑器件具有第二局部总线接口，所述第一局部总线接口和第二局部总线接口之间通过局部总线通信连接。

进一步地，所述可编程逻辑器件具有双口ram，所述双口ram用作接收数据和发送数据的缓存空间。

进一步地，还包括rs485收发器，所述rs485收发器连接至所述可编程逻辑器件，用于与上位控制器进行数据交换。

进一步地，所述可编程逻辑器件具有第三串行总线接口，所述第三串行总线接口连接至所述rs485收发器。

进一步地，所述第一隔离单元为光电耦合器。

进一步地，所述第二隔离单元为磁隔离器。

进一步地，所述可编程逻辑器件配置为采用轮询主从的方式控制所述第一多路开关单元和第二多路开关单元进行通道切换。

本实用新型的有益效果是实现了在模拟量输入采样的同时实现多通道hart信号的传输。

附图说明

图1是本实用新型的一个较佳实施例的原理框图。

其中，1-微控制器；2-可编程逻辑器件；3-hart调制解调器；4-模拟数字转换器；51-第一隔离单元；52-第二隔离单元；61-第一多路开关单元；62-第二多路开关单元；7-rs485收发器；8-现场hart设备。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本实用新型的优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本实用新型可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本实用新型的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

本实用新型的一个实施例提供了一种用于dcs系统的带有hart协议转换的模拟量输入模块。通过多路开关切换，实现对多个通道上的hart协议信号的采集，从而满足工业现场的需要。本实施例的一个示例提供了16通道模拟量4-20ma信号的输入，即通过一个模拟量输入模块可以监控16路不同的现场hart设备。并且提供了对hart协议的支持，由微控制器控制多路开关切换，通过轮询主从的方式，可以轮流无扰动的监测每个通道上hart设备。

如图1所示，本实施例的模拟量输入模块由微控制器1、可编程逻辑器件(cpld)2、hart调制解调器3、模拟数字转换器4、多路开关单元和隔离单元构成。

多路开关单元包括第一多路开关单元61和第二多路开关单元62。隔离单元包括第一隔离单元51和第二隔离单元52。

本实施例中，第一多路开关单元61和第二多路开关单元62分别由两块mux508模拟多路复用器芯片组成。第一多路开关单元61对16路现场hart设备8的信号进行通道切换，然后输入到hart调制解调器3的信号输入端口。第二多路开关单元62对16路现场hart设备8的信号进行通道切换，然后输入到模拟数字转换器4的信号输入端口，以实现单模块多通道应用。

本实施例中，微控制器1主要负责hart协议的数据处理，其采用的是32位的arm架构的cortex-m0系列芯片(m0516lbn)，使用c语言编程。

hart调制解调器3采用a5191hrt型芯片作为hart协议的解码芯片，该芯片可以将现场hart设备8通过第一多路开关单元61切换的信号进行解调，实现hart信息的预加工处理。还可以将经调制的1.2khz的hart信号通过第一多路开关单元61叠加到4-20ma的模拟量信号上，从而完成hart协议的通讯。同时，hart调制解调器3还提供一个串口，可以与微控制器1通讯。微控制器1通过其内置的第一串行总线接口11经过第一隔离单元51，与hart调制解调器3实现双向通讯，读取切换后的信号通道上的hart协议信息，完成数据存储。

第一隔离单元51使用了三块光电耦合器隔离芯片el357，处于微控制器1和hart调制解调器3之间，实现微控制器1和hart调制解调器3两者之间双向通讯的隔离，其目的是为防止外部信号的异常对模拟量输入模块内部电路造成冲击损坏，保证模块的正常工作。

本实施例中，模拟数字转换器4使用a/d转换器ads8320芯片，可以把4-20ma模拟量信号转换为数字量信号，转换结果通过第二隔离单元52隔离后传送给可编程逻辑器件2。

本实施例中，第二隔离单元52采用的是高速磁介质隔离芯片，其可隔离现场设备对可编程逻辑器件2的干扰，保证其正常工作。具体地，第二隔离单元52采用两块adum1200数字隔离器芯片，其具有功耗低，体积小，数据传输速率高，以及抗干扰性能高的优良特点。在此实施例的使用过程中，实现了外部信号与内部电路信号转换隔离的功用。

本实施例中的可编程逻辑器件2采用的是lattice公司machxo2系列中的lcmxo2-2000芯片，并使用verilog语言编程。可编程逻辑器件2主要完成和上位控制器的通讯，把现场hart设备8的模拟量和状态参数送给操作员站进行处理，此外可编程逻辑器件2还控制第一多路开关单元61和第二多路开关单元62的切换，从而使被选中的输入信号通道导通，实现16个通道的输入信号依次进入模拟数字转换器4进行模拟数字转换，并与微控制器1进行数据交换。由于dcs系统的功能特点，要求与上位控制器通讯实时性响应指标很高，并且稳定可靠，故在可编程逻辑器件2中使用双口ram23作为接收数据和发送数据的缓存空间，并用硬件实现了一个第三串行总线接口24(bus_a)，通过rs485收发器7与上位控制器进行数据交换。rs485收发器7采用isl81487芯片，其具有低功耗，高通讯速率的特点，满足dcs系统下现场io与控制器之间的高速实时的数据通讯需求。

可编程逻辑器件2内部还设计有用于a/d采样逻辑的第二串行总线接口21，以实现模拟量的采集。

可编程逻辑器件2中还用硬件实现了一个16位的第二局部总线接口22(bus_c)。微控制器1、可编程逻辑器件2通过微控制器1内的第一局部总线接口12(bus_c)和可编程逻辑器件2内的第二局部总线接口22(bus_c)之间的局部总线(localbus)通信连接，进行双向交互通讯，以实现数据交换。

以上详细描述了本实用新型的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本实用新型的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本实用新型的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。