HART变送器嵌入式系统的设计和实现

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3.0 陈辉 2024-11-19 16 4 2.42MB 55 页 15积分

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摘要

目前，现场总线的仪表技术己经成为过程控制领域中的热点，代表着过程仪

表发展的方向。随着现场总线国际标准的完成，现场总线产品以其完善的功能和

突出的特点必将为市场所接受。现场总线压力变送器取代传统的压力变送器己成

必然。HART 协议作为从模拟仪表到现场总线的数字仪表过渡协议，以其独有的特

点和应用优势，在当今的现场总线智能仪表市场中占有较大的份额。HART 协议智

能压力变送器的研究和开发具有现实的意义。本文在智能 HART 变送器中引入小型

嵌入式系统(RTOS)，把智能仪表的功能作为嵌入式系统的功能模块来设计，在

嵌入式的系统的基础上开发和设计智能变送器，增强了仪表的实时性能，也方便

了产品的升级和更新。

本文首先介绍了智能变送器的主要功能及其主要组成模块及其模块的基本原

理，讲述了 HART 智能压力变送器的电路工作原理、仪表 HART 通信协议和变送器的

智能电子部分及相应适用于仪表的小型 RTOS。

在分析了 RTOS 内核的结构和基本工作原理的基础上，进行适用于智能嵌入

式系统的设计。运用任务静态管理的思想对系统的内核进行了改进，把任务控制

块分 ROM 和 RAM 两部分存储，以及对任务调度和同步通信等作部分修改。

在小型 RTOS 的基础上增加了仪表变送任务模块，即仪表测量变送功能。其中

运用最小二乘法曲线拟合方法对仪表测量值进行温度补偿。变送任务中分别设计

了 AD 采样模块、温度补偿计算、DA 模块、电流输出计算和键盘扫描显示等功能。

最后对仪表电流输出的开平方根计算的算法做了修改以满足计算时间上的需

求和精度要求。在嵌入式系统的基础上，实现了嵌入式仪表的测量和变送功能。

在功能开发的同时，为后续产品的开发留有了开发的空间，也为新的开发提

供了方便，可以减少应用开发的周期和程序代码，能方便地增加不同的新的功能

模块，以增强变送器的功能。

关键词：现场总线智能变送器 HART 协议嵌入式系统

任务静态管理

ABSTRACT

Fieldbus has become the hot spot in process control, on behalf of the trend in the

development   of   process   instrument.  As   the   international   standard   of  fieldbus
accomplished, the fieldbus product is surely accepted by the market for its consummate
function and extrusive characteristics. HART protocol as a transient protocol imitating
to  fieldbus  owns  a   big share   in  smart   instrument  for  its  special   characteristics  and
application priority. This issue uses the real time operation system(RTOS) to design the
corresponding   transmitter’s   function   module   for   the   embedded   system.  Design   the
transmitter function based on RTOS so that it not only enhances the transmitter’s real-
time function, but also makes it easy to update the product.
This issue firstly presents the function of smart transmitter and its component, then
present the   HART protocol, the   smart  transmitter,   the   electronic parts of   the smart
transmitter and the suitable RTOS. 
We select the suitable RTOS for the smart transmitter based on the analysis about
its structure in order to make it sure that it can be applied. Then, transplant the RTOS
and make it improved. It includes using the static storage to manage tasks, which stores
the task control block in ROM and RAM and improving the task scheduling and the
synchronous communication. 
The   instrument   transmission   is   considered   as  a   task   in   the   RTOS,  using  least
squares   curve   fitting   on   the   instrument   for   temperature   compensation.   Add   the
measurement task to the RTOS, which realizes the basic function of the instrument. The
task   includes  AD   sampling   module,   temperature   compensation   calculations,   DA
module, the output current computing and keyboard scan and display. 
Then, improve the algorism of square root and test it. Based on the RTOS ，the
main function of transmitter is realized. 
As a product, it can be updated easily by adding other instrument function modules
while using less code and spending less time.
Key   Words:  fieldbus,  smart   transmitter,  HART   protocol,   RTOS,
Tasks’ static manage
目  录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论.......................................................1
§1.1 课题意义的介绍和来源........................................1
§1.2 现场总线技术................................................1
§1.3 国内现场总线仪表的发展状况..................................2
§1.4 HART 现场仪表...............................................2
§1.5 本文的主要工作.............................................3
第二章 压力变送器原理及智能电子部件................................4

§2.1 智能变送器.................................................4
§2.1.1 一般智能变送器的功能.................................4
§2.1.2 智能变送器的组成.....................................5
§2.2 HART 协议的介绍.............................................6
§2.3 HART 变送器的组成原理.......................................8
§2.4 变送器的智能电子部件.......................................8
§2.5 适用于智能仪表的小型 RTOS..................................10
§2.6 微处理器的选择.............................................11
§2.7本章小结...................................................11
第三章 小型嵌入式系统的设计.......................................12
§3.1 嵌入式系统的选择..........................................12
§3.2 μC/OS-II 的结构和工作原理.................................12
§3.3 RTOS 的开发工具............................................14
§3.4 RTOS 的移植................................................15
§3.5 μC/OS-II 的改进...........................................22
§3.5.1 任务的静态管理实现...................................23
§3.5.2 任务调度算法的改进...................................28
§3.5.3 时钟中断管理的改进..................................32
§3.5.4 任务间同步通信管理的修改............................34
§3.6 估算占用的资源和测试.......................................35
§3.7 本章小结..................................................38
第四章 最小二乘法温度补偿.........................................39
§4.1 最小二乘法温度补偿模型....................................39
§4.2 软件温度补偿的实现........................................40
§4.3 本章小结..................................................43
第五章 仪表变送任务的设计.........................................44
§5.1 AD 模块....................................................44
§5.1.1 AD 转换器............................................44
§5.1.2 AD 采样的设计........................................45
§5.2 电流计算及输出模块.........................................48
§5.2.1 DA 转换器............................................48
§5.2.2 输出电流计算........................................48
§5.3 仪表变送任务在系统中的任务实现............................50
§5.4仪表的输出电流开平方根.....................................51
§5.5 本章小结..................................................54
第六章 结论与展望.................................................55
§6.1 结论.......................................................55
§6.2 展望.......................................................55
参考文献..........................................................57
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果....................59
 

第一章绪论

§1.1课题意义的介绍和来源

目前，现场总线智能仪表是过程仪表发展的方向。随着现场总线国际标准的完

成，现场总线产品以其完善的功能和突出的特点已经为市场所接受，现场总线压力

变送器取代传统的压力变送器己成必然。HART可寻址传感器数据通路(Highway

Addressable Remote Transducer)协议作为从模拟到现场总线的过渡协议，以其独有

的特点和应用优势，在当今的现场总线智能仪表市场中占有较大的份额。HART协

议智能压力变送器的研究和开发具有现实的意义。

本文的课题来自上海工业自动化仪表研究所的 HART 协议智能压力变送器

产品的开发。开发智能变送器电子部件，实现智能仪表的模块化设计，并且满足

智能仪表实时性的需求，需要引入嵌入式实时操作系统(RTOS ，real time

operation system)，作为软件系统的内核，负责任务调度、资源管理等。改变以往

前后台功能切换的调度模式。但考虑到需要产品功耗十分有限，微处理器的运算

速度和内部资源都要减少到最小，所以选择占用资源少的实时嵌入式系统作为基

础，设计适用于 HART 智能仪表的小型嵌入式 RTOS。在嵌入式系统的基础上增

加各种功能模块，同时也为产品后续的升级提供新的应用开发平台，更方便地开

发多任务管理，多功能的 HART 智能仪表。

§1.2现场总线技术

现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们各自具有数字

计算和数字通信能力，采用可进行简单连接的双绞线等作为总线，把多个测量控制

仪表连接成网络系统，并按公开的、规范的通信协议，在位于现场的多个智能化测

量控制设备之间以及现场仪表与远程监控计算机之间，实现数据传输与信息交换，

形成各种适应实际需要的自动控制系统[1,2]。

现场总线是用于现场智能化仪表与控制室之间的一种开放、全数字化、双向、

多站的通信系统。仪器仪表的发展经历了全模拟式仪表，智能仪表、具有通信功能

的智能仪表、现场总线仪表等几个阶段。其中，全模拟式仪表是将传感器信号进行

处理放大后，经过V/I电路转换，输出4-20mA的模拟信号，其后微处理器在仪器仪

表中得到了广泛应用，过程变量经过放大、AD，转换为数字信号，并经过微处理

器的运算、补偿等处理后，再通过DA、V/I等电路，仍然以4-20mA的模拟信号输出

[3,12,14]。这种智能仪表相对于模拟仪表来讲测量精度得到大大提高，但信号传输过

程仍然容易受到外界电磁干扰，传输精度不太高。于是在仪器仪表中增加了通信接

口，以数字通信的方式传输数据。随后发展到现场总线技术。现场总线系统具有以

下特点[7，9]：

1、系统结构大大简化,降低系统及工程成本。

2、分散控制。现场总线控制系统将传统控制系统的控制功能分散到现场仪表

HART 变送器嵌入式系统的设计和实现

模块中，现场设备和仪表就地构成控制回路。在现场控制回路中，变送器不仅具有

信号变送、补偿等功能和运算功能。各种功能都被模块化做成功能块，用户可根据

需要选用功能块安装在现场设备和仪表中，通过控制系统可对过程进行远程监控，

对现场仪表和设备进行在线组态、调校和管理[4,5,20]。

3、开放式、互操作性、可维护性、可集成性。不同厂家产品只要使用同一总线

标准, 具有互操作性、互换性，”设备具有很好的可集成性。

4、对现场环境的适应性工作在生产现场前端，作为工厂网络底层的现场总线，

是专为现场环境而设计的，可支持双绞线、同轴电缆、电力线等，具有较强的抗干

扰能力，能采用两线制实现供电与通信，并可满足安全要求、防爆要求等。

§1.3国内现场总线仪表的发展状况

目前我国仪器仪表行业整体综合技术水平达到了国际80年代中期水平，微电子

技术和计算机技术在仪器仪表产品中普遍采用，约15%的产品实现了智能化，达到

国际90年代的水平；30%的产品实现了数字化，达到国际80年代末期水平。综合服

务能力显著提高[22,31]。

产业从无到有、从小到大、初步形成了门类比较齐全的仪器仪表生产、科研、

营销体系。建成了一批科研开发机构：培养了一批专业的经营、管理、技术人才。

特别是部分中抵挡产品形成了自己的优势和特色，各种数字万用表、电度表、水表

煤气表、水准仪、中低档光学显微镜、望远镜等产量在世界前列，基本满足国内需

要的同时，还大量出口。通过科技攻关、联合开发、合资合作和引进技术吸收国产

化等多种形式开发核心技术。

国内各行业的现场总线应用工程迅速发展。国内对现场总线产品的需求迅速增

加，各行业都对适合自己的现场总线进行了跟踪和探索，并已开始着手自行研制工

作。我国的自动化仪表的技术水平与国际先进水平相比差距颇大。目前，对于现场

总线技术及总线化仪表的研究开发的市场趋势，为我国追赶国际先进水平提供了一

次难得的机遇。

§1.4 HART现场仪表

HART现场仪表，包括HART变送器和HART执行器。采用HART协议的输出设

备，可以从这些设备获得完善的自诊断信息[5，32]。

由于HART总线技术具有数字信号和原4-20mA的模拟信号兼容的特点，可对改

进智能仪表间的通信提供了过渡的解决方案。所以HART总线仪表的开发与应用发

展迅速，在现场数字仪表取代模拟仪表的大转换中有承前启后的作用。

HART现场仪表是基于微处理器的仪表。数字化处理使智能仪表比模拟仪表测

量精度更高。由于HART通信方式的引入，更多先进的功能被赋予智能仪表。

HART协议将在下章中介绍其原理和特点。

以数字通信方式读测量值。数字通信方式使现场仪表值得保留附加信息，在需

要的时候读出。可以使用请求/应答或阵发通信方式[19]。多数情况下，对要求过程

数据更新速率较快的应用场合中可使用阵发通信方式。

保留了4-20mA模拟信号的HART协议，是模拟系统到现场总线的过渡性协议，在

当前具有相当强的生命力，因为它对于现有系统的升级和扩展，以及在需要与模拟

信号兼容的场合，是具有很强竞争力的实用技术。

第一章绪论

§1.5 本文的主要工作

本文的主要工作是开发适用于 HART 智能变送器的小型 RTOS，并加入仪表

变送功能。主要有以下几个内容：

1、使用codewarrior 开发软件针对仪表的微处理器进行嵌入式系统的开发。选

择并设计适用于智能仪表的实时嵌入式系统，将其移植到智能仪表的微处理器中，

并进行测试。

2、在此基础上进行系统的改进。把任务控制块分成 RAM 部分和 ROM 部分

并采用相应的静态任务管理方法，对内核的任务调度作部分的修改。改变原来的

任务同步通信数据存储结构，对原有的时钟中断处理改进，然后对原来的系统和

改进后的系统进行测试比较。

3、在小型 RTOS 中增加仪表变送任务，该任务实现数据采样；用最小二乘法

计算温度补偿方程系数，进行测量温度补偿；计算和校正测量值，并计算输出电

流值等。

4、输出电流开平方根计算的算法改进。

本文分以下几个部分分别介绍：压力变送器产品的硬件结构，变送器的小型实

时嵌入式系统的设计；最小二乘法温度补偿的方法和仪表变送任务的实现，最后对

该产品的设计进行总结和展望。

第二章压力变送器原理及智能电子部件

§2.1 智能变送器

智能变送器提供了操作者与外部系统双向通信的方法，用于发送测量状态信息

并接受处理外部命令。智能仪表的设计重点，已经从模拟和逻辑电路的设计转向专

用的微机模板或微机功能部件、接口电路和输入输出通道的设计，以及应用软件的

开发。传统模拟式仪表的各种功能是由单元电路实现的，而在以单片机或嵌入式系

统为主体的仪表中，完全由软件完成众多的数据处理和控制任务[19]。

随着自动化程度在工业等各个领域的不断加深，自动化领域对各类仪器仪表的

要求也不断的提高。以单片机为核心的智能仪表步入生产现场，使自动控制领域发

生了巨大变革。智能变送器的测量精度，高补偿性能，方便调校，功能强大可靠，

特别是智能变送器的通信能力，为自动控制系统提供了坚实的基础。

目前仪器仪表的科技发展趋势是实现产品的微型化、数字化、智能化和网络化

并在性能上向高精确度、高可靠性、高环境适应性方向发展。

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摘要：

摘要目前，现场总线的仪表技术己经成为过程控制领域中的热点，代表着过程仪表发展的方向。随着现场总线国际标准的完成，现场总线产品以其完善的功能和突出的特点必将为市场所接受。现场总线压力变送器取代传统的压力变送器己成必然。HART协议作为从模拟仪表到现场总线的数字仪表过渡协议，以其独有的特点和应用优势，在当今的现场总线智能仪表市场中占有较大的份额。HART协议智能压力变送器的研究和开发具有现实的意义。本文在智能HART变送器中引入小型嵌入式系统(RTOS)，把智能仪表的功能作为嵌入式系统的功能模块来设计，在嵌入式的系统的基础上开发和设计智能变送器，增强了仪表的实时性能，也方便了产品的升级和更新。本文...

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