一种带有HART协议转换的模拟量输出模块和DCS系统
技术领域
本实用新型涉及模拟量输出领域，尤其涉及一种带有HART协议转换的模拟量输出模块。
背景技术
目前，分布式控制系统(Distributed Control Systems,简称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。新华DCS系统NetPAC是新华新一代的DCS系统。
HART协议(Highway Addressable Remote Transducer)，可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议，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系统中的模拟量输出模块仅负责模拟量信号4-20mA信号的输出，并不解包HART协议，而使用专门独立的HART模块作为HART信息的传输。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种带有HART协议转换的模拟量输出模块，使模拟量输出模块可以无扰动的切换通道上的HART协议。
实用新型内容
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DCS系统的模拟量输出模块如何无扰动地切换通道上的HART协议，以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协议转换的模拟量输出模块。包括电源模块、控制芯片模块、信号隔离模块、指示灯模块、HART协议模块、多路开关切换模块和输出驱动模块，所述控制芯片模块经过所述信号隔离模块分别与所述输出驱动模块、所述多路开关切换模块、所述HART协议模块通信连接；所述控制芯片模块通过串转并的信号点亮所述指示灯模块；所述电源模块对输出电路供电；所述控制芯片模块用于上位机通讯和信号处理；所述信号隔离模块隔离输出信号和所述控制芯片模块；所述指示灯模块用于信号输出的指示；所述HART协议模块解析和转换HART协议；所述多路开关切换模块用于输出信号的回校和数模转换。
进一步地，所述输出驱动模块输出4-20mA的电流信号。
可选地，所述控制芯片模块通过串口总线经过所述信号隔离模块与所述HART协议模块通讯。
可选地，所述控制芯片模块通过SPI串行总线并经过所述信号隔离模块后将数据传送给所述输出驱动模块。
可选地，所述控制芯片模块通过并行总线经过所述信号隔离模块后控制多路开关切换模块切换不同的通道。
可选地，所述电源模块采用DC/DC电源模块
进一步地，所述DC/DC电源模块把24V电源转换为±15V。
可选地，所述输出驱动模块包括回校、数模转换器(DAC)和电流输出电路。
可选地，所述数模转换器(DAC)为8通道12位转换芯片。
可选地，所述数模转换器(DAC)配置内部参考基准，同时输出8个通道的模拟量信号。
可选地，所述控制芯片模块包括CPLD和CPU，所述CPLD和所述CPU通过总线互联。
进一步地，所述CPU采用高速磁介质隔离芯片，能够隔离现场设备对其的干扰。
可选地，所述CPU采用32位的ARM M0芯片。
进一步地，所述CPLD和上位机通讯，得到需要输出的模拟量数据，通过隔离的SPI总线发送给数模转换器(DAC)。
进一步地，所述CPLD控制多路开关的切换，与所述CPU进行数据交换。
可选地，所述CPLD设置了两个通讯接口和上位机进行数据交换，实现与上位机通讯的冗余。
进一步地，所述控制芯片模块还包括与所述CPU通过总线连接的存储单元、看门狗单元和配置端口。
进一步地，所述HART协议模块配置HART协议的解码芯片，将1.2kHz的HART信号叠加到4-20mA的模拟量信号上，完成HART协议的通讯。
可选地，所述HART协议的解码芯片采用A5191HRT型HART调制解调器。
可选地，所述HART协议的解码芯片配置串口和所述CPU通讯。
进一步地，所述多路开关切换模块通过轮询主从的方式进行通道切换，将所述HART协议模块的信号轮询的切换到每个通道上。
可选地，所述多路开关切换模块采用MUX508的多路开关。
进一步地，所述输出驱动模块设置16通道，分别布置在两块板卡上，每个板卡各有8个通道。
本实用新型还包括使用了上述任一实施例的DCS系统。
本实用新型设计的模拟量输出模块，通过多路开关切换，可以无扰动地切换通道上的HART协议，满足了工业现场的需要。
以下将结合附图对本实用新型的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本实用新型的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本实用新型的一个较佳实施例的组成示意图；
图2是使用本实用新型在DCS的应用示意图。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本实用新型的多个优选实施例，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。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本实用新型并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
本实用新型的一个较佳实施例包括电源模块、控制芯片模块、信号隔离模块、指示灯模块、HART协议模块、多路开关切换模块和输出驱动模块。控制芯片模块通过SPI串行总线并经过信号隔离模块后将数据传送给输出驱动模块，输出驱动模块中包含数模转换器(DAC)，将数据转换后将所需的电流信号输出到外部端子模块，电流信号通过外部端子供给现场设备后又流回形成电流回路，流回的电流信号进入HART协议模块进行HART协议转换，并通过SPI串口经过信号隔离后输入给控制芯片模块。由于有多个通道的信号需要采集，因此控制芯片还需要通过并行总线经过信号隔离模块隔离后控制多路开关切换模块切换不同的通道。指示灯模块和控制芯片模块通过串转并的信号点亮。
电源模块设计为DC/DC类型，把24V电源转换为±15V对输出电路进行供电。
控制芯片模块用于上位机通讯和信号处理，包括CPLD和CPU，二者通过总线互联并进行通讯；为了隔离现场设备的电磁干扰，发明人采用了高速磁介质隔离芯片，具体使用了32位的ARM M0芯片，可以使用C语言进行编程；CPLD和上位机通讯，得到需要输出的模拟量数据，通过隔离的SPI总线发送给数模转换器(DAC)，发明人对于数模转换器(DAC)进行选型，选择8通道12位转换芯片，具有内部参考基准，同时输出8个通道的模拟量信号，本实施例使用两片DAC7568；此外，CPLD控制多路开关的切换，与CPU进行数据交换。发明人为了安全起见，CPLD设置了两个通讯接口和上位机进行数据交换，实现与上位机通讯的冗余。发明人对CPLD进行选型，本实施例采用了LATTICE公司MachXO2系列中的LCMXO2-2000芯片。
考虑到功能完整和存储数据，发明人在控制芯片模块还配置了存储单元、看门狗单元和配置端口，它们通过总线和CPU连接。在本实施例中，存储单元选择了EEPROM。
发明人设计HART协议模块，解析HART协议。设置HART协议的解码芯片，将1.2kHz的HART信号叠加到4-20mA的模拟量信号上，完成HART协议的通讯；解码芯片采用A5191HRT型HART调制解调器，配置串口和CPU进行通讯。HART协议模块通过串口总线和控制芯片模块进行通讯。
发明人使用信号隔离模块，对输出信号和所述控制芯片模块进行隔离。
发明人设计指示灯模块，用于信号输出的指示，每个输出通道都有唯一对应的一个指示灯描述该通道的断线或超限状态，该指示灯亮代表当前通道断线或者超过额定的电压范围。
发明人设计多路开关切换模块，用于输出信号的回校和HART协议的切换。多路开关切换模块通过轮询主从的方式进行通道切换，将所述HART协议模块的信号轮询的切换到每个通道上，本实施例采用MUX508的多路开关。
发明人设计输出驱动模块，输出驱动模块输出4-20mA的电流信号；输出驱动模块包括16通道，分别布置在两块板卡上，每个板卡各有8个通道。
本实用新型另一较佳实施例，设计了一种DCS系统，如图2所示，包括使用上述带有HART协议转换的模拟量输出模块。本实施例作为模块A1、A2、An；模块B1、B2……Bn；模块N1、N2……Nn等，安装于DCS系统中。
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。
