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基于HART协议电流模拟量输出冗余DCS接口设计

作　者: 吴云峰
导　师: 周端；陈博
学　校: 西安电子科技大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: 分布式控制系统 HART协议通信冗余
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 27次
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内容摘要

DCS(分布式控制系统)在现代工业现场已经运用多年,虽然近些年来不断受到新的控制系统的挑战,但是其庞大的市场应用以及随着技术进步不断提出适应新的需求的发展方向,必将使其在未来很长一段时间内会一直存在并且向前发展。现场总线是近些年来迅速发展起来的一种工业数据总线,它主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行器等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。HART通信协议作为建立在4-20mA基础上的数字扩展通信协议目前已经为工控领域所广为接受,并且逐渐成为智能仪表行业“事实上”的标准。很多国家和团体都纷纷致力于HART协议的研究,在广阔的应用前景和巨大的市场需求共同驱使之下,这一领域产品的类型已经十分齐全,而且数量仍在不断增加。与众多数字通讯协议不同,HART协议保留了原有的4-20mA系统,这样的机制给用户提供了一个向后兼容的升级方案,无须将原有系统完全淘汰,大大节省了资金投入。拥有HART通讯能力的智能设备可以在减少资金投入的前提下大大提高系统整体信息管理的能力,所以从各个意义上讲同其他同类协议相比都拥有强大的市场竞争力。高可靠性是过程控制系统的第一要求,而冗余技术是计算机系统可靠性设计中常采用的一种技术,是提高计算机系统可靠性的最有效方法之一。为了达到高可靠性和低失效率相统一的目的,我们通常会在控制系统的设计和应用中采用合适的冗余技术。本文首先对HART协议进行了简要介绍,并着重分析了各层规范。同时也分析了在DCS系统的底层接口级的冗余技术。随后,文中详细分析介绍了如何进行模块硬件设计和软件设计。最后,作为成果展示,在附录中列举了模块的性能参数和测试结果。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-7
第一章绪论  7-13
  1.1 论文背景及研究意义  7-9
    1.1.1 DCS介绍以及其发展趋势  7-9
    1.1.2 冗余技术介绍  9
  1.2 研究内容及主要工作  9-10
  1.3 国内外研究现状  10-11
  1.4 论文结构  11-13
第二章相关技术介绍  13-27
  2.1 HART协议介绍  13-22
    2.1.1 HART协议体系结构  14
    2.1.2 HART协议的分层描述  14-15
    2.1.3 HART协议物理层规范描述  15-16
    2.1.4 HART协议数据链路层规范描述  16-20
    2.1.5 HATR协议应用层规范描述  20-21
    2.1.6 HART协议的服务  21-22
  2.2 控制系统冗余技术介绍  22-25
  2.3 本章小结  25-27
第三章基于HART协议电流模拟量输出冗余模块硬件设计  27-43
  3.1 HART通讯部分硬件电路设计  27-37
    3.1.1 HART MODEM芯片选型及分析  27-30
    3.1.2 HART通信部分外围电路设计  30-32
    3.1.3 HART信号接收电路设计  32-33
    3.1.4 HART信号发送电路设计  33-37
  3.2 电流模拟量输出电路设计  37-41
    3.2.1 关键芯片选型及分析  38
    3.2.2 DAC输出端驱动电路设计  38-39
    3.2.3 V/I转换部分电路设计  39-40
    3.2.4 取样电阻的确定  40-41
  3.3 冗余模块之间通讯电路设计  41
  3.4 模块逻辑控制模块电路设计  41-42
  3.5 本章小结  42-43
第四章基于HART协议电流模拟量输出冗余模块软件设计  43-55
  4.1 输出控制以及HART通讯部分软件设计  43-54
    4.1.1 无HART通信情况下4～20mA输出控制程序设计  43-48
    4.1.2 带HART通信功能4～20mA输出控制程序设计  48-54
  4.2 冗余切换部分软件设计  54
  4.7 本章小结  54-55
第五章整体结构设计及实现  55-59
  5.1 模块整体结构设计  55-57
  5.2 设计实现  57-59
第六章总结  59-61
  6.1 主要研究成果  59
  6.2 下一步的工作  59-61
致谢  61-63
参考文献  63-65
附录1 产品规格指标  65-69
附录2 模块PCB图展示  69-71
附录3 产品测试报告  71-75

基于HART协议电流模拟量输出冗余DCS接口设计

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