USB-HART Modem的设计及抄表软件开发

论文摘要

HART协议是可以远程控制现场仪表的双向通信协议,它在传统4到20mA模拟信号的环路上叠加了数字频率信号。由于数字信号平均值为0,因此它不影响模拟信号的控制系统,确保了与模拟信号的兼容。在仪表行业逐步数字化的时候,作为过渡期的HART协议在智能仪表向数字化过渡中显示出它的作用,根据我国的现状在未来较长一段时间内,以HART协议作为通信的仪表市场还有很长的生存期。目前市场上存在多种以HART协议为通信的手抄器,但是能够在个人电脑上应用的却极少。鉴于此种情况,想开发一种能够基于笔记本电脑上控制的手抄器,绝大多数笔记本电脑都只有USB接口,因此我们就想设计一种USB-HART Modem转换器。它能与笔记本电脑相连,在PC机中运行软件界面,通过对界面的操作实现传统手抄器的功能,充分实现了人机交互功能。本课题在设计中主要分为两大类,一是USB-HART Modem的硬件电路设计,二是笔记本电脑上的软件界面设计。根据硬件电路要实现的功能,前期准备了大量的资料并熟悉HART协议的规范。完成的硬件电路主要由单片机模块、噪声抑制及负载驱动模块、电源模块、滤波电路模块、调制解调模块和USB转串口通信模块构成,这些模块共同作用实现了HART协议物理层的要求。在上位机软件的设计中,是按照HART通信协议中的数据链路层和应用层的要求完成的。软件界面是基于对话框方式实现的,一个主对话框上包含了5个从对话框,在从对话框上完成USB-HART Modem转换器的具体功能。经过连接测试,验证了软件能够正常工作,最后介绍了软件应用时的注意事项。设计好的产品具有传统的HART手抄器功能。因为实现在PC机上运行,所以使操作起来更加方便,看起来更加直观,应具有较好的市场前景。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 现场总线简介
• 1.2 现场总线的发展及特点
• 1.3 HART 协议的技术背景
• 1.4 本论文主要内容及章节安排
• 1.5 本章小节
• 第二章 HART 协议及实现分析
• 2.1 HART 协议规范分析
• 2.1.1 HART 协议模型
• 2.1.2 物理层规范分析
• 2.1.3 数据链路层规范分析
• 2.1.4 应用层规范分析
• 2.2 HART 协议的实现分析
• 2.2.1 HART 协议的网络模式
• 2.2.3 HART 协议命令分析
• 2.3 本章小节
• 第三章 HART MODEM 的硬件设计
• 3.1 系统框架设计
• 3.1.1 系统设计背景及应用
• 3.1.2 硬件框架设计
• 3.2 硬件电路设计
• 3.2.1 单片机模块
• 3.2.3 HART 协议调制解调模块
• 3.3 USB 转串口通信设计
• 3.4 PC 机串口驱动程序的安装
• 3.5 本章小节
• 第四章 上位机软件设计
• 4.1 软件框架设计
• 4.2 软件界面设计基础
• 4.2.1 对话框
• 4.2.2 常用控件
• 4.2.3 消息映射机制
• 4.2.4 串口通信
• 4.3 界面设计的具体实现
• 4.3.1 框架及对话框的建立
• 4.3.2 设置变量及建立消息映射
• 4.3.3 建立串口通讯机制
• 4.4 数据链路层程序
• 4.4.1 定时时间设定
• 4.4.2 串口接收解析程序
• 4.4.3 串口发送程序
• 4.5 应用层程序
• 4.5.1 数据格式
• 4.5.2 联机测试对话框的功能实现
• 4.5.3 过程变量测量对话框功能实现
• 4.5.4 基本参数设置对话框功能实现
• 4.6 本章小节
• 第五章 系统安装和功能测试
• 5.1 安装说明
• 5.1.1 应用说明
• 5.1.2 系统要求
• 5.1.3 系统组成
• 5.1.4 安装连线
• 5.2 功能测试
• 5.2.1 基本参数连接测试
• 5.2.2 注意事项
• 5.3 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果
• 附录1 USB-HART MODEM 电路原理图和PCB 图
• 附录2 USB-HART MODEM 实物图