Interfejs cyfrowej pętli prądowej S300 w miernictwie przemysłowym

Interfejs analogowej pętli prądowej.

W przyrządach pomiarowych stosowanych w przemyśle powszechnie wykorzystywany jest analogowy interfejs pętli prądowej 4...20 mA, którego zasada pracy polega na przedstawieniu wartości wyniku pomiaru w postaci wartości prądu pobieranego przez przyrząd. Najczęściej przyjmuje się, że dolnemu zakresowi pomiaru odpowiada prąd pobierany równy 4 mA, a górnemu - 20 mA. Zasadniczymi cechami tego rozwiązania (w przeciwieństwie do innych standardów: 0...10V, 0...20 mA itp) są:

jednoczesne zasilanie przyrządu i transmisja wyniku przy pomocy jednej linii dwuprzewodowej,
brak wpływu (w pewnym przedziale) rezystancji linii zasilającej na wynik pomiaru,
dobra odporność na zakłócenia zewnętrzne. Wadą takiego rozwiązania jest to, że: - układ pomiarowy w przyrządzie musi pobierać prąd mniejszy niż 4 mA,
każda niestałość poboru prądu przez układ pomiarowy (np. w funkcji cyklu pomiarowego, temperatury otoczenia itp) wpływa bezpośrednio na błąd wyniku pomiaru,
możliwa jest transmisja tylko jednego wyniku pomiaru przez jedną linię dwuprzewodową,
istnieje konieczność przeprowadzenia dodatkowego przetwarzania wyniku pomiaru, t.j. zamiany wielkości prądu w punkcie odbioru na wartość cyfrową (wyświetlaną bądź przeliczaną w procesach technologicznych), co pociąga za sobą pojawienie się dodatkowego źródła błędu pomiaru,
w coraz częstszym przypadku zastosowania w przyrządzie pomiarowym sterownika mikroprocesorowego, konieczna jest zamiana cyfrowego wyniku pomiaru na analogową wartość prądu, co komplikuje i podraża przyrząd.

Powyższe wady wpływają w istotny sposób na ograniczenia konstrukcyjne narzucane przez ten standard, co czyni go współcześnie mało użytecznym.

Interfejs cyfrowej pętli prądowej S300 LAB-EL.

Dążąc do wykorzystania zalet i wyeliminowania wad interfejsu analogowej pętli prądowej 4...20 mA, firma LAB-EL zmodyfikowała go wprowadzając modulację prądu w pętli bezpośrednio przy pomocy informacji cyfrowej. Dowolne cyfrowe wyniki pomiarów można wówczas przesłać przy pomocy asynchronicznej transmisji szeregowej, o zależnościach czasowych analogicznych jak w najpopularniejszym z interfejsów szeregowych: RS-232C. Dla przedstawianego interfejsu firma LAB-EL stosuje w opisach nazwę: S300.

Przyjęto mianowicie, że wartość prądu pobieranego przez przyrząd pomiarowy odpowiada jednemu z dwu stanów logicznych: stanowi "0" (aktywnemu) odpowiada większy prąd, a stanowi "1" (spoczynkowemu) - mniejszy prąd. Pozwala to na minimalizację średniej wartości prądu zasilającego przyrząd.

Wartość prądu stanu "1" należy dobrać tak, aby z odpowiednim zapasem pozwalał na zasilenie typowego jednoukładowego mikrokontrolera wraz z układem pomiarowym. Wartość prądu stanu "0" powinna być natomiast tak dobrana, aby źródła prądowe w przyrządzie oraz układ progowy zamieniający prąd na poziom logiczny w odbiorniku, dały się realizować przy pomocy możliwie prostych układów elektronicznych. Przyjęto, że transmisja kolejnych wyników pomiarów odbywać się będzie w postaci bloków o ustalonym formacie. Każdy blok będzie rozpoczynał się charakterystyczną sekwencją znaków, pozwalającą na jednoznaczną identyfikację początku bloku, co jest niezbędne dla prawidłowego rozkodowania zawartej w nim informacji (synchronizacja blokowa). Sekwencja taka nie wystąpuje w żadnym późniejszym fragmencie transmisji.

Transmisja kolejnych bloków powinna odbywać się automatycznie, z czasem repetycji wystarczającym dla zakończenia pojedynczego cyklu pomiarowego przyrządu i z odstępem wystarczającym dla łatwej identyfikacji początku bloku. Częstotliwość wysyłania bloków może być też celowo ograniczona ze względu na wolne zmiany wielkości mierzonych.

Przyjęto, że transmisja będzie odbywać się z niewielką prędkością, co ma zasadnicze znaczenie dla:

możliwości programowego generowania wyjściowego ciągu cyfrowego z użyciem prostych mikrokontrolerów jednoukładowych (np serii ST62XX -SGS, PIC16CXX - MICROCHIP), które charakteryzują się dostatecznie niskim poborem prądu niezbędnym w omawianym zastosowaniu, oraz które zwykle nie posiadają sprzętowego interfejsu szeregowego,
dużej odporności takiej transmisji na wpływ zakłóceń zewnętrznych (możliwe jest wówczas w urządzeniu odbierającym zastosowanie filtrów wejściowych o dużej stałej czasowej),
dużej odporności na zmiany parametrów linii transmisyjnej (długość, impedancja linii).

Wszystkie powyższe argumenty doprowadziły do ustalenia parametrów interfejsu cyfrowej pętli prądowej LAB-EL o następujących wartościach:

stanowi "1" (spoczynkowemu) przyporządkowano prąd nie większy niż 15 +/- 2 mA,
stanowi "0" (aktywnemu) - prąd 25 +/- 2 mA
prędkość transmisji ustalono na 300 +/- 5 bitów na sekundę,
blok (rekord) podzielono na bajty (znaki), które wszystkie mają format: SBBBBBBPT, gdzie:

S = bit startu,
BB..B = 6 bitów informacyjnych,
P = bit nieparzystości (nie dotyczy pierwszego znaku bloku - "nagłówka"),
T = 1 bit stopu,

wielkość bloku oraz format danych dostosowano do rodzaju pomiarów (co dla przykładowego rozwiązania - termohigrometru LB-710 LAB-EL zostało przedstawione poniżej).

Konstrukcja przyrządu pomiarowego z interfejsem cyfrowej pętli prądowej LAB-EL.

Zaproponowany interfejs cyfrowej pętli prądowej LAB-EL pozwolił na konstruowanie przyrządów pomiarowych, które maja następujące zalety:

możliwa jest transmisja kilku wyników pomiarów (np temperatury i wilgotności), kontrola stanu technicznego przyrządu oraz jego zasilanie przy pomocy jednej linii dwuprzewodowej,
odbierane wartości wyników pomiarów są dokładnie taka sama, jak wysłane z przyrządu pomiarowego,
przyrządy posiadają proste, a co za tym idzie tanie i gabarytowo małe praktyczne realizacje układowe interfejsu,
interfejs nie wymaga najczęściej regulacji wartości prądów źródeł w procesie produkcji (praktyczna dopuszczalna tolerancja wartości elementów wynosi do 5%)
możliwe jest łatwe dołączenie przyrządów za pośrednictwem prostego konwertera I/U (prądu 15...25mA na napięcie -12...12V) do wszystkich systemów komputerowych posiadających interfejs RS-232C, bez konieczności stosowania drogich układów przetworników analogowo-cyfrowych
istnieje prosta możliwość zapewnienia separacji galwanicznej (np. pojedynczym transoptorem) pomiędzy obwodem linii z przyrządu pomiarowego a interfejsem szeregowym odbiornika (komputera), co ma zasadnicze znaczenie dla niezawodności rozbudowanych przestrzennie systemów pomiarowych w przemyśle.

Zasadę realizacji takiego przyrządu pomiarowego przedstawiono na rys.1.

Zaciski wejściowe Z2 doprowadzają napięcie zasilające poprzez filtr przeciwzakłóceniowy FP do prostownika Greatz'a PG, który pozwala na dowolną biegunowość dołączenia przyrządu do linii wejściowej oraz zabezpiecza jednocześnie przyrząd przed uszkodzeniem.

Źródło prądowe ZP zasilane napięciem Uz stabilizuje przepływ prądu Is na stałą wartość (odpowiadająceą stanowi spoczynkowemu "1" i równą nie więcej niż 15 mA). Prąd ten wywołuje dodatkowo spadek na połączonym z nim szeregowo stabilizatorze SN, na wyjściu którego otrzymujemy napięcie stabilizowane Us niezbędne do zasilania pozostałego układu pomiarowego przyrządu.

W skład części pomiarowej wchodzi mikromocowy jednoukładowy mikrokontroler UP oraz współpracujące z nim przetworniki pomiarowe PP, których konfiguracja jest dostosowana do rodzaju mierzonych mierzonych sygnałów, doprowadzonych do zacisków Z1.

Wynik pomiaru w postaci ciągu "0" i "1" z wyjścia TxD mikrokontrolera UP jest doprowadzony do kluczowanego źródła prądowego ZK, które w przypadku "0" pobiera z węzła o napięciu Uz dodatkowy prąd Ik (o wartości 10mA), zwiększając w ten sposób łączny prąd zasilania przyrządu (do wartości 25mA).

Ogólny schemat blokowy przyrządu przewiduje także możliwość transmisji danych cyfrowych do przyrządu, niezbędną w procesie uruchamiania, testowania i kalibracji przyrządu w procesie produkcji. W tym celu do wejścia Z3 przyrządu doprowadzany jest sygnał szeregowej transmisji cyfrowej, który poprzez układ wejściowy UW dochodzi do wejścia RxD mikrokontrolera UP.

Rys.1. Wykorzystanie interfejsu cyfrowej pętli prądowej w przyrządzie pomiarowym:
FP - filtr przeciwzakłóceniowy, PG - prostownik Greatz'a, ZP - źródło prądowe stałe,
ZK - źródło prądowe kluczowane, SN - stabilizator napięcia, UP - mikrokontroler
jednoukładowy, PP - przetworniki pomiarowe, UW - separator, Z1 - wejście
wielkości mierzonych, Z2 - zasilanie i szeregowe wyjście cyfrowych wyników
pomiarów, Z3 - szeregowe wejście danych cyfrowych.

Format transmisji w termohigrometrach LAB-EL.

Termohigrometry produkowane przez firmę LAB-EL zostały przedstawione w zeszycie PAK nr. 2/97, do którego odsyłamy wszystkich zainteresowanych ich właściwościami metrologicznymi i użytkowymi. Tutaj przedstawiamy informację uzupełniającą dotyczącą przykładowego formatu danych użytego w tym rozwiązaniu. Format takiej transmisji zastosowano na wyjściach i wejściach wszystkich innych przyrządów LAB-EL służących do pomiaru i odbioru wyników pomiarów temperatury i wilgotności powietrza. Pozwala to na elastyczne konfigurowanie systemów pomiarowych złożonych z różnych termohigrometrów (np. LB-710, LB-710/LB-720, LB-701/LB-705, LB-701/LB-725) z urządzeniem nadzorującym i rejestrującym wyniki pomiarów - koncentratorem LB-731. Wyjścia danych w przyrządach posiadających dodatkowe zasilanie zostało wyposaźone w izolację galwaniczną.

Format zastosowanego bloku danych pomiarowych składa się z 14 bajtów i jest następujący:
<NUL> c iiii rrr sttt <CR> , gdzie:

<NUL> = znak ASCII #0 - nagłówek rekordu (z zanegowanym bitem nieparzystości), który służy do wykrycia przez odbiornik początku rekordu, tzw synchronizacja "blokowa",
c = kod statusu urządzenia (= "0".."7"), w formacie: P110CTR , gdzie:

C - błąd kalibracji (błędowi odpowiada bit równy "1"),
T - błąd pomiaru temperatury,
R - błąd pomiaru wilgotności,
P - bit nieparzystości,

iiii = numer seryjny urządzenia (zakres: 0000..9999),
rrr = wynik pomiaru wilgotności x 0,1 % (zakres: 00,0..99,9),
sttt = wynik pomiaru temperatury x 0,1 °C (s = "0","1" lub "-", zakres: -40,0..120,0),
<CR> = terminator ASCII #13 (z bitem nieparzystości).

Powyższe dane można uzupełnić o następujące szczegóły.
Numer seryjny przyrządu ma format: l1 l0 h1 h0, gdzie l1 l0 są cyframi "heksadecymalnymi", które tu są reprezentowane przez kolejne znaki z kolumny #3 tablicy kodów ASCII ("0".."?"). Dana l1 l0 reprezentuje młodszy bajt numeru, a h1 h0 starszy bajt. Przykładowo: jeżeli numer seryjny urządzenia wynosi 58, to zostanie on zakodowany (z pominięciem bitów nieparzystości) jako: 3:00, a numer 511 jako ??01).

Wyniki pomiarów są reprezentowane jako ciąg cyfr dziesiętnych ("0".."9") wysyłanych w kolejności naturalnej (od najstarszej do najmłodszej). Dodatkowo, na pierwszej pozycji wyniku pomiaru temperatury może pojawić się znak "-". A oto przykłady ilustrujące tą zasadę (z pominięciem bitów nieparzystości):

012003450129 : numer = 18, RH = 34,5 %, T = 12,9 °C, bez błędów,
1?100999-023 : numer = 31, RH = 99,9 %, (przekroczenie zakresu wilgotności), T = -2,3 °C,
200104561150 : numer = 256, RH = 45,6 %, T = +115,0 °C (przekroczenie zakresu temperatury)

Zwróćmy uwagę, że po dopisaniu bitów nieparzystości ten ostatni rekord przyjmuje przykładowo postać: 2pp1p4uv11upi taka będzie treść danych wysłanych przez urządzenie.

Formaty transmisji innych przyrządów oraz bardziej szczegółowe informacje można znaleźć na stronie LAB-EL.