基于HART協(xié)議的智能變送器設計

摘要：從HART協(xié)議智能變磅器的功能和協(xié)議要求出發(fā)，在詳細討論、分析HART協(xié)議智能變送器的設計重點(diǎn)、難點(diǎn)和技術(shù)關(guān)鍵的基礎上，設計完整的HART協(xié)議智能壓力/差壓變送器的實(shí)用電路。它可以實(shí)現HART協(xié)議智能變送器的基本功能。

概述

現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)是當前自動(dòng)檢測技術(shù)的熱點(diǎn)之一。從現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)形成來(lái)看，它是控制、計算機、通信、網(wǎng)絡(luò )等技術(shù)發(fā)展的必然結果；而智能儀表則為現場(chǎng)總線(xiàn)的出現和應用奠定了基礎。自1983年Honeywell推出智能儀表--Smar變送器之后，世界各廠(chǎng)家都相繼推出各有特色的智能儀表。為解決開(kāi)放性資源的共享問(wèn)題，從用戶(hù)到廠(chǎng)商都強烈要求形成統一標準，促進(jìn)現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的形成。目前，幾種有影響的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)有：基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)、LonWorks、PROFIBUS、CAN、HART，除HART外，均為全數字化現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議。

全數字化意味著(zhù)將取消傳統的模擬信號的傳送方式，而要求每一個(gè)現場(chǎng)設備都具有智能及數字通信能力，使得操作人員或其他設備（傳感器、執行器等）向現場(chǎng)發(fā)送指令（如設定值、量程、報警值等），同時(shí)也能實(shí)時(shí)地得到現場(chǎng)設備各方面的情況（如測量值、環(huán)境參數、設備運行情況及設備校準、自診斷情況、報警信息、故障數據等）。此外，原來(lái)由主控制器完成的控制運算也分散到了各個(gè)現場(chǎng)設備上，大大提高了系統的可靠性和靈活性�，F場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)關(guān)鍵之處在于系統的開(kāi)放性，強調對標準的共識與遵從，打破了傳統生產(chǎn)廠(chǎng)家各自獨立標準的局面，保證了來(lái)自不同廠(chǎng)家的產(chǎn)品可以集成到同一個(gè)現場(chǎng)總線(xiàn)系統中，并且可以通過(guò)網(wǎng)關(guān)與其他系統共享資源。

目前，一方面現場(chǎng)總線(xiàn)標準正處在完善和發(fā)展階段，另一方面傳統的基于4～20mA的模擬設備還在廣泛應用于工業(yè)控制信各個(gè)領(lǐng)域。因此，馬上全數字化是不現實(shí)的。為滿(mǎn)足從模擬到全數字的過(guò)渡，HART協(xié)議應運而生。HART采用頻移鍵控（FSK）技術(shù)。它基于Bell202通信標準，在4～20mA模擬信號上疊加不同的頻率信號（2200Hz表示"0"，1200Hz表示"1"）來(lái)傳送數字信號（見(jiàn)圖3）。HART協(xié)議的數據傳輸速率為1200bps（位/秒）。HART現場(chǎng)總線(xiàn)（簡(jiǎn)稱(chēng)HF）系統采用主從工作方式：主機為1臺IBM-PC機；從機為1臺或多臺遵守HART協(xié)議的HF智能變送器。當從機只有1臺HF智能變送器，即智能變送器工作在點(diǎn)-點(diǎn)方式下時(shí)，可繼續使用傳統的4～20mA信號進(jìn)行模擬傳輸，而測量、調整和測試數據用數字方式傳輸；當從機為多臺HF智能變送器時(shí)，即智能變送器工作在多站方式下時(shí)，4～20mA信號作廢，每臺變送器工作電流為4mA左右。所有測量，調整和測試數據均用數字方式傳輸。由于每臺HF變送器有惟一的編號，所以主機能對每一臺變送器進(jìn)行操作。HART提供設備描述語(yǔ)言（DDL），以確�；ゲ僮餍�。應該指出，HART被認為是事實(shí)上的工業(yè)標準，但它本身并不算現場(chǎng)總線(xiàn)（模擬和數字的混合），只能說(shuō)是現場(chǎng)總線(xiàn)的雛形，是一種過(guò)渡協(xié)議。由于4～20mA模擬信號標準將在今后相當長(cháng)的時(shí)間內存在，所以研究HART協(xié)議仍具有重要意義。

本文討論基于HART協(xié)議智能變送器的硬件實(shí)現的技術(shù)問(wèn)題。一是要解決微功耗的問(wèn)題，二是要討論實(shí)現HART協(xié)議智能變送器通信功能的有效方法。

一、功耗要求

為實(shí)現智能變送器的基本功能，如線(xiàn)性化處理、溫度補償、自動(dòng)零點(diǎn)和量程調整及數字通信等，以下關(guān)鍵器件如微控制器、A/D、D/A、通信芯片及傳感器等是所必需的。圖1是HART協(xié)議智能變送器的原理框圖。傳感器模擬量信號經(jīng)A/D轉換成數字量后送入單片機，單片機將處理后的數字量通過(guò)D/A轉換器，經(jīng)V/I轉換電路輸出4～20mA標準電流信號。在數字通信時(shí)，微處理器通過(guò)通信接口芯片及耦合電路，以4～20mA電流環(huán)路為介質(zhì)傳送和接收數據。

圖1中的存儲器（memory），用來(lái)存儲傳感器的特性參數、現場(chǎng)命令、現場(chǎng)狀態(tài)等工作參數。

圖2是圖1中通信系統的詳細方框圖。中心是Bell 202通信標準的HART調制解調器，并在信號的輸出端和輸入端分別加1個(gè)波形整形和帶通濾波器，用以加強通信的可靠性。

1.功耗要求

為兼容4～20mA現行標準，HART協(xié)議智能變送器必須可工作在4～20mA兩線(xiàn)回路中。這就意味可用來(lái)為變送器供電的電流不能超過(guò)4mA。在實(shí)際應用中，為兼容數字與模擬兩信號，通常將數據頻率信號通過(guò)V/I轉換電路的調整管，轉換為幅度為±0.5mA的頻率信號，疊加在兩線(xiàn)的4～20mA電流環(huán)上（2200Hz表示"0"，1200Hz表示"1"），如圖3所示。由于對特性，此信號的平均值為0，因此模擬和數字兩種信號互不干擾。但環(huán)路上電流瞬時(shí)最大值I=4.5mA，最小值I=3.5mA，如果向變送器供電過(guò)多，超過(guò)3.5mA，將導致數字信號負半周失真�？紤]到調節量所需的余量，要求對變送器供電電流一般不要超過(guò)3.4mA為好。

2.供電方式

給變送器系統供電主要有兩種方式：一是直接將輸入電壓穩壓成所需電壓（5V或3.3V）后向系統供電，這種方法總電流必須控制在4mA以?xún)�，二是采用DC-DC供電方式，只要DC-DC變換器的效率足夠高，在功耗控制上它比第1種方法要寬松得多，但同時(shí)還需要考慮變換器的線(xiàn)性穩定性因素可能帶來(lái)的負面影響。由于目前微功耗、高性?xún)r(jià)比的集成電路出現，采用方法一的優(yōu)越性更多，因為在供電方式上，2種方法都有需考慮對供電電壓的適應問(wèn)題。一般工業(yè)現場(chǎng)多為DC 24V，也有DC 36V供電的。一般要求變送器能在DC12～42V供電電壓下穩定、可靠地工作，這一方面直接供電方式要比DC-DC變換方式靈活得多。

二、通信系統

1.通信芯片

SMAR公司生產(chǎn)的HT2012為貝爾202標準的單片機CMOS微功耗FSK調制解調器。它是為設計過(guò)程控制儀器檢測和其他的低功率裝備中提供HART通信功能的專(zhuān)用芯片。

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