基于HART协议的智能变送器设计

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摘要：从HART协议智能变磅器的功能和协议要求出发，在详细讨论、分析HART协议智能变送器的设计重点、难点和技术关键的基础上，设计完整的HART协议智能压力/差压变送器的实用电路。它可以实现HART协议智能变送器的基本功能。

    关键词：HART协议 智能变送器 现场总线 数字数据通信

概述

现场总线技术是当前自动检测技术的热点之一。从现场总线技术形成来看，它是控制、计算机、通信、网络等技术发展的必然结果；而智能仪表则为现场总线的出现和应用奠定了基础。自1983年Honeywell推出智能仪表--Smar变送器之后，世界各厂家都相继推出各有特色的智能仪表。为解决开放性资源的共享问题，从用户到厂商都强烈要求形成统一标准，促进现场总线技术的形成。目前，几种有影响的现场总线技术有：基金会现场总线、LonWorks、PROFIBUS、CAN、HART，除HART外，均为全数字化现场总线协议。

全数字化意味着将取消传统的模拟信号的传送方式，而要求每一个现场设备都具有智能及数字通信能力，使得操作人员或其他设备（传感器、执行器等）向现场发送指令（如设定值、量程、报警值等），同时也能实时地得到现场设备各方面的情况（如测量值、环境参数、设备运行情况及设备校准、自诊断情况、报警信息、故障数据等）。此外，原来由主控制器完成的控制运算也分散到了各个现场设备上，大大提高了系统的可靠性和灵活性。现场总线技术关键之处在于系统的开放性，强调对标准的共识与遵从，打破了传统生产厂家各自独立标准的局面，保证了来自不同厂家的产品可以集成到同一个现场总线系统中，并且可以通过网关与其他系统共享资源。

目前，一方面现场总线标准正处在完善和发展阶段，另一方面传统的基于4～20mA的模拟设备还在广泛应用于工业控制信各个领域。因此，马上全数字化是不现实的。为满足从模拟到全数字的过渡，HART协议应运而生。HART采用频移键控（FSK）技术。它基于Bell202通信标准，在4～20mA模拟信号上叠加不同的频率信号（2200Hz表示"0"，1200Hz表示"1"）来传送数字信号（见图3）。HART协议的数据传输速率为1200bps（位/秒）。HART现场总线（简称HF）系统采用主从工作方式：主机为1台IBM-PC机；从机为1台或多台遵守HART协议的HF智能变送器。当从机只有1台HF智能变送器，即智能变送器工作在点-点方式下时，可继续使用传统的4～20mA信号进行模拟传输，而测量、调整和测试数据用数字方式传输；当从机为多台HF智能变送器时，即智能变送器工作在多站方式下时，4～20mA信号作废，每台变送器工作电流为4mA左右。所有测量，调整和测试数据均用数字方式传输。由于每台HF变送器有惟一的编号，所以主机能对每一台变送器进行操作。HART提供设备描述语言（DDL），以确保互操作性。应该指出，HART被认为是事实上的工业标准，但它本身并不算现场总线（模拟和数字的混合），只能说是现场总线的雏形，是一种过渡协议。由于4～20mA模拟信号标准将在今后相当长的时间内存在，所以研究HART协议仍具有重要意义。

本文讨论基于HART协议智能变送器的硬件实现的技术问题。一是要解决微功耗的问题，二是要讨论实现HART协议智能变送器通信功能的有效方法。
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一、功耗要求

为实现智能变送器的基本功能，如线性化处理、温度补偿、自动零点和量程调整及数字通信等，以下关键器件如微控制器、A/D、D/A、通信芯片及传感器等是所必需的。图1是HART协议智能变送器的原理框图。传感器模拟量信号经A/D转换成数字量后送入单片机，单片机将处理后的数字量通过D/A转换器，经V/I转换电路输出4～20mA标准电流信号。在数字通信时，微处理器通过通信接口芯片及耦合电路，以4～20mA电流环路为介质传送和接收数据。

图1中的存储器（memory），用来存储传感器的特性参数、现场命令、现场状态等工作参数。

图2是图1中通信系统的详细方框图。中心是Bell 202通信标准的HART调制解调器，并在信号的输出端和输入端分别加1个波形整形和带通滤波器，用以加强通信的可靠性。

1.功耗要求

为兼容4～20mA现行标准，HART协议智能变送器必须可工作在4～20mA两线回路中。这就意味可用来为变送器供电的电流不能超过4mA。在实际应用中，为兼容数字与模拟两信号，通常将数据频率信号通过V/I转换电路的调整管，转换为幅度为±0.5mA的频率信号，叠加在两线的4～20mA电流环上（2200Hz表示"0"，1200Hz表示"1"），如图3所示。由于对特性，此信号的平均值为0，因此模拟和数字两种信号互不干扰。但环路上电流瞬时最大值I=4.5mA，最小值I=3.5mA，如果向变送器供电过多，超过3.5mA，将导致数字信号负半周失真。考虑到调节量所需的余量，要求对变送器供电电流一般不要超过3.4mA为好。
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    2.供电方式

给变送器系统供电主要有两种方式：一是直接将输入电压稳压成所需电压（5V或3.3V）后向系统供电，这种方法总电流必须控制在4mA以内，二是采用DC-DC供电方式，只要DC-DC变换器的效率足够高，在功耗控制上它比第1种方法要宽松得多，但同时还需要考虑变换器的线性稳定性因素可能带来的负面影响。由于目前微功耗、高性价比的集成电路出现，采用方法一的优越性更多，因为在供电方式上，2种方法都有需考虑对供电电压的适应问题。一般工业现场多为DC 24V，也有DC 36V供电的。一般要求变送器能在DC12～42V供电电压下稳定、可靠地工作，这一方面直接供电方式要比DC-DC变换方式灵活得多。

二、通信系统

1.通信芯片

SMAR公司生产的HT2012为贝尔202标准的单片机CMOS微功耗FSK调制解调器。它是为设计过程控制仪器检测和其他的低功率装备中提供HART通信功能的专用芯片。

HT2012由4个主要功能模块组成：时钟频率、解调器、调制器、载波检测。

HT20l2需要460.8kHz外时钟输入，3～5V供电，低功耗（典型值40μA）[5]。

HT2012调制解调器的半双工的。当一个运转时，调制器和解调器中的另一个会被停止。工作在Bell 202标准，发送、传送和接收调制位速率1200bps。

HT2012使用1200Hz("1")和2200Hz（"0"）Bell 202信号频率，CMOS、TTL兼容。

TH2012具有载波检测输出端OCD，低电平有效，表示对方通信芯片准备进行载波发送，改进了通信的实时性和灵活性。另外，19.2kHz时钟信号输出，也为应用提供了方便。
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