基于HART協(xié)議的智能變送器設計

關(guān)鍵詞：HART協(xié)議 智能變送器 現場(chǎng)總線(xiàn) 數字數據通信

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。

HT2012由4個(gè)主要功能模塊組成：時(shí)鐘頻率、解調器、調制器、載波檢測。

HT20l2需要460.8kHz外時(shí)鐘輸入，3～5V供電，低功耗（典型值40μA）[5]。

HT2012調制解調器的半雙工的。當一個(gè)運轉時(shí)，調制器和解調器中的另一個(gè)會(huì )被停止。工作在Bell 202標準，發(fā)送、傳送和接收調制位速率1200bps。

HT2012使用1200Hz("1")和2200Hz（"0"）Bell 202信號頻率，CMOS、TTL兼容。

TH2012具有載波檢測輸出端OCD，低電平有效，表示對方通信芯片準備進(jìn)行載波發(fā)送，改進(jìn)了通信的實(shí)時(shí)性和靈活性。另外，19.2kHz時(shí)鐘信號輸出，也為應用提供了方便。

2.D/A及V/I轉換器

為將數字頻率信號轉換為0.5mA的頻率信號，疊加在兩線(xiàn)的4～20mA電流環(huán)上，還需要附加耦合電路，這樣必然會(huì )造成更多的功耗開(kāi)銷(xiāo)。而美國A/D公司的產(chǎn)品AD421[2]，是專(zhuān)為HART協(xié)議智能儀表設計的，包括4～20mA電流環(huán)的16位D/A轉換器。它與HART協(xié)議兼容，其開(kāi)關(guān)電流源和濾波器功能塊，可HART電壓信號向0.5mA電流信號的轉換，為應用帶來(lái)方便。

AD421基本性能：（1）4～20mA輸出；（2）HART兼容，能用于標準HART FSK協(xié)議通信；（3）16位分辨率；（4）0.01%積分的非線(xiàn)性；（5）3V、3.3V或5V可調節電壓輸出及2.5V和1.25V精度參考，用于自身和系統其他器件；（6）Vcc=5V供電時(shí)，750μA最大靜態(tài)電流，典型值為575μA；（7）可編程報警電流功能，允許變送器發(fā)出電流超范圍警報，以表示轉換器的故障；（8）靈活的高速串行接口。

AD421有2種工作方式：4～20mA輸出方式和3.5～24mA報警輸出方式。

三、單片機及A/D轉換器

1.A/D轉換器

為實(shí)現智能變送器的功能，在電路硬件設計上，需要1個(gè)增益可調的儀表放大器和1個(gè)分辨率至少在14位的A/D轉換器，來(lái)實(shí)現對傳感器信號的放大和模數轉換。這樣才能達到智能變送器的高精度、自動(dòng)調節量程、大量程比的設計要求。對智能差壓變送器，還需要對靜壓和溫度進(jìn)行采樣，從而實(shí)現對靜壓和溫度的補償，提高全范圍的測量精度。這樣，還需要1個(gè)多路轉換器實(shí)現通道間的切換。如果選用分立元件，必然會(huì )有相當大的功耗引入，難以滿(mǎn)足HART協(xié)議智能變送器功耗要求。某些大公司為兼容4～20mA的智能變送器設計了專(zhuān)用A/D轉換器，如MAXIM公司的MAX1400和AD公司的AD7714。其共同點(diǎn)是將增益可調的儀表放大器、多路轉換器和A/D轉換器集成在1個(gè)芯片中，功耗在幾百μA左右，為實(shí)現HART協(xié)議智能變送順提供了方便。

MAX1400基本性能：（1）MAX1400[1]為低功耗、多通道、帶SPI同步串行口的∑/ΔA/D轉換器；（2）18位分辨率；（3）3個(gè)全差分或5個(gè)準差分信號輸入通道；（4）可編程PGA，選定增益分別為（1，2，4，8，16，32，64或128）；（5）AIN1～AIN6可組成3個(gè)全差分輸入通道，也可以組合成5個(gè)準差輸入通道；（6）2個(gè)額外的全差分系統校正通道CALOFF和CALGAIN用來(lái)作為失調和增益誤差的校正；（7）MAX1400內的2個(gè)漂移補償緩沖器，用于隔離所選輸入和PGA及調制器的電容性負載的聯(lián)系。當V+為5V供電時(shí)，MAX1400的參考輸入為2.5V，模擬輸入的變化范圍為-Vimax～+Vimax。Vimax=5（2GAIN）。

2.單片機

為實(shí)現高性能、微功耗的智能變送器控制電路，單片機選用PIC16C73[7]。它具有功耗低、運行速度快、功耗強等特點(diǎn)。采用長(cháng)字節指令，所有指令均為單字長(cháng)，除跳轉為雙周期指令均為單周期（4個(gè)時(shí)鐘周期）指令。內含看門(mén)狗、8級硬件堆棧、1928RAM、32上定時(shí)器、2個(gè)捕捉器、5路8位A/D轉換器、SPI/I2共用的同步串行口、1個(gè)異步發(fā)送/接收串口USART、多種中斷功能，包括B口RB4～RB7輸入電平變化中斷。

四、基于HART協(xié)議智能壓力/差壓變送器的設計

圖4為HART協(xié)議智能壓力/差壓變送器的電路原理圖。電路所用集成電路為上面所提及的，其特點(diǎn)為：集成度高、性/價(jià)比好、功耗低、功能強。片間的數據通信采用MOTOROLA公司推出的同步串行外圍接口SPI（Serial Peripheral Interface），同優(yōu)點(diǎn)是占用MCU資源小，可根據系統的大小隨著(zhù)擴充。在實(shí)際應用中，單片機可方便地與帶SPI接口的集成電路芯片如A/D、D/A、數據存儲器等連接。由于單片機PIC16C73帶有SPI串行總線(xiàn)硬件接口，使數據通信速度更高，使用更靈活。

1.電路說(shuō)明

A/D轉換器MAX1400的2個(gè)全差分通道AIN1、AIN2和AIN3、AIN4分別對差壓傳感器TRS1、靜壓傳感器TRS2進(jìn)行厝數轉換。AIN5和AIN6組成準差分輸入通道對TRS1的恒流輸入進(jìn)行監測。傳感器均為半導體壓阻傳感器，壓阻傳感器的特點(diǎn)是它的每個(gè)橋臂電阻都比較大，一般為2kΩ，以下均假設它們的橋臂電阻值為2kΩ。采用恒流供電，可以進(jìn)一步減小傳感器的非線(xiàn)性和溫度對傳感器輸出靈敏度的影響。實(shí)驗得知，壓力和差壓傳感器的等效電阻值在全溫度范圍內（0～70℃）的變化量是全量程內壓力或差壓所引起的等效電阻值變化的100倍左右，因此，AIN5所測得的A/D值可以對整個(gè)變送器進(jìn)行溫度補償。為提高變送器的測量精度，須對靜壓給差壓帶來(lái)的誤差進(jìn)行補償，所以電路中設計了全差分通道AIN3、AIN4對靜壓傳感器TRS2進(jìn)行監測，從而可實(shí)現對靜壓的補償。

HART通信模塊由HT2012和波形整形電路及帶通濾波器組成。整形電阻由74HC126（4個(gè)三態(tài)輸出緩沖器）組成，并能通過(guò)2個(gè)750Ω電阻及2.2μF的耦合電容，將整形后的HT2012發(fā)出的電壓信號輸入到AD421的開(kāi)關(guān)電流源和濾波器功能塊中，可實(shí)現HART電壓信號由0.5mA電流信號的轉換。帶通濾波器由圖4中細線(xiàn)框中的2個(gè)運算放大器及電阻、電容組成。它將4～20mA環(huán)路上的0.5mA HART電流信號轉換為HART電壓信號，經(jīng)HT2012解調，再送入單片機串行通信接口中，從而完成數據的接收任務(wù)。

AD421除完成4～20mA電流信號輸出及HART通信外，還為系統提供電源及參考電壓。它的2.5V參考電壓供自己和MAX1400使用。

數據存儲器選用24LC65，為8KB的串行E2PROM，供電電壓2.5～5.5V，功耗：讀電流150μA；寫(xiě)電流3mA（5V供電）。用來(lái)存放傳感器特性參數及現場(chǎng)組態(tài)命令、工作參數、通信數據。

HT2012的19.2kHz信號，送入PIC16C73的計數器輸入端，用于檢測HT2012的工作情況。

HT2012的OCD信號，送入PIC16C73的RB7端。RB7設為中斷方式，用于檢測通信狀態(tài)。

2.功耗及電流分配

AD421由4～20mA環(huán)路主電源供電，轉換的5V電源為自己和24LC65及MAX1400的模擬電路部分供電，設計時(shí)須留下功耗余量。AD421工作電流為600μA，24LC65讀電流為10μA，MAX1400的模擬電路工作電流不超過(guò)100μA，而變送器功耗設計為3.4mA，剩下2.5mA電流供電路其他器件使用。具體分配如下：傳感器由恒流二極管3CRC供電0.5mA，剩下2.0mA電流由另一支3CRC恒流后供電路的其他部分使用。這樣可避免由于器件在動(dòng)態(tài)和靜態(tài)工作時(shí)功耗的不同而引起4～20mA信號的變化（盡管實(shí)驗證明這個(gè)變化是很小的）。

3CRC恒流原理是：其內部提供一穩定的1.24V從兩管腳引出，在這兩管腳上接1個(gè)電阻即可中輸出恒流。計算公式為：I（mA）=1.24/R（kΩ）。只要保證3CRC的工作電壓略大于1.24V即可正常工作。

穩壓管選用ZRC330。它的穩壓值為3.3V，最小工作電流為20μA，最大吸收電流達5mA，溫度系數50ppm是比較理想的器件。MAX1400的工作電流值小于150μA（3.3V供電），HT2012的功耗電流40μA，帶通濾波器選用運放TLC27L2C，最大功耗電流僅為48μA。整形電路的74HC126工作于低頻下最大電流500μA左右，剩下1.25mA電流供單片機消耗。

單片機PIC16C73的功耗在4MHz時(shí)鐘、Vdd=3V時(shí)，為2.0mA；而在4MHz和20MHz時(shí)鐘、VDD=5V下工作時(shí)，電流值分別為2.7mA和13.5mA?？梢?jiàn)適當降低單片機工作頻率可使其功耗大幅度下降。由于PIC16C73除跳轉指令外，均為單字節指令，指令周期僅為4個(gè)時(shí)鐘周期同，其運行速度比其他類(lèi)型的單片機快，適當降低工作頻率其運行速度仍遠遠滿(mǎn)足變送器實(shí)時(shí)要求。本設計單片機采用1MHz工作頻率，其功耗的實(shí)驗數據小于1mA。

HT2012工作主時(shí)鐘為特殊的460.8kHz，需要特或向SMAR公司索取。本電路采用1片PIC16C58A[7]單片機，外接1.8432MHz晶振，經(jīng)單片機4分頻后，正好輸出460.8kHz的時(shí)鐘，直接供HT2012使用。PIC16C58A單片機是PIC系列單片機中的低擋產(chǎn)品，功耗與PIC16C73相當。由于電路由增加了1片單片機，整個(gè)電路的功耗將超出允許范圍。為保證功耗要求，電路設計采用能量分時(shí)復用的方法：程序通過(guò)V1、V2、V3實(shí)現傳感器和PIC16C58A的分時(shí)復用，即變送器在做A/D轉換時(shí)，系統給傳感器供電，當需要檢測通信有無(wú)或主動(dòng)進(jìn)行通信時(shí)，單片機將給傳感器的0.5mA關(guān)斷，而將電流并入3.3V工作電源上，同時(shí)啟動(dòng)PIC16C58A。PIC16C58A的功耗指標為32kHz時(shí)鐘，VDD=3V時(shí)典型值小于15μA。由于對PIC16C58A的某一I/O口（如RB）進(jìn)行置高、置低操作，所以不怕程序"跑飛"，因此不需PIC16C58A片內的WDT功能，將它置于OFF狀態(tài)，功耗大大降低。因此，PIC16C58A在1.8432MHz的時(shí)鐘下工作，其功耗不會(huì )超過(guò)0.5mA。

對數據存儲器24LC65的功耗：讀電流150μA，沒(méi)有功耗問(wèn)題；而寫(xiě)電流3mA，一般出現在數據通信完成之后的很短時(shí)間內，只要規定在通信時(shí)4～20mA電流信號作廢，即可解決功耗要求問(wèn)題。24LC65一定要接在4～20mA主電源中。

從以上分析，電路功耗小于3.4mA的智能變送器，滿(mǎn)足要求。

結束語(yǔ)

本文從智能變送器的基礎功能出發(fā)，針對HART協(xié)議智能變送器的數據通信和功耗要求的特點(diǎn)，在大量實(shí)驗的基礎上，設計了智能壓力/差壓變送器應用電路，其中MAX1400、AD421、HT2012均通過(guò)了程序調試。在本電路中只用1只壓力傳感器，它就是壓力變送器。如將壓力傳感器換為溫度傳感器主，就是HART協(xié)議智能溫度變送器。由于水平的原因，文章中必然存在許多有待改進(jìn)之處。希望本文的研究能對智能變送器的開(kāi)發(fā)提供有益的幫助。