基于HART協(xié)議的智能變送器設(shè)計
關(guān)鍵詞：HART協(xié)議 智能變送器 現(xiàn)場總線 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信
概述
現(xiàn)場總線技術(shù)是當(dāng)前自動檢測技術(shù)的熱點之一。從現(xiàn)場總線技術(shù)形成來看，它是控制、計算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果；而智能儀表則為現(xiàn)場總線的出現(xiàn)和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。自1983年Honeywell推出智能儀表--Smar變送器之后，世界各廠家都相繼推出各有特色的智能儀表。為解決開放性資源的共享問題，從用戶到廠商都強烈要求形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)現(xiàn)場總線技術(shù)的形成。目前，幾種有影響的現(xiàn)場總線技術(shù)有：基金會現(xiàn)場總線、LonWorks、PROFIBUS、CAN、HART，除HART外，均為全數(shù)字化現(xiàn)場總線協(xié)議。
全數(shù)字化意味著將取消傳統(tǒng)的模擬信號的傳送方式，而要求每一個現(xiàn)場設(shè)備都具有智能及數(shù)字通信能力，使得操作人員或其他設(shè)備（傳感器、執(zhí)行器等）向現(xiàn)場發(fā)送指令（如設(shè)定值、量程、報警值等），同時也能實時地得到現(xiàn)場設(shè)備各方面的情況（如測量值、環(huán)境參數(shù)、設(shè)備運行情況及設(shè)備校準(zhǔn)、自診斷情況、報警信息、故障數(shù)據(jù)等）。此外，原來由主控制器完成的控制運算也分散到了各個現(xiàn)場設(shè)備上，大大提高了系統(tǒng)的可靠性和靈活性?，F(xiàn)場總線技術(shù)關(guān)鍵之處在于系統(tǒng)的開放性，強調(diào)對標(biāo)準(zhǔn)的共識與遵從，打破了傳統(tǒng)生產(chǎn)廠家各自獨立標(biāo)準(zhǔn)的局面，保證了來自不同廠家的產(chǎn)品可以集成到同一個現(xiàn)場總線系統(tǒng)中，并且可以通過網(wǎng)關(guān)與其他系統(tǒng)共享資源。
目前，一方面現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)正處在完善和發(fā)展階段，另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)的基于4～20mA的模擬設(shè)備還在廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制信各個領(lǐng)域。因此，馬上全數(shù)字化是不現(xiàn)實的。為滿足從模擬到全數(shù)字的過渡，HART協(xié)議應(yīng)運而生。HART采用頻移鍵控（FSK）技術(shù)。它基于Bell202通信標(biāo)準(zhǔn)，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"）來傳送數(shù)字信號（見圖3）。HART協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸速率為1200bps（位/秒）。HART現(xiàn)場總線（簡稱HF）系統(tǒng)采用主從工作方式：主機(jī)為1臺IBM-PC機(jī)；從機(jī)為1臺或多臺遵守HART協(xié)議的HF智能變送器。當(dāng)從機(jī)只有1臺HF智能變送器，即智能變送器工作在點-點方式下時，可繼續(xù)使用傳統(tǒng)的4～20mA信號進(jìn)行模擬傳輸，而測量、調(diào)整和測試數(shù)據(jù)用數(shù)字方式傳輸；當(dāng)從機(jī)為多臺HF智能變送器時，即智能變送器工作在多站方式下時，4～20mA信號作廢，每臺變送器工作電流為4mA左右。所有測量，調(diào)整和測試數(shù)據(jù)均用數(shù)字方式傳輸。由于每臺HF變送器有惟一的編號，所以主機(jī)能對每一臺變送器進(jìn)行操作。HART提供設(shè)備描述語言（DDL），以確?；ゲ僮餍?。應(yīng)該指出，HART被認(rèn)為是事實上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但它本身并不算現(xiàn)場總線（模擬和數(shù)字的混合），只能說是現(xiàn)場總線的雛形，是一種過渡協(xié)議。由于4～20mA模擬信號標(biāo)準(zhǔn)將在今后相當(dāng)長的時間內(nèi)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現(xiàn)的技術(shù)問題。一是要解決微功耗的問題，二是要討論實現(xiàn)HART協(xié)議智能變送器通信功能的有效方法。
一、功耗要求
為實現(xiàn)智能變送器的基本功能，如線性化處理、溫度補償、自動零點和量程調(diào)整及數(shù)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(zhuǎn)換成數(shù)字量后送入單片機(jī)，單片機(jī)將處理后的數(shù)字量通過D/A轉(zhuǎn)換器，經(jīng)V/I轉(zhuǎn)換電路輸出4～20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號。在數(shù)字通信時，微處理器通過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(shù)據(jù)。
圖1中的存儲器（memory），用來存儲傳感器的特性參數(shù)、現(xiàn)場命令、現(xiàn)場狀態(tài)等工作參數(shù)。
圖2是圖1中通信系統(tǒng)的詳細(xì)方框圖。中心是Bell 202通信標(biāo)準(zhǔn)的HART調(diào)制解調(diào)器，并在信號的輸出端和輸入端分別加1個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(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，HART協(xié)議智能變送器必須可工作在4～20mA兩線回路中。這就意味可用來為變送器供電的電流不能超過4mA。在實際應(yīng)用中，為兼容數(shù)字與模擬兩信號，通常將數(shù)據(jù)頻率信號通過V/I轉(zhuǎn)換電路的調(diào)整管，轉(zhuǎn)換為幅度為±0.5mA的頻率信號，疊加在兩線的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(shù)字兩種信號互不干擾。但環(huán)路上電流瞬時最大值I=4.5mA，最小值I=3.5mA，如果向變送器供電過多，超過3.5mA，將導(dǎo)致數(shù)字信號負(fù)半周失真?？紤]到調(diào)節(jié)量所需的余量，要求對變送器供電電流一般不要超過3.4mA為好。
2.供電方式
給變送器系統(tǒng)供電主要有兩種方式：一是直接將輸入電壓穩(wěn)壓成所需電壓（5V或3.3V）后向系統(tǒng)供電，這種方法總電流必須控制在4mA以內(nèi)，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，但同時還需要考慮變換器的線性穩(wěn)定性因素可能帶來的負(fù)面影響。由于目前微功耗、高性價比的集成電路出現(xiàn)，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(yīng)問題。一般工業(yè)現(xiàn)場多為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(wěn)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(tǒng)
1.通信芯片
SMAR公司生產(chǎn)的HT2012為貝爾202標(biāo)準(zhǔn)的單片機(jī)CMOS微功耗FSK調(diào)制解調(diào)器。它是為設(shè)計過程控制儀器檢測和其他的低功率裝備中提供HART通信功能的專用芯片。
HT2012由4個主要功能模塊組成：時鐘頻率、解調(diào)器、調(diào)制器、載波檢測。
HT20l2需要460.8kHz外時鐘輸入，3～5V供電，低功耗（典型值40μA）[5]。
HT2012調(diào)制解調(diào)器的半雙工的。當(dāng)一個運轉(zhuǎn)時，調(diào)制器和解調(diào)器中的另一個會被停止。工作在Bell 202標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)送、傳送和接收調(diào)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(zhǔn)備進(jìn)行載波發(fā)送，改進(jìn)了通信的實時性和靈活性。另外，19.2kHz時鐘信號輸出，也為應(yīng)用提供了方便。
2.D/A及V/I轉(zhuǎn)換器
為將數(shù)字頻率信號轉(zhuǎn)換為±0.5mA的頻率信號，疊加在兩線的4～20mA電流環(huán)上，還需要附加耦合電路，這樣必然會造成更多的功耗開銷。而美國A/D公司的產(chǎn)品AD421[2]，是專為HART協(xié)議智能儀表設(shè)計的，包括4～20mA電流環(huán)的16位D/A轉(zhuǎn)換器。它與HART協(xié)議兼容，其開關(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(zhuǎn)換，為應(yīng)用帶來方便。
AD421基本性能：（1）4～20mA輸出；（2）HART兼容，能用于標(biāo)準(zhǔn)HART FSK協(xié)議通信；（3）16位分辨率；（4）±0.01%積分的非線性；（5）3V、3.3V或5V可調(diào)節(jié)電壓輸出及2.5V和1.25V精度參考，用于自身和系統(tǒng)其他器件；（6）Vcc=5V供電時，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(zhuǎn)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(jī)及A/D轉(zhuǎn)換器
1.A/D轉(zhuǎn)換器
為實現(xiàn)智能變送器的功能，在電路硬件設(shè)計上，需要1個增益可調(diào)的儀表放大器和1個分辨率至少在14位的A/D轉(zhuǎn)換器，來實現(xiàn)對傳感器信號的放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換。這樣才能達(dá)到智能變送器的高精度、自動調(diào)節(jié)量程、大量程比的設(shè)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，從而實現(xiàn)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個多路轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)通道間的切換。如果選用分立元件，必然會有相當(dāng)大的功耗引入，難以滿足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(shè)計了專用A/D轉(zhuǎn)換器，如MAXIM公司的MAX1400和AD公司的AD7714。其共同點是將增益可調(diào)的儀表放大器、多路轉(zhuǎn)換器和A/D轉(zhuǎn)換器集成在1個芯片中，功耗在幾百μA左右，為實現(xiàn)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(zhuǎn)換器；（2）18位分辨率；（3）3個全差分或5個準(zhǔn)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個全差分輸入通道，也可以組合成5個準(zhǔn)差輸入通道；（6）2個額外的全差分系統(tǒng)校正通道CALOFF和CALGAIN用來作為失調(diào)和增益誤差的校正；（7）MAX1400內(nèi)的2個漂移補償緩沖器，用于隔離所選輸入和PGA及調(diào)制器的電容性負(fù)載的聯(lián)系。當(dāng)V+為5V供電時，MAX1400的參考輸入為2.5V，模擬輸入的變化范圍為-Vimax～+Vimax。Vimax=5÷（2×GAIN）。
2.單片機(jī)
為實現(xiàn)高性能、微功耗的智能變送器控制電路，單片機(jī)選用PIC16C73[7]。它具有功耗低、運行速度快、功耗強等特點。采用長字節(jié)指令，所有指令均為單字長，除跳轉(zhuǎn)為雙周期指令均為單周期（4個時鐘周期）指令。內(nèi)含看門狗、8級硬件堆棧、192×8RAM、32上定時器、2個捕捉器、5路8位A/D轉(zhuǎn)換器、SPI/I2共用的同步串行口、1個異步發(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(shè)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，其特點為：集成度高、性/價比好、功耗低、功能強。片間的數(shù)據(jù)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)點是占用MCU資源小，可根據(jù)系統(tǒng)的大小隨著擴(kuò)充。在實際應(yīng)用中，單片機(jī)可方便地與帶SPI接口的集成電路芯片如A/D、D/A、數(shù)據(jù)存儲器等連接。由于單片機(jī)PIC16C73帶有SPI串行總線硬件接口，使數(shù)據(jù)通信速度更高，使用更靈活。
1.電路說明
A/D轉(zhuǎn)換器MAX1400的2個全差分通道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(shù)轉(zhuǎn)換。AIN5和AIN6組成準(zhǔn)差分輸入通道對TRS1的恒流輸入進(jìn)行監(jiān)測。傳感器均為半導(dǎo)體壓阻傳感器，壓阻傳感器的特點是它的每個橋臂電阻都比較大，一般為2kΩ，以下均假設(shè)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性和溫度對傳感器輸出靈敏度的影響。實驗得知，壓力和差壓傳感器的等效電阻值在全溫度范圍內(nèi)（0～70℃）的變化量是全量程內(nèi)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的誤差進(jìn)行補償，所以電路中設(shè)計了全差分通道AIN3、AIN4對靜壓傳感器TRS2進(jìn)行監(jiān)測，從而可實現(xiàn)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個三態(tài)輸出緩沖器）組成，并能通過2個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的開關(guān)電流源和濾波器功能塊中，可實現(xiàn)HART電壓信號由±0.5mA電流信號的轉(zhuǎn)換。帶通濾波器由圖4中細(xì)線框中的2個運算放大器及電阻、電容組成。它將4～20mA環(huán)路上的±0.5mA HART電流信號轉(zhuǎn)換為HART電壓信號，經(jīng)HT2012解調(diào)，再送入單片機(jī)串行通信接口中，從而完成數(shù)據(jù)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(tǒng)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(shù)據(jù)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；寫電流3mA（5V供電）。用來存放傳感器特性參數(shù)及現(xiàn)場組態(tài)命令、工作參數(shù)、通信數(shù)據(jù)。
HT2012的19.2kHz信號，送入PIC16C73的計數(shù)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(shè)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(zhuǎn)換的5V電源為自己和24LC65及MAX1400的模擬電路部分供電，設(shè)計時須留下功耗余量。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100μA，而變送器功耗設(shè)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態(tài)和靜態(tài)工作時功耗的不同而引起4～20mA信號的變化（盡管實驗證明這個變化是很小的）。
3CRC恒流原理是：其內(nèi)部提供一穩(wěn)定的1.24V從兩管腳引出，在這兩管腳上接1個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(wěn)壓管選用ZRC330。它的穩(wěn)壓值為3.3V，最小工作電流為20μA，最大吸收電流達(dá)5mA，溫度系數(shù)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(jī)消耗。
單片機(jī)PIC16C73的功耗在4MHz時鐘、Vdd=3V時，為2.0mA；而在4MHz和20MHz時鐘、VDD=5V下工作時，電流值分別為2.7mA和13.5mA?？梢娺m當(dāng)降低單片機(jī)工作頻率可使其功耗大幅度下降。由于PIC16C73除跳轉(zhuǎn)指令外，均為單字節(jié)指令，指令周期僅為4個時鐘周期同，其運行速度比其他類型的單片機(jī)快，適當(dāng)降低工作頻率其運行速度仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足變送器實時要求。本設(shè)計單片機(jī)采用1MHz工作頻率，其功耗的實驗數(shù)據(jù)小于1mA。
HT2012工作主時鐘為特殊的460.8kHz，需要特或向SMAR公司索取。本電路采用1片PIC16C58A[7]單片機(jī)，外接1.8432MHz晶振，經(jīng)單片機(jī)4分頻后，正好輸出460.8kHz的時鐘，直接供HT2012使用。PIC16C58A單片機(jī)是PIC系列單片機(jī)中的低擋產(chǎn)品，功耗與PIC16C73相當(dāng)。由于電路由增加了1片單片機(jī)，整個電路的功耗將超出允許范圍。為保證功耗要求，電路設(shè)計采用能量分時復(fù)用的方法：程序通過V1、V2、V3實現(xiàn)傳感器和PIC16C58A的分時復(fù)用，即變送器在做A/D轉(zhuǎn)換時，系統(tǒng)給傳感器供電，當(dāng)需要檢測通信有無或主動進(jìn)行通信時，單片機(jī)將給傳感器的0.5mA關(guān)斷，而將電流并入3.3V工作電源上，同時啟動PIC16C58A。PIC16C58A的功耗指標(biāo)為32kHz時鐘，VDD=3V時典型值小于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(nèi)的WDT功能，將它置于OFF狀態(tài)，功耗大大降低。因此，PIC16C58A在1.8432MHz的時鐘下工作，其功耗不會超過0.5mA。
對數(shù)據(jù)存儲器24LC65的功耗：讀電流150μA，沒有功耗問題；而寫電流3mA，一般出現(xiàn)在數(shù)據(jù)通信完成之后的很短時間內(nèi)，只要規(guī)定在通信時4～20mA電流信號作廢，即可解決功耗要求問題。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，滿足要求。
結(jié)束語
本文從智能變送器的基礎(chǔ)功能出發(fā)，針對HART協(xié)議智能變送器的數(shù)據(jù)通信和功耗要求的特點，在大量實驗的基礎(chǔ)上，設(shè)計了智能壓力/差壓變送器應(yīng)用電路，其中MAX1400、AD421、HT2012均通過了程序調(diào)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發(fā)提供有益的幫助。
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