1、基于HART协议的智能变送器原理浅析：从HART协议智能变送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、难点和技术关键的根底上，分析完整的HART协议智能压力/差压变送器的实用电路。它可以实现HART协议智能变送器的根本功能；以帮助理解HART协议，掌握基于HART协议的智能变送器原理。关键词：HART(Highway Addressable Remote Transducer) 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、网络等技术开展的必然结果；而智能仪表那么为现场总线的出现和
2、应用奠定了根底。自1983年Honeywell推出智能仪表Smart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
3、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开展阶段，另一方面传统的基于420mA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协议简介HART(Highway Addressable Remote
4、Transducer)，可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议，是美国Rosemen公司于1985年推出的一种用于现场智能仪表和控制室设备之间的通信协议。HART装置提供具有相对低的带宽，适度响应时间的通信，经过10多年的开展，HART技术在国外已经十分成熟，并已成为全球智能仪表的工业标准。HART协议采用基于Bell202标准的FSK频移键控信号，在低频的 420mA模拟信号上叠加幅度为0.5mA的音频数字信号进行双向数字通讯，数据传输率为1.2Mbps。由于FSK信号的平均值为0，不影响传送给控制系统模拟信号的大小，保证了与现有模拟系统的兼容性。 在HART协议通信中，主要的变量和控制信息
5、由420mA传送，在需要的情况下，另外的测量、过程参数、设备组态、校准、诊断信息通过HART协议访问。HART通信采用的是半双工的通信方式。HART协议参考 ISO/OSI(开放系统互连模型 )，采用了它的简化三层模型结构，即第一层物理层，第二层数据链路层和第七层应用层。第一层：物理层。规定了信号的传输方法、传输介质，为了实现模拟通信和数字通信同时进行而又互不干扰，HART协议采用频移键控技术 FSK，即在420mA模拟信号上迭加一个频率信号，频率信号采用 Be11202国际标准，数字信号的传送波特率设定为 1200bps，1200Hz代表逻辑“0，2200Hz代表逻辑“1，信号幅值0.5A，
6、如左图所示。通信介质的选择视传输距离长短而定。通常采用双绞同轴电缆作为传输介质时，最大传输距离可到达1500。线路总阻抗应在2301100之间。第二层：数据链路层。规定了HART帧的格式，实现建立、维护、终结链路通讯功能。HART协议根据冗余检错码信息，采用自动重复请求发送机制，消除由于线路噪音或其他干扰引起的数据通讯出错，实现通讯数据无过失传送。现场仪表要执行HART指令，操作数必须符合指定的大小。每个独立的字符包括1个起始位、8个数据位、1个奇偶校验位和一个停止位。由于数据的有无和长短并不恒定，所以HART数据的长度也是不一样的，最长的HART数据包含25个字节。第七层：应用层。为HART
7、命令集，用于实现 HART指令。命令分为三类，即通用命令、普通命令和专用命令。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机或手持操作器点-点方式下；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420mA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，420mA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
8、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420mA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。一是要浅析解决微功耗的问题，二是要讨论实现HART协议智能变送器通信功能的有效方法。一、功耗要求为实现智能变送器的根本功能，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
9、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420mA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420mA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。1.功耗要求为兼容420mA现行标准，HART协议智能变送器必须可工作在420mA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420mA电流环上22
10、00Hz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。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
11、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DC1242V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、通信系统现场仪表HART协议远程通信硬件设计现场仪表的HART协议局部主要完成数字信号到模拟电流信号的转换，并实现对主要变量和测量、过程参数、设备组态、校准及诊断信息的访问。如图是HART协议通信模块结构设计框图。HART通信局部主要由D/A转换和Bell202 MODEM及其附属电路来实现。其中，D
12、/A变换作用是直接将数字信号转换成420mA电流输出，以输出主要的变量。Bell202 MODEM及其附属电路的作用是对叠加在420mA环路上的信号进行带通滤波放大后，HART通信单元如果检测到FSK频移键控信号，那么由Bell202 MODEM将1200Hz的信号解调为“1，2200Hz信号解调为“0的数字信号，通过串口通信交MCU，MCU接收命令帧，作相应的数据处理。然后，MCU产生要发回的应答帧，应答帧的数字信号由MODEM调制成相应的1200Hz和2200Hz的FSK频移键控信号，波形整形后，经AD421叠加在环路上发出。图2图3D/A变换器采用AD421，它是美国ADI公司推出的一种
13、单片高性能数模转换器，由环路供电，16位数字信号以串行方式输入，可以将数字信号直接转换成420mA电流输出。它提供了高精度、全集成、低功耗的解决方案，采用16引脚DIP、TSSOP、SOIC封装，可实现低本钱的远程智能工业控制。AD421包括串行输入16位 D/A(数字/电流 )转换，除自身用电外，还提供可选择的 (5V，3.3 V或 3 V)稳压输出供变送器其他局部用电。HART MODEM采用 Smar公司的 HT2023，是符合Bell202标准的半双工调制解调器，实现HART协议规定的数字通信的编码或译码。该芯片专为 HART仪器设计，片内集成了符合 BELL202标准的调制器、解调器
14、、时钟及定时电路、检测控制电路。性价比拟高，16脚 DIP和28脚PLCC封装，在+5V供电时工作电流80A。HT2023与微控制器交换数字信号，同AD421作模拟信号接口。它一方面与MCU的异步串行通信口进行串行通信，一方面将输入的不归零的数字信号调制成FSK信号，再经AD421叠加在420mA的回路上输出，或者将回路信号经带通滤波、放大整形后取出FSK信号解调为数字信号，从而实现HART通信。对于HART MODEM所需要的输入时钟，采用7.3728MHz的晶振通过两个计数器74LS161进行两次4分频，得到16分频的时钟。由于HART数字通信的要求，有0.5mA的正弦波电流信号叠加在4m
15、A电流上，因此整个硬件电路必须保证在3.5mA以下还能正常工作，因此实现系统的低功耗设计非常重要。图2和图3分别是采用的AD421和HT2023的外围电路图。通信的软件设计HART通信程序也即为HART协议数据链路层和应用层的软件实现，是整个现场仪表软件设计的关键。在HART通信过程中，主机上位机发送命令帧，现场仪表通过串行口中断接收到命令帧后，由MCU作相应的数据处理，产生应答帧，由MCU触发发送中断，发出应答帧，从而完成一次命令交换。首先在上电或者看门狗复位后，主程序要对通信局部进行初始化，主要包括波特率设定、串口工作方式设定、清通信缓冲区、开中断等。在初始化完成之后通讯局部就一直处在准备接收状态下，一旦上位机有命令发来，HT2023的载波检测口OCD变为低电平，触发中断，启动接收，程序就进入接收局部。然后完成主机命令的解释并根据命令去执行相应的操作，最后按一定的格式生成应答帧并送入通信缓冲区，启动发送，完成后关闭SCI。图5是串行接收请求帧、回复应答帧程序的流程图。在发送应答帧之后，再次进入等待状态，等待下一条主机命令。基于HART协议智能压力/差压变送器的设计图4为HART协议智能压力/差压变送器的电路原理图。电路所用集成电路为上面所提及的，其特点为：集成度高、性/价比好、功耗低、功能强。片间的数据通信采用