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基于HART協(xié)議的智能變送器設(shè)計(jì)
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(xì)討論、分析HART協(xié)議智能變送器的設(shè)計(jì)重點(diǎn)、難點(diǎn)和技術(shù)關(guān)鍵的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)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(xiàn)HART協(xié)議智能變送器的基本功能。概述
現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是當(dāng)前自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)的熱點(diǎn)之一。從現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)形成來(lái)看，它是控制、計(jì)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(chǎng)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(kāi)放性資源的共享問(wèn)題，從用戶到廠商都強(qiáng)烈要求形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的形成。目前，幾種有影響的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)有：基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線、LonWorks、PROFIBUS、CAN、HART，除HART外，均為全數(shù)字化現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議。
全數(shù)字化意味著將取消傳統(tǒng)的模擬信號(hào)的傳送方式，而要求每一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)發(fā)送指令（如設(shè)定值、量程、報(bào)警值等），同時(shí)也能實(shí)時(shí)地得到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備各方面的情況（如測(cè)量值、環(huán)境參數(shù)、設(shè)備運(yùn)行情況及設(shè)備校準(zhǔn)、自診斷情況、報(bào)警信息、故障數(shù)據(jù)等）。此外，原來(lái)由主控制器完成的控制運(yùn)算也分散到了各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備上，大大提高了系統(tǒng)的可靠性和靈活性�，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)關(guān)鍵之處在于系統(tǒng)的開(kāi)放性，強(qiáng)調(diào)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的共識(shí)與遵從，打破了傳統(tǒng)生產(chǎn)廠家各自獨(dú)立標(biāo)準(zhǔn)的局面，保證了來(lái)自不同廠家的產(chǎn)品可以集成到同一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)中，并且可以通過(guò)網(wǎng)關(guān)與其他系統(tǒng)共享資源。
目前，一方面現(xiàn)場(chǎng)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(gè)領(lǐng)域。因此，馬上全數(shù)字化是不現(xiàn)實(shí)的。為滿足從模擬到全數(shù)字的過(guò)渡，HART協(xié)議應(yīng)運(yùn)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(hào)上疊加不同的頻率信號(hào)（2200Hz表示"0"，1200Hz表示"1"）來(lái)傳送數(shù)字信號(hào)（見(jiàn)圖3）。HART協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸速率為1200bps（位/秒）。HART現(xiàn)場(chǎng)總線（簡(jiǎn)稱(chēng)HF）系統(tǒng)采用主從工作方式：主機(jī)為1臺(tái)IBM-PC機(jī)；從機(jī)為1臺(tái)或多臺(tái)遵守HART協(xié)議的HF智能變送器。當(dāng)從機(jī)只有1臺(tái)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(xù)使用傳統(tǒng)的4～20mA信號(hào)進(jìn)行模擬傳輸，而測(cè)量、調(diào)整和測(cè)試數(shù)據(jù)用數(shù)字方式傳輸；當(dāng)從機(jī)為多臺(tái)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(hào)作廢，每臺(tái)變送器工作電流為4mA左右。所有測(cè)量，調(diào)整和測(cè)試數(shù)據(jù)均用數(shù)字方式傳輸。由于每臺(tái)HF變送器有惟一的編號(hào)，所以主機(jī)能對(duì)每一臺(tái)變送器進(jìn)行操作。HART提供設(shè)備描述語(yǔ)言（DDL），以確�；ゲ僮餍�。應(yīng)該指出，HART被認(rèn)為是事實(shí)上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但它本身并不算現(xiàn)場(chǎng)總線（模擬和數(shù)字的混合），只能說(shuō)是現(xiàn)場(chǎng)總線的雛形，是一種過(guò)渡協(xié)議。由于4～20mA模擬信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)將在今后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)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(shí)現(xiàn)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(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(shí)現(xiàn)智能變送器的基本功能，如線性化處理、溫度補(bǔ)償、自動(dòng)零點(diǎn)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(hào)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(guò)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(hào)。在數(shù)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(shù)據(jù)。
圖1中的存儲(chǔ)器（memory），用來(lái)存儲(chǔ)傳感器的特性參數(shù)、現(xiàn)場(chǎng)命令、現(xiàn)場(chǎng)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(hào)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(qiáng)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(lái)為變送器供電的電流不能超過(guò)4mA。在實(shí)際應(yīng)用中，為兼容數(shù)字與模擬兩信號(hào)，通常將數(shù)據(jù)頻率信號(hào)通過(guò)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(hào)，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(duì)特性，此信號(hào)的平均值為0，因此模擬和數(shù)字兩種信號(hào)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(dǎo)致數(shù)字信號(hào)負(fù)半周失真。考慮到調(diào)節(jié)量所需的余量，要求對(duì)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(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(shí)還需要考慮變換器的線性穩(wěn)定性因素可能帶來(lái)的負(fù)面影響。由于目前微功耗、高性價(jià)比的集成電路出現(xiàn)，采用方法一的優(yōu)越性更多，因?yàn)樵诠╇姺绞缴希?種方法都有需考慮對(duì)供電電壓的適應(yīng)問(wèn)題。一般工業(yè)現(xiàn)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(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(jì)過(guò)程控制儀器檢測(cè)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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