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基于HART協議的智能變送器設計
摘要：從HART協議智能變磅器的功能和協議要求出發，在詳細討論、分析HART協議智能變送器的設計重點、難點和技術關鍵的基礎上，設計完整的HART協議智能壓力/差壓變送器的實用電路。它可以實現HART協議智能變送器的基本功能。概述
現場總線技術是當前自動檢測技術的熱點之一。從現場總線技術形成來看，它是控制、計算機、通信、網絡等技術發展的必然結果；而智能儀表則為現場總線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一標準，促進現場總線技術的形成。目前，幾種有影響的現場總線技術有：基金會現場總線、LonWorks、PROFIBUS、CAN、HART，除HART外，均為全數字化現場總線協議。
全數字化意味著將取消傳統的模擬信號的傳送方式，而要求每一個現場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）向現場發送指令（如設定值、量程、報警值等），同時也能實時地得到現場設備各方面的情況（如測量值、環境參數、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，原來由主控制器完成的控制運算也分散到了各個現場設備上，大大提高了系統的可靠性和靈活性。現場總線技術關鍵之處在于系統的開放性，強調對標準的共識與遵從，打破了傳統生產廠家各自獨立標準的局面，保證了來自不同廠家的產品可以集成到同一個現場總線系統中，并且可以通過網關與其他系統共享資源。
目前，一方面現場總線標準正處在完善和發展階段，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控制信各個領域。因此，馬上全數字化是不現實的。為滿足從模擬到全數字的過渡，HART協議應運而生。HART采用頻移鍵控（FSK）技術。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"）來傳送數字信號（見圖3）。HART協議的數據傳輸速率為1200bps（位/秒）。HART現場總線（簡稱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-點方式下時，可繼續使用傳統的4～20mA信號進行模擬傳輸，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，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行操作。HART提供設備描述語言（DDL），以確�；ゲ僮餍浴撝赋�，HART被認為是事實上的工業標準，但它本身并不算現場總線（模擬和數字的混合），只能說是現場總線的雛形，是一種過渡協議。由于4～20mA模擬信號標準將在今后相當長的時間內存在，所以研究HART協議仍具有重要意義。
本文討論基于HART協議智能變送器的硬件實現的技術問題。一是要解決微功耗的問題，二是要討論實現HART協議智能變送器通信功能的有效方法。
一、功耗要求
為實現智能變送器的基本功能，如線性化處理、溫度補償、自動零點和量程調整及數字通信等，以下關鍵器件如微控制器、A/D、D/A、通信芯片及傳感器等是所必需的。圖1是HART協議智能變送器的原理框圖。傳感器模擬量信號經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D/A轉換器，經V/I轉換電路輸出4～20mA標準電流信號。在數字通信時，微處理器通過通信接口芯片及耦合電路，以4～20mA電流環路為介質傳送和接收數據。
圖1中的存儲器（memory），用來存儲傳感器的特性參數、現場命令、現場狀態等工作參數。
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。在實際應用中，為兼容數字與模擬兩信號，通常將數據頻率信號通過V/I轉換電路的調整管，轉換為幅度為±0.5mA的頻率信號，疊加在兩線的4～20mA電流環上（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，將導致數字信號負半周失真。考慮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以內，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定性因素可能帶來的負面影響。由于目前微功耗、高性價比的集成電路出現，采用方法一的優越性更多，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題。一般工業現場多為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。
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