1、基于HART協議的智能變送器原理淺析摘要：從HART協議智能變送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，分析完整的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；以幫助理解HART協議，掌握基于HART協議的智能變送器原理。關鍵詞：HART(Highway Addressable Remote Transducer) 智能變送器 現場總線 數字數據通信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

2、和應用奠定了基礎。自1983年Honeywell推出智能儀表Smart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

3、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420mA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協議簡介HART(Highway Addressable

4、Remote Transducer)，可尋址遠程傳感器高速通道的開放通信協議，是美國Rosemen公司于1985年推出的一種用于現場智能儀表和控制室設備之間的通信協議。HART裝置提供具有相對低的帶寬，適度響應時間的通信，經過10多年的發展，HART技術在國外已經十分成熟，并已成為全球智能儀表的工業標準。HART協議采用基于Bell202標準的FSK頻移鍵控信號，在低頻的 420mA模擬信號上疊加幅度為0.5mA的音頻數字信號進行雙向數字通訊，數據傳輸率為1.2Mbps。由于FSK信號的平均值為0，不影響傳送給控制系統模擬信號的大小，保證了與現有模擬系統的兼容性。 在HART協議通信中，主要的

5、變量和控制信息由420mA傳送，在需要的情況下，另外的測量、過程參數、設備組態、校準、診斷信息通過HART協議訪問。HART通信采用的是半雙工的通信方式。HART協議參考 ISO/OSI(開放系統互連模型 )，采用了它的簡化三層模型結構，即第一層物理層，第二層數據鏈路層和第七層應用層。第一層：物理層。規定了信號的傳輸方法、傳輸介質，為了實現模擬通信和數字通信同時進行而又互不干擾，HART協議采用頻移鍵控技術 FSK，即在420mA模擬信號上迭加一個頻率信號，頻率信號采用 Be11202國際標準，數字信號的傳送波特率設定為 1200bps，1200Hz代表邏輯“0”，2200Hz代表邏輯“1”，

6、信號幅值0.5A，如左圖所示。通信介質的選擇視傳輸距離長短而定。通常采用雙絞同軸電纜作為傳輸介質時，最大傳輸距離可達到1500。線路總阻抗應在2301100之間。第二層：數據鏈路層。規定了HART幀的格式，實現建立、維護、終結鏈路通訊功能。HART協議根據冗余檢錯碼信息，采用自動重復請求發送機制，消除由于線路噪音或其他干擾引起的數據通訊出錯，實現通訊數據無差錯傳送。現場儀表要執行HART指令，操作數必須合乎指定的大小。每個獨立的字符包括1個起始位、8個數據位、1個奇偶校驗位和一個停止位。由于數據的有無和長短并不恒定，所以HART數據的長度也是不一樣的，最長的HART數據包含25個字節。第七層：

7、應用層。為HART命令集，用于實現 HART指令。命令分為三類，即通用命令、普通命令和專用命令。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機或手持操作器（點-點方式下）；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420mA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，420mA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

8、臺變送器進行操作。HART提供設備描述語言（DDL），以確?；ゲ僮餍?。應該指出，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420mA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。一是要淺析解決微功耗的問題，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HA

9、RT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420mA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420mA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。1.功耗要求為兼容420mA現行標準，HART協議智能變送器必須可工作在420mA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±0.5

10、mA的頻率信號，疊加在兩線的420mA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?？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

11、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DC1242V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、通信系統現場儀表HART協議遠程通信硬件設計現場儀表的HART協議部分主要完成數字信號到模擬電流信號的轉換，并實現對主要變量和測量、過程參數、設備組態、校準及診斷信息的訪問。如圖是HART協議通信

12、模塊結構設計框圖。HART通信部分主要由D/A轉換和Bell202 MODEM及其附屬電路來實現。其中，D/A變換作用是直接將數字信號轉換成420mA電流輸出，以輸出主要的變量。Bell202 MODEM及其附屬電路的作用是對疊加在420mA環路上的信號進行帶通濾波放大后，HART通信單元如果檢測到FSK頻移鍵控信號，則由Bell202 MODEM將1200Hz的信號解調為“1”，2200Hz信號解調為“0”的數字信號，通過串口通信交MCU，MCU接收命令幀，作相應的數據處理。然后，MCU產生要發回的應答幀，應答幀的數字信號由MODEM調制成相應的1200Hz和2200Hz的FSK頻移鍵控信號

13、，波形整形后，經AD421疊加在環路上發出。圖2圖3D/A變換器采用AD421，它是美國ADI公司推出的一種單片高性能數模轉換器，由環路供電，16位數字信號以串行方式輸入，可以將數字信號直接轉換成420mA電流輸出。它提供了高精度、全集成、低功耗的解決方案，采用16引腳DIP、TSSOP、SOIC封裝，可實現低成本的遠程智能工業控制。AD421包括串行輸入16位 D/A(數字/電流 )轉換，除自身用電外，還提供可選擇的 (5V，3.3 V或 3 V)穩壓輸出供變送器其他部分用電。HART MODEM采用 Smar公司的 HT2012，是符合Bell202標準的半雙工調制解調器，實現HART協議

14、規定的數字通信的編碼或譯碼。該芯片專為 HART儀器設計，片內集成了符合 BELL202標準的調制器、解調器、時鐘及定時電路、檢測控制電路。性價比較高，16腳 DIP和28腳PLCC封裝，在+5V供電時工作電流80A。HT2012與微控制器交換數字信號，同AD421作模擬信號接口。它一方面與MCU的異步串行通信口進行串行通信，一方面將輸入的不歸零的數字信號調制成FSK信號，再經AD421疊加在420mA的回路上輸出，或者將回路信號經帶通濾波、放大整形后取出FSK信號解調為數字信號，從而實現HART通信。對于HART MODEM所需要的輸入時鐘，采用7.3728MHz的晶振通過兩個計數器74LS

15、161進行兩次4分頻，得到16分頻的時鐘。由于HART數字通信的要求，有0.5mA的正弦波電流信號疊加在4mA電流上，因此整個硬件電路必須保證在3.5mA以下還能正常工作，因此實現系統的低功耗設計非常重要。圖2和圖3分別是采用的AD421和HT2012的外圍電路圖。通信的軟件設計HART通信程序也即為HART協議數據鏈路層和應用層的軟件實現，是整個現場儀表軟件設計的關鍵。在HART通信過程中，主機（上位機）發送命令幀，現場儀表通過串行口中斷接收到命令幀后，由MCU作相應的數據處理，產生應答幀，由MCU觸發發送中斷，發出應答幀，從而完成一次命令交換。首先在上電或者看門狗復位后，主程序要對通信部分

16、進行初始化，主要包括波特率設定、串口工作方式設定、清通信緩沖區、開中斷等。在初始化完成之后通訊部分就一直處在準備接收狀態下，一旦上位機有命令發來，HT2012的載波檢測口OCD變為低電平，觸發中斷，啟動接收，程序就進入接收部分。然后完成主機命令的解釋并根據命令去執行相應的操作，最后按一定的格式生成應答幀并送入通信緩沖區，啟動發送，完成后關閉SCI。圖5是串行接收請求幀、回復應答幀程序的流程圖。在發送應答幀之后，再次進入等待狀態，等待下一條主機命令?；贖ART協議智能壓力/差壓變送器的設計圖4為HART協議智能壓力/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

17、/價比好、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），同優點是占用MCU資源小，可根據系統的大小隨著擴充。在實際應用中，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串行總線硬件接口，使數據通信速度更高，使用更靈活。1.電路說明A/D轉換器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的恒流輸入進行監測。傳

18、感器均為半導體壓阻傳感器，壓阻傳感器的特點是它的每個橋臂電阻都比較大，一般為2k，以下均假設它們的橋臂電阻值為2k。采用恒流供電，可以進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（070）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值可以對整個變送器進行溫度補償。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進行監測，從而可實現對靜壓的補償。HART通信模塊由HT2012和波形整形電路及帶通濾波器組成。整形

19、電阻由74HC126（4個三態輸出緩沖器）組成，并能通過2個750電阻及2.2F的耦合電容，將整形后的HT2012發出的電壓信號輸入到AD421的開關電流源和濾波器功能塊中，可實現HART電壓信號由±0.5mA電流信號的轉換。帶通濾波器由圖4中細線框中的2個運算放大器及電阻、電容組成。它將420mA環路上的±0.5mA HART電流信號轉換為HART電壓信號，經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。AD421除完成420mA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

20、24LC65，為8KB的串行E2PROM，供電電壓2.55.5V，功耗：讀電流150A；寫電流3mA（5V供電）。用來存放傳感器特性參數及現場組態命令、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。2.功耗及電流分配AD421由420mA環路主電源供電，轉換的5V電源為自己和24LC65及MAX1400的模擬電路部分供電，設計時須留下功耗余量。AD421工作電流為600A，24LC65讀電流為10A，MAX1400的模擬電路

21、工作電流不超過100A，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態和靜態工作時功耗的不同而引起420mA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：其內部提供一穩定的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（k）。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20A，最大吸收電流達5

22、mA，溫度系數50ppm是比較理想的器件。MAX1400的工作電流值小于150A（3.3V供電），HT2012的功耗電流40A，帶通濾波器選用運放TLC27L2C，最大功耗電流僅為48A。整形電路的74HC126工作于低頻下最大電流500A左右，剩下1.25mA電流供單片機消耗。單片機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個時鐘周期同，其運行速度比其他類型的單片機快，適當降低工作頻率其運行速度仍遠遠滿足變送器實時要求。本設計單片機采用1MHz工作頻率，其功耗的實驗數據小于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PIC16C58A7單片機，外接1.8432MHz晶振，經單片機4分頻后，正好輸出460.8kHz的時鐘，直接供HT2012使用。PIC16C58A單片機是PIC系列單片機中的低擋產品，功耗與PIC16C73相當。由于電路由增加了1片單片機，整個電路的功耗將超出允許范圍