1、基于HART協(xié)議的智能變送器原理淺析摘要：從HART協(xié)議智能變送器的功能和協(xié)議要求出發(fā)，在詳細討論、分析HART協(xié)議智能變送器的設(shè)計重點、難點和技術(shù)關(guān)鍵的基礎(chǔ)上，分析完整的HART協(xié)議智能壓力/差壓變送器的實用電路。它可以實現(xiàn)HART協(xié)議智能變送器的基本功能；以幫助理解HART協(xié)議，掌握基于HART協(xié)議的智能變送器原理。關(guān)鍵詞：HART(Highway Addressable Remote Transducer) 智能變送器 現(xiàn)場總線 數(shù)字數(shù)據(jù)通信概述現(xiàn)場總線技術(shù)是當前自動檢測技術(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、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)

2、和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。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(tǒng)一標準，促進現(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

3、情況及設(shè)備校準、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。現(xiàn)場總線技術(shù)關(guān)鍵之處在于系統(tǒng)的開放性，強調(diào)對標準的共識與遵從，打破了傳統(tǒng)生產(chǎn)廠家各自獨立標準的局面，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)場總線標準正處在完善和發(fā)展階段，另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)的基于420mA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協(xié)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(xié)議，是美國Rosemen公司于1985年推出的一種用于現(xiàn)場智能儀表和控制室設(shè)備之間的通信協(xié)議。HART裝置提供具有相對低的帶寬，適度響應(yīng)時間的通信，經(jīng)過10多年的發(fā)展，HART技術(shù)在國外已經(jīng)十分成熟，并已成為全球智能儀表的工業(yè)標準。HART協(xié)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(shù)字信號進行雙向數(shù)字通訊，數(shù)據(jù)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(tǒng)模擬信號的大小，保證了與現(xiàn)有模擬系統(tǒng)的兼容性。 在HART協(xié)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(shù)、設(shè)備組態(tài)、校準、診斷信息通過HART協(xié)議訪問。HART通信采用的是半雙工的通信方式。HART協(xié)議參考 ISO/OSI(開放系統(tǒng)互連模型 )，采用了它的簡化三層模型結(jié)構(gòu)，即第一層物理層，第二層數(shù)據(jù)鏈路層和第七層應(yīng)用層。第一層：物理層。規(guī)定了信號的傳輸方法、傳輸介質(zhì)，為了實現(xiàn)模擬通信和數(shù)字通信同時進行而又互不干擾，HART協(xié)議采用頻移鍵控技術(shù) 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(shù)字信號的傳送波特率設(shè)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(zhì)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(zhì)時，最大傳輸距離可達到1500。線路總阻抗應(yīng)在2301100之間。第二層：數(shù)據(jù)鏈路層。規(guī)定了HART幀的格式，實現(xiàn)建立、維護、終結(jié)鏈路通訊功能。HART協(xié)議根據(jù)冗余檢錯碼信息，采用自動重復(fù)請求發(fā)送機制，消除由于線路噪音或其他干擾引起的數(shù)據(jù)通訊出錯，實現(xiàn)通訊數(shù)據(jù)無差錯傳送。現(xiàn)場儀表要執(zhí)行HART指令，操作數(shù)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(shù)據(jù)位、1個奇偶校驗位和一個停止位。由于數(shù)據(jù)的有無和長短并不恒定，所以HART數(shù)據(jù)的長度也是不一樣的，最長的HART數(shù)據(jù)包含25個字節(jié)。第七層：

7、應(yīng)用層。為HART命令集，用于實現(xiàn) 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(xiàn)場總線（簡稱HF）系統(tǒng)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(xié)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(xù)使用傳統(tǒng)的420mA信號進行模擬傳輸，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(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，所以主機能對每一

8、臺變送器進行操作。HART提供設(shè)備描述語言（DDL），以確保互操作性。應(yīng)該指出，HART被認為是事實上的工業(yè)標準，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420mA模擬信號標準將在今后相當長的時間內(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)。一是要淺析解決微功耗的問題，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HA

9、RT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，單片機將處理后的數(shù)字量通過D/A轉(zhuǎn)換器，經(jīng)V/I轉(zhuǎn)換電路輸出420mA標準電流信號。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420mA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)。1.功耗要求為兼容420mA現(xiàn)行標準，HART協(xié)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(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±0.5

10、mA的頻率信號，疊加在兩線的420mA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)字信號負半周失真。考慮到調(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

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(wěn)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(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DC1242V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)現(xiàn)場儀表HART協(xié)議遠程通信硬件設(shè)計現(xiàn)場儀表的HART協(xié)議部分主要完成數(shù)字信號到模擬電流信號的轉(zhuǎn)換，并實現(xiàn)對主要變量和測量、過程參數(shù)、設(shè)備組態(tài)、校準及診斷信息的訪問。如圖是HART協(xié)議通信

12、模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計框圖。HART通信部分主要由D/A轉(zhuǎn)換和Bell202 MODEM及其附屬電路來實現(xiàn)。其中，D/A變換作用是直接將數(shù)字信號轉(zhuǎn)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(huán)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(diào)為“1”，2200Hz信號解調(diào)為“0”的數(shù)字信號，通過串口通信交MCU，MCU接收命令幀，作相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。然后，MCU產(chǎn)生要發(fā)回的應(yīng)答幀，應(yīng)答幀的數(shù)字信號由MODEM調(diào)制成相應(yīng)的1200Hz和2200Hz的FSK頻移鍵控信號

13、，波形整形后，經(jīng)AD421疊加在環(huán)路上發(fā)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(shù)模轉(zhuǎn)換器，由環(huán)路供電，16位數(shù)字信號以串行方式輸入，可以將數(shù)字信號直接轉(zhuǎn)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(xiàn)低成本的遠程智能工業(yè)控制。AD421包括串行輸入16位 D/A(數(shù)字/電流 )轉(zhuǎn)換，除自身用電外，還提供可選擇的 (5V，3.3 V或 3 V)穩(wěn)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(diào)制解調(diào)器，實現(xiàn)HART協(xié)議

14、規(guī)定的數(shù)字通信的編碼或譯碼。該芯片專為 HART儀器設(shè)計，片內(nèi)集成了符合 BELL202標準的調(diào)制器、解調(diào)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(shù)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(shù)字信號調(diào)制成FSK信號，再經(jīng)AD421疊加在420mA的回路上輸出，或者將回路信號經(jīng)帶通濾波、放大整形后取出FSK信號解調(diào)為數(shù)字信號，從而實現(xiàn)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(shù)器74LS

15、161進行兩次4分頻，得到16分頻的時鐘。由于HART數(shù)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(xiàn)系統(tǒng)的低功耗設(shè)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(shè)計HART通信程序也即為HART協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層的軟件實現(xiàn)，是整個現(xiàn)場儀表軟件設(shè)計的關(guān)鍵。在HART通信過程中，主機（上位機）發(fā)送命令幀，現(xiàn)場儀表通過串行口中斷接收到命令幀后，由MCU作相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，產(chǎn)生應(yīng)答幀，由MCU觸發(fā)發(fā)送中斷，發(fā)出應(yīng)答幀，從而完成一次命令交換。首先在上電或者看門狗復(fù)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(shè)定、串口工作方式設(shè)定、清通信緩沖區(qū)、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(tài)下，一旦上位機有命令發(fā)來，HT2012的載波檢測口OCD變?yōu)榈碗娖剑|發(fā)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(jù)命令去執(zhí)行相應(yīng)的操作，最后按一定的格式生成應(yīng)答幀并送入通信緩沖區(qū)，啟動發(fā)送，完成后關(guān)閉SCI。圖5是串行接收請求幀、回復(fù)應(yīng)答幀程序的流程圖。在發(fā)送應(yīng)答幀之后，再次進入等待狀態(tài)，等待下一條主機命令。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

17、/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)的大小隨著擴充。在實際應(yīng)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(shù)據(jù)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(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進行厝數(shù)轉(zhuǎn)換。AIN5和AIN6組成準差分輸入通道對TRS1的恒流輸入進行監(jiān)測。傳

18、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2k，以下均假設(shè)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(nèi)（070）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(shè)計了全差分通道AIN3、AIN4對靜壓傳感器TRS2進行監(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

19、電阻由74HC126（4個三態(tài)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(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中細線框中的2個運算放大器及電阻、電容組成。它將420mA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420mA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

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(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420mA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(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(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（k）。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20A，最大吸收電流達5

22、mA，溫度系數(shù)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。可見適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(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(shè)計單片機采用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PIC16C58A7單片機，外接1.8432MHz晶振，經(jīng)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(chǎn)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