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。
關(guān)鍵詞：HART協(xié)議 智能變送器 現(xiàn)場(chǎng)總線 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信

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。為解決開放性資源的共享問題，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"）來傳送數(shù)字信號(hào)（見圖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），只能說是現(xiàn)場(chǎng)總線的雛形，是一種過渡協(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)問題。一是要解決微功耗的問題，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。這就意味可用來為變送器供電的電流不能超過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多，超過3.5mA，將導(dǎo)致數(shù)字信號(hào)負(fù)半周失真?？紤]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3.4mA為好。

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通信功能的專用芯片。

HT2012由4個(gè)主要功能模塊組成：時(shí)鐘頻率、解調(diào)器、調(diào)制器、載波檢測(cè)。

HT20l2需要460.8kHz外時(shí)鐘輸入，3～5V供電，低功耗（典型值40μA）[5]。

HT2012調(diào)制解調(diào)器的半雙工的。當(dāng)一個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，調(diào)制器和解調(diào)器中的另一個(gè)會(huì)被停止。工作在Bell 202標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)送、傳送和接收調(diào)制位速率1200bps。

HT2012使用1200Hz("1")和2200Hz（"0"）Bell 202信號(hào)頻率，CMOS、TTL兼容。

TH2012具有載波檢測(cè)輸出端OCD，低電平有效，表示對(duì)方通信芯片準(zhǔn)備進(jìn)行載波發(fā)送，改進(jìn)了通信的實(shí)時(shí)性和靈活性。另外，19.2kHz時(shí)鐘信號(hào)輸出，也為應(yīng)用提供了方便。

2. D/A及V/I轉(zhuǎn)換器

為將數(shù)字頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換為±0.5mA的頻率信號(hào)，疊加在兩線的4～20mA電流環(huán)上，還需要附加耦合電路，這樣必然會(huì)造成更多的功耗開銷。而美國(guó)A/D公司的產(chǎn)品AD421[2]，是專為HART協(xié)議智能儀表設(shè)計(jì)的，包括4～20mA電流環(huán)的16位D/A轉(zhuǎn)換器。它與HART協(xié)議兼容，其開關(guān)電流源和濾波器功能塊，可HART電壓信號(hào)向±0.5mA電流信號(hào)的轉(zhuǎn)換，為應(yīng)用帶來方便。

AD421基本性能：（1）4～20mA輸出；（2）HART兼容，能用于標(biāo)準(zhǔn)HART FSK協(xié)議通信；（3）16位分辨率；（4）±0.01%積分的非線性；（5）3V、3.3V或5V可調(diào)節(jié)電壓輸出及2.5V和1.25V精度參考，用于自身和系統(tǒng)其他器件；（6）Vcc=5V供電時(shí)，750μA最大靜態(tài)電流，典型值為575μA；（7）可編程報(bào)警電流功能，允許變送器發(fā)出電流超范圍警報(bào)，以表示轉(zhuǎn)換器的故障；（8）靈活的高速串行接口。