基于HART協議的智能變送器

　　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。
　　
　　關鍵詞：HART協議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），以確保互操作性。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Bell202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zui大值I=4.5mA，zui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。
　　
　　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通信功能的芯片。
　　
　　HT2012由4個主要功能模塊組成：時鐘頻率、解調器、調制器、載波檢測。
　　
　　HT20l2需要460.8kHz外時鐘輸入，3～5V供電，低功耗（典型值40μA）[5]。
　　
　　HT2012調制解調器的半雙工的。當一個運轉時，調制器和解調器中的另一個會被停止。工作在Bell202標準，發送、傳送和接收調制位速率1200bps。
　　
　　HT2012使用1200Hz（"1"）和2200Hz（"0"）Bell202信號頻率，CMOS、TTL兼容。
　　
　　TH2012具有載波檢測輸出端OCD，低電平有效，表示對方通信芯片準備進行載波發送，改進了通信的實時性和靈活性。另外，19.2kHz時鐘信號輸出，也為應用提供了方便。
　　
　　2.D/A及V/I轉換器
　　
　　為將數字頻率信號轉換為±0.5mA的頻率信號，疊加在兩線的4～20mA電流環上，還需要附加耦合電路，這樣必然會造成更多的功耗開銷。而美國A/D公司的產品AD421[2]，是專為HART協議智能儀表設計的，包括4～20mA電流環的16位D/A轉換器。它與HART協議兼容，其開關電流源和濾波器功能塊，可HART電壓信號向±0.5mA電流信號的轉換，為應用帶來方便。
　　
　　AD421基本性能：（1）4～20mA輸出；（2）HART兼容，能用于標準HARTFSK協議通信；（3）16位分辨率；（4）±0.01%積分的非線性；（5）3V、3.3V或5V可調節電壓輸出及2.5V和1.25V精度參考，用于自身和系統其他器件；（6）Vcc=5V供電時，750μAzui大靜態電流，典型值為575μA；（7）可編程報警電流功能，允許變送器發出電流超范圍警報，以表示轉換器的故障；（8）靈活的高速串行接口。
　　
　　AD421有2種工作方式：4～20mA輸出方式和3.5～24mA報警輸出方式。
　　
　　三、單片機及A/D轉換器
　　
　　1.A/D轉換器
　　
　　為實現智能變送器的功能，在電路硬件設計上，需要1個增益可調的儀表放大器和1個分辨率至少在14位的A/D轉換器，來實現對傳感器信號的放大和模數轉換。這樣才能達到智能變送器的高精度、自動調節量程、大量程比的設計要求。對智能差壓變送器，還需要對靜壓和溫度進行采樣，從而實現對靜壓和溫度的補償，提高全范圍的測量精度。這樣，還需要1個多路轉換器實現通道間的切換。如果選用分立元件，必然會有相當大的功耗引入，難以滿足HART協議智能變送器功耗要求。某些大公司為兼容4～20mA的智能變送器設計了A/D轉換器，如MAXIM公司的MAX1400和AD公司的AD7714。其共同點是將增益可調的儀表放大器、多路轉換器和A/D轉換器集成在1個芯片中，功耗在幾百μA左右，為實現HART協議智能變送順提供了方便。
　　
　　MAX1400基本性能：（1）MAX1400[1]為低功耗、多通道、帶SPI同步串行口的∑/ΔA/D轉換器；（2）18位分辨率；（3）3個全差分或5個準差分信號輸入通道；（4）可編程PGA，選定增益分別為（1，2，4，8，16，32，64或128）；（5）AIN1～AIN6可組成3個全差分輸入通道，也可以組合成5個準差輸入通道；（6）2個額外的全差分系統校正通道CALOFF和CALGAIN用來作為失調和增益誤差的校正；（7）MAX1400內的2個漂移補償緩沖器，用于隔離所選輸入和PGA及調制器的電容性負載的。當V+為5V供電時，MAX1400的參考輸入為2.5V，模擬輸入的變化范圍為-Vimax～+Vimax。Vimax=5÷（2×GAIN）。
　　
　　2.單片機
　　
　　為實現高性能、微功耗的智能變送器控制電路，單片機選用PIC16C73[7]。它具有功耗低、運行速度快、功耗強等特點。采用長字節指令，所有指令均為單字長，除跳轉為雙周期指令均為單周期（4個時鐘周期）指令。內含看門狗、8級硬件堆棧、192×8RAM、32上定時器、2個捕捉器、5路8位A/D轉換器、SPI/I2共用的同步串行口、1個異步發送/接收串口USART、多種中斷功能，包括B口RB4～RB7輸入電平變化中斷。
　　
　　四、基于HART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/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（SerialPeripheralInterface），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2kΩ，以下均假設它們的橋臂電阻值為2kΩ。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（0～70℃）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。整形電阻由74HC126（4個三態輸出緩沖器）組成，并能通過2個750Ω電阻及2.2μF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4～20mA環路上的±0.5mAHART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4～20mA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24LC65，為8KB的串行E2PROM，供電電壓2.5～5.5V，功耗：讀電流150μA；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4～20mA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600μA，24LC65讀電流為10μA，MAX1400的模擬電路工作電流不超過100μA，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4～20mA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（kΩ）。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，zui小工作電流為20μA，zui大吸收電流達5mA，溫度系數50ppm是比較理想的器件。MAX1400的工作電流值小于150μA（3.3V供電），HT2012的功耗電流40μA，帶通濾波器選用運放TLC27L2C，zui大功耗電流僅為48μA。整形電路的74HC126工作于低頻下zui大電流500μA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PIC16C58A[7]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。為保證功耗要求，電路設計采用能量分時復用的方法：程序通過V1、V2、V3實現傳感器和PIC16C58A的分時復用，即變送器在做A/D轉換時，系統給傳感器供電，當需要檢測通信有無或主動進行通信時，單片機將給傳感器的0.5mA關斷，而將電流并入3.3V工作電源上，同時啟動PIC16C58A。PIC16C58A的功耗指標為32kHz時鐘，VDD=3V時典型值小于15μA。由于對PIC16C58A的某一I/O口（如RB）進行置高、置低操作，所以不怕程序"跑飛"，因此不需PIC16C58A片內的WDT功能，將它置于OFF狀態，功耗大大降低。因此，PIC16C58A在1.8432MHz的時鐘下工作，其功耗不會超過0.5mA。
　　
　　對數據存儲器24LC65的功耗：讀電流150μA，沒有功耗問題；而寫電流3mA，一般出現在數據通信完成之后的很短時間內，只要規定在通信時4～20mA電流信號作廢，即可解決功耗要求問題。24LC65一定要接在4～20mA主電源中。
　　
　　從以上分析，電路功耗小于3.4mA的智能變送器，滿足要求。