毕业设计（论文）-HART 协议智能差压变送器设计.doc

吉林大学远程教育 专专科科生生毕毕业业论论文文（设设计计） 中中文文题题目目HART 协议智能差压变送器设计 学学生生姓姓名名 专专业业 机机电电一一体体化化 层层次次年年级级 2 20 01 11 1 年年专专科科毕毕业业生生 学学号号 指指导导教教师师 职职称称 副副教教授授 学学习习中中心心 大大连连航航运运职职业业技技术术学学院院 成成绩绩 2011 年年 10 月月 30 日日 目 录 摘要摘要.3 第一章第一章 绪论绪论.5 11 现场总线的发展.5 12 智能变送器的发展 .6 13 目的与意义.7 14 本论文主要内容.7 第二章第二章 HART 协议总体剖析协议总体剖析.8 21 HART 协议概述.8 22 HART 通信结构模型.10 221 HART 协议物理层.10 222 HART 数据链路层.11 223 应用层.12 224 各层间的功能关系.12 23 HART 协议在智能变送器中的应用.12 第三章第三章 智能差压变送器的硬件设计智能差压变送器的硬件设计.16 31 系统设计方案 .16 32 HART 通信模块.17 321 HART 的优良特性.17 322 HT2012 芯片的功能模块.17 33 传感器模块.18 34 MCU 模块.18 341 D/A 转换器.19 342 A/D 转换器.19 35 基于 HART 协议智能差压变送器的电路设计.20 第四章第四章 HART 协议差压变送器的软件设计协议差压变送器的软件设计.24 41 变送器的测控程序流程图 .24 411 用户测控程序总体流程图.24 412 参数设置流程图.26 42 HART 数据与发送通讯流程图.27 421 上位机数据采集一次数据的程序流程图.27 422 变送器数据发送流程图.29 结论结论.31 致谢致谢.32 参考文献参考文献.33 吉林大学远程教育吉林大学远程教育 20092009 届本科生毕业论文（设计） 3 摘要 国家“十五”计划的全面启动，给仪器仪表行业带来新的增长点。据有关 方面分析，仅西气东输第一期工程就需要各种类型的流量、压力、温度仪表、 调节控制仪表、分析仪器、执行机构和主控系统，估计达 100 亿左右； 目前 对仪器仪表行业产品综合水平评价：达到国际八十年代中期水平，微电子技术 和计算机技术在仪器仪表产品中普遍采用，约 15的产品实现了智能化，达 到国际九十年代水平；30的产品实现了数字化，达到国际八十年代末期水平， 整体技术水平不高，综合差距在 15 年左右。随着国际上“四化”(数字化、智 能化、网络化、微型化)产品逐渐成为主流，差距还在拉大。主要表现：产品 可靠性、稳定性差的问题依然突出；重大工程项目产品成套率下降(由“八五” 的 80下降到 50左)，高档产品主要被国外产品占领，中档产品面临强烈冲 击，加入 WT0 以后，形势将更加严峻。因此，研究出有自主知识产权的仪器 仪表成为当务之急。HART 协议的智能变送器作为模拟仪表向数字仪表的过渡 产品，由于它在目前己成为事实上的工业标准，符合中国国情，加之它可为开 发 FF 总线产品积累经验，因此仍具有开发价值。 两线制 HART 智能差压变送器的技术难点： 自身的电流不能超过 35mA，这是典型的低功耗要求；数字信号在回路中的幅值要求，为 1mA(峰 峰值)：变送器与手操器的通信。在我国研制出的第一台 HART 智能变送器， 已达到了国际先进水平。 关键词: HART 协议； 智能变送器； 现场总线 吉林大学远程教育吉林大学远程教育 20092009 届本科生毕业论文（设计） 4 ABSTRACT State 15 program into full swing, to the instrumentation industry to bring new growth. According to relevant analysis, only the first phase of the project on natural gas needs of various types of flow, pressure, temperature instrument, regulation and control instruments, analytical instruments, actuators and main control system, estimated at 10 billion or so; current device Comprehensive Evaluation Instrument industry products: the mid-eighties to the international level, microelectronics and computer technology in instrumentation products commonly used, about 15% of the product to achieve an intelligent, nineties to meet international standards; 30% of the product is digitized, the late eighties to the international level, the overall technical level is not high and the overall gap of 15 years. As the international community four modernizations (digital, intelligent, network, miniaturization) products become mainstream, the gap is widening. Mainly: product reliability, poor stability of the problem is still outstanding; product sets the rate of major construction projects decreased (from August 5 80% to 50% left), high-end products are mainly occupied by foreign products, is facing a strong impact on mid-range products join WT0 after, the situation will become more severe. Therefore, developed with independent intellectual property instrument become a top priority. Smart HART protocol analog instrument transmitter as the transition to digital instrumentation products, because of its current de facto industry standard has become, in line with Chinas national conditions, coupled with its products can be accumulated for the development of FF bus experience, still has a development value. 2-wire HART Smart Transmitter technical difficulties: their current can not exceed 3.5mA, which is a typical low power requirements; digital signal amplitude in the loop requirements for 1mA (peak - peak): transmitter device with the manual operator of the communication. Through the efforts developed the HART Smart Transmitter one to reach the domestic advanced level. Keywords: HART protocol; Intelligent transmitter; Field bus 吉林大学远程教育吉林大学远程教育 20092009 届本科生毕业论文（设计） 5 第一章 绪论 随着科学技术的迅猛发展，非物理量的测试与控制技术，已越来越广泛地 应用于航天、航空、交通运输、冶金、机械制造、石化、轻工、技术监督与测 试等技术领域，而且也正逐步引入人们的日常生活中去。可以说，检测技术与 自动控制水平的高低，是衡量一个国家科学技术现代化程度的重要标志。加之 计算机、控制、通信、网络等技术的迅猛发展，这些不同方面、不同层次的发 展，使得作为工业控制数字化、智能化与网络化典型代表的现场总线技术也得 到了迅速发展，使计算机控制系统逐步从集散控制系统走向以现场总线为基础 的分布式现场总线控制系统，被誉为工业自动化领域具有革命性的新技术。现 场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一。我们要进行 HART 变送器的研 究，就要必须对现场总线的发展进行初步了解。 11 现场总线的发展 现场总线技术是当前自动检测技术的热点之一。从现场总线技术形成来看， 它是控制、计算机、通信、网络等技术发展的必然结果；而智能仪表则为现场 总线的出现和应用奠定了基础。自 1983 年 Honeywell 推出智能仪表-Smar 变 送器之后，世界各厂家都相继推出各有特色的智能仪表。为解决开放性资源的 共享问题，从用户到厂商都强烈要求形成统一标准，促进现场总线技术的形成。 目前，几种有影响的现场总线技术有：基金会现场总线、 LonWorks、PROFIBUS、CAN、HART，除 HART 外，均为全数字化现场总线 协议。 全数字化意味着将取消传统的模拟信号的传送方式，而要求每一个现场设 备都具有智能及数字通信能力，使得操作人员或其他设备（传感器、执行器等） 向现场发送指令（如设定值、量程、报警值等），同时也能实时地得到现场设 备各方面的情况（如测量值、环境参数、设备运行情况及设备校准、自诊断情 况、报警信息、故障数据等）。此外，原来由主控制器完成的控制运算也分散 到了各个现场设备上，大大提高了系统的可靠性和灵活性。现场总线技术关键 之处在于系统的开放性，强调对标准的共识与遵从，打破了传统生产厂家各自 独立标准的局面，保证了来自不同厂家的产品可以集成到同一个现场总线系统 中，并且可以通过网关与其他系统共享资源。 目前，一方面现场总线标准正处在完善和发展阶段，另一方面传统的基于 420mA 的模拟设备还在广泛应用于工业控制各个领域。因此，马上全数字化 吉林大学远程教育吉林大学远程教育 20092009 届本科生毕业论文（设计） 6 是不现实的。为满足从模拟到全数字的过渡，HART 协议应运而生。HART 采 用频移键控（FSK）技术。它基于 Bell202 通信标准，在 420mA 模拟信号上 叠加不同的频率信号来传送数字信号。HART 协议的数据传输速率为 1200bps（位/秒）。HART 现场总线（简称 HF）系统采用主从工作方式：主机 为 1 台 IBM-PC 机；从机为 1 台或多台遵守 HART 协议的 HF 智能变送器。当 从机只有 1 台 HF 智能变送器，即智能变送器工作在点-点方式下时，可继续使 用传统的 420mA 信号进行模拟传输，而测量、调整和测试数据用数字方式传 输；当从机为多台 HF 智能变送器时，即智能变送器工作在多站方式下时， 420mA 信号作废，每台变送器工作电流为 4mA 左右。所有测量，调整和测试 数据均用数字方式传输。由于每台 HF 变送器有惟一的编号，所以主机能对每 一台变送器进行操作。HART 提供设备描述语言（DDL），以确保互操作性。 应该指出，HART 被认为是事实上的工业标准，但它本身并不算现场总线（模 拟和数字的混合），只能说是现场总线的雏形，是一种过渡协议。由于 420mA 模拟信号标准将在今后相当长的时间内存在，所以研究 HART 协议仍 具有重要意义。 12 智能变送器的发展 HART 协议广泛应用在现代检测技术中，而变送器的发展直接影响到 HART 协议的发展。变送器是工业生产过程中的重要检测设备，广泛用于工业 中的压力、差压、流量、液位等工艺的检测，是工业自动化控制的基本数据来 源。50 年代工业企业开始使用气动变送器，60 年代使用电 I 型变送器，70 年 代使用电 II 型变送器，80 年代使用电 III 型变送器。到目前为止，大量使用 的智能变送器。经过这么多年的发展，变送器已达到高精度，高可靠性、小型 化，并且具有完善自诊断和通信功能。 智能变送器具有检测某种变量如压力、温度等，以及把检测结果传送出去 的功能。自 1983 年 Honeywell 推出智能仪表Smar 变送器之后，世界各厂家 相继推出各有特色的智能仪表，如 Rosemount 的 1151Smart，Moore 产品公司 的 Mycro XTC,LeeEengineering 公司的 Smar LD301 等产品。为解决开放性资源 的共享问题，从用户到厂商都强烈要求形成统一的标准，促使现场总线技术的 形成。智能仪表则为现场总线的出现和应用奠定了基础。 经过近 20 年的发展，智能变送器的发展更趋完善，功能增强和多样化，它 们具有变送、控制、故障诊断及过程报警灯功能。随着单片机、集成电路等各 项电子和通讯行业的发展，智能变送器将向着更智能化、小型化的方向发展。 吉林大学远程教育吉林大学远程教育 20092009 届本科生毕业论文（设计） 7 13 目的与意义 随着微处理技术的飞速发展以及现场总线技术的不断完善，现场总线产品 以其完善的功能和突出的特点必将为市场接受，现场总线差压变送器取代传统 的差压变送器已成必然。但目前占主导地位的分散型控制系统（DCS）要转化 为现场控制总线控制系统（FCS），仪表制造商和用户均需要一个过渡期。 HART 协议作为过渡协议，具有极强的市场竞争能力和生命力。因此对制造商 来说，根据 HERT 协议的要求，对现在的模拟现场仪表进行智能化改造，在技 术上是可行的，经济上节省了开发投入，在商品化所需时间上是较短的。对于 用户来说，采用此类产品及改造的控制系统，技术上易于掌握，经济上有利于 充分利用已有装备潜在价值。此外，FF 协议产品的全面运用，也尚需时日。 首先开发采用 HART 协议的智能差压变送器，推动国产 HART 差压变送器 尽快投放市场，并为开发采用 FF 协议的智能差压变送器及现场总线控制系统 提供实践经验和赢得时间。HART 协议智能差压变送器的研究必将取得开发成 功将为我们在技术上赶上发达国家技术水平提供可能，也能为我们在 WTO 的 框架下，产品竞争能力的提高提供有效地手段。同时也能为我国自动化领域提 供最新的高技术产品，满足我国对现场总线产品的需求。 14 本论文主要内容 课题的主要任务是将微处理技术和 HART 协议通讯技术引入差压变送器中， 实现高精度、多功能的的可编程两线制 HART 协议智能差压变送器，利用微处 理器强大的功能实现变送器的线性补偿，自适应校正、自诊断、通信等智能化 功能；远程监控、远程调试，从而使它运行更加可靠，使用更灵活，维护更方 便。采用通信数字信号、420mA 模拟信号、电源同线传送而互不干扰，使安 装、布线更为方便节约。其中要解决的主要问题有：核心芯片的选取，整个系 统方案的确定，各个模块之间的连接对系统进行可行性分析，功耗等问题的解 决。论文整体分为四章，具体如下： 第一章绪论，综述了现场总线的发展、智能变送器的发展和各自的特点。 第二章详细介绍了 HART 通信协议及其应用，它的体系结构以及物理层、 数据链路层、应用层的技术规范和各个层所完成的功能及在变送器中的应用。 第三章论述了差压变送器的硬件原理。 第四章涉及到软件的思路及设计。 最后是我对整个设计的体会和总结。 吉林大学远程教育吉林大学远程教育 20092009 届本科生毕业论文（设计） 8 第二章 HART 协议总体剖析 21 HART 协议概述 HART 协议，即 Highway Addressable Remote Transducer Protocol,可寻址远 程传感器高速公路的简称，其定义一句话慨括是在 420mA 的模拟信号上叠加 FSK 数字信号，可以传输模拟和数字两种信号。对与日益增加的智能化现场仪 表的模拟数字混合通信来说，HART 协议已经成为事实上的工业标准。 HART 通信不需要增加布线，可以通过现存的连线进行，由于允许模拟信号和 数字信号的并存，所以当在数字通信上花费时间而增加测量延迟的时侯， HART 通信可以用模拟信号来实现控制。在纯数字通信的情况下，HART 协议 允许采用多点模式，即将多个现场仪表连接到一对导线上，通过智能仪表分别 读取各个变送器的数据。 很多年以来，传统 420mA 信号一直成为现场信号传输的标准，在自动化 设备之间信息通信受到了极大地限制，仅能的到与过程变量成正比的电流信号， 而 HART 是将 1200 波特率的频移键控 FSK 信号加载在 420MA 的模拟信号以 进行通信，它的均值为 0，并且这个 FSK 信号对模拟信号毫无影响，如图 2.1 所示。在纯数字通信中，HART 最多可以允许加载 15 个现场设，HART 协 议为了在信号衰减的情况下继续通信，面对接收器和发送器的灵敏度做了特别 的规定，这样也减少了干扰和码间串扰的可能性。 图 2.1 HART 数字通信 HART 协议的显著特性之一就是它可以同时进行模拟和数字两种通讯。许 多年以来，设备使用的现场通讯标准是 420mA 模拟电流信号。在大多数应用 吉林大学远程教育吉林大学远程教育 20092009 届本科生毕业论文（设计） 9 中，它们用 420mA 之间的值成比例的来表示参数。而 HART 协议不仅传输过 程参量。还利用模拟信号上叠加的数字信号来传输控制信号。这样，HART 协 议就可以支持大多数智能设备和大量存在的模拟设备。从图中我们可以看到， HART 协议使用 bell202 频移键控标准，在 420mA 基础叠加低电平的数字信 号。数字 FSK 信号的平均值为 0。图中的逻辑“1”由 1200Hz 频率代表，逻辑 “0”由 2200Hz 代表。信息传输速率是 1200 波特率。 HART 属于模拟系统向数字系统转变过程中的过渡产品，因此在当前的过 渡时期具有较强的市场竞争能力，得到了较快的发展。HART 协议提供相对较 低的带宽和中等响应时间的通信，其典型应用包括远程过程变量查询、参数设 定和对话。为满足工业过程对 HART 协议的日益需求，1990 年成立 HART 通 讯基金会，它是一个独立的、非盈利机构。主要职责是制定、维护升级 HART 协议标准。登记注册会员、提供对应用 HART 技术在全球范围内的技术支持和 培训。作为一个开放式协议，HART 已成为智能仪表事实上的现场总线工业标 准，并得到了广泛的应用。目前，世界上已有 100 多家公司采纳了这一协议， 其中有许多如 Rosement,Foxboro,Smar,ABB,Moore,Honeywell 等等，共生产 了近 600 种 HART 协议设备，几乎覆盖了所有种类的过程测量仪表和执行设备。 HART 协议的优良特性表现在以下两个方面： （1） 先进的通信协议 随着工业现场总线的出现，各种支持现场总线的传输协议广泛的被用到工 业生产的各个方面，HART 协议的智能过程中采用的一种先进通信技术，兼容 模拟与数字信号传输，现在，越来越多的智能设备的通信都采用 HART 协议。 (2)适应于当今的独特的通信方式 HART 协议是一种过渡时期的协议，这个过渡时期是指由模拟向数字通信 的转变时期，过去存在的大量的现存的模拟传输线路和设备不可能立即取消， 而大量的数字化的仪表又不断出现。HART 协议为今天大量存在的传统的模式 设备对今后数字设备的兼容性提出了独特的通信方案，这种方案确保了现场的 基于模拟的电缆设备和电流控制策略还可以很好的应用于将来的数字设备。 HART 协议之所有适应于当今，是因为它在进行双向数字通信的同时传输 420mA 的模拟信号，数字通信提供了现场智能设备的需要，而 420MaA 的模 拟信号又支持着传统的仪器设备。HART 协议独特的通信方式是基于对 4 20mA 模拟信号的充分考虑，向过程测量和控制设备提供了两种数字通信方式。 它的应用包括远距离过程变量查询、过程数据的循环接入、参数设置和诊断。 吉林大学远程教育吉林大学远程教育 20092009 届本科生毕业论文（设计） 10 22 HART 通信结构模型 HART 通信结构模型是以国际化组织的开放式互连模型为参照，为分三层， 即对应于 OSI 的应用层、数据链路层和物理层（见图 2.2） 分层OSI 层次HART 层次 7应用层HART 命令 6表示层未使用 5会晤层未使用 4传输层未使用 3网络层未使用 2数据链路层协议规范 1物理层Bell 202 图 2.2 HART 通信结构模型 HART 协议规定了对实体之间的通信规则，并通过上下层的接口服务，实 现 HART 通信模式，以这样的模式，可以在主设备与现场设备之间建立通信连 接。 221 HART 协议物理层 物理层规定了信号的传输方法、信号电平、设备阻抗和传输介质。HART 信号传输时基于 Bell 202 通信标准，采用 FSC 方法，数字信号的传送波特率 设为 1200bps，数字信号“0”和“1”分别用 2200Hz 和 1200Hz 的正弦波表示， 这些频率的正弦波叠加在模拟信号上一起传送。如图 2.3。由于正弦信号的平 均值为 0，对模拟信号不会产生影响。HART 信号要被智能设备检出，必须具有 0.25V（峰-峰值）以上的电平，因此两线制智能设备与电源之间至少要有 250 以上的电阻，以免这一信号被电源的低阻抗所短路。多数现有电缆都可以用于 HART 通信，但最好采用直径大于 0.5mm 的电缆。限制信号传输距离的主要因 吉林大学远程教育吉林大学远程教育 20092009 届本科生毕业论文（设计） 11 素是电阻、电感与分布电容对信号的衰减。通常采用双绞线同轴电缆作为传输 介质，单台距离可达 3000m，而多台互连最大传输距离可达 1500m。这应该能满 足大部分用户的需求了。 图 2.3 HART 调制频率信号 222 HART 数据链路层 HART 采用异步传行通信，数据链路层规定了通信数据的结构，每个字符 由 11 位组成，其中包括： 1 bit 起始位 8 bit 数据位 1 bit 奇偶校验位 1 bit 停止位 不仅每个字节有奇偶校验，每个完整的数据帧还用一个字节进行纵向校验。 HART 数据帧格式如下图 2.4 所示，其中 HART 数据项长短并不恒定，最多可包 括 25 个字节，数据形式可为无符号整型数、符点数或 ASCII 字符串。 图 2.4 HART 协议数据帧格式 吉林大学远程教育吉林大学远程教育 20092009 届本科生毕业论文（设计） 12 223 应用层 HART 应用层规定了 HART 命令，智能设备从这些命令中辨识对方信息的 含义。这些命令分为三类：通用命令（Universal Commands），普通应用命令 （Common-Practice Commands）及专用命令（Device-Specific Commands）。第 一类命令是通用的，对所有遵从 HART 协议的智能设备都适用。例如，读制造厂 名及产品型号，读过程变量及单位等。 第二类命令对大多数智能设备都适用，但不要求完全一样；适用于常用的 操作，如写时间数量、量程标定等。 第三类命令是针对各种具体设备的特殊性而设立的，因而，它不要求统一。 HART 通信协议允许两种通信模式：第一种是“问答式” ，即主设备向从设备 发出命令，从设备给予回答，每秒钟可以变换两次数据；第二种是“成组模式” ，即无需主设备发出请求而从设备自动地连续发出数据，传输速率提高到每秒 3.7 次，但只适用于“点对点”的连接方式，而不适用于多站连接方式。 224 各层间的功能关系 物理层的基本任务是为数据传输提供合格的物理信号波形，且直接与传输 介质连接。物理层作为电气接口，一方面接受来自数据链路层的信息，把它转 换为物理信号，并且传送到现场总线的传输媒体上，起到发送驱动器的作用； 另一方面把来自总线传输媒体的物理信号转换为信号送往数据链路层，起到接 收器的作用，当它收到来自数据链路层的数据信息时，需按照 HART 协议规 范对数据帧加上前导码与定界符等，并对其实行数据编码，在经过发送驱动器， 把所产生的物理信号传送到总线的传输媒体上。；另一方面，它又从总线上接 收来自其他设备的物理信号，对其去除前导码、定界符，并进行解码，把数据 信息送往数据链路层。而数据链路层规定了物理层和应用层之间的接口，该层 还控制对传输介质的访问，决定是否可以访问、何时可以访问。 23 HART 协议在智能变送器中的应用 HART 作为一种协议应用在智能差压变送器中，其作用是将客户端可以将采 集的数据进行分析，计算得到有用的数值，发送回下位机，或者将下位机采集 的数据进行分析，发送回上位机。下面就智能差压变送器的命令采集及发送进 行说明。 命令及命令的格式 标准的 HART 协议命令格式如下表所示： 吉林大学远程教育吉林大学远程教育 20092009 届本科生毕业论文（设计） 13 读设备序号命令格式说明如下： 起 始 位 序 文 定 界 符 地 址 命 令 数 据 长 度 校 验 位 结 束 符 由于要确保待发的命令完整的发送，我们特意在标准命令格式序文前加了 一个起始位“23”和在校验位后加了一个结束符“40” 。 例如：发送读取设备序号命令 23 FF FF FF FF FF 02 80 00 00 82 40 命令注解如下表所示： 起始位23 序文FF FF FF FF FF 定界符02 地址80 命令00 数据长度00 校验位82 结束符40 返回的命令格式如下表所示： 序文定界符地址命令数据长 度 数据校验位 返回的数据为： FF FF FF FF FF 06 80 00 0E 00 40 FE 50 7F 06 05 01 01 08 00 6B 73 3A 30 返回数据命令注解如下表所示： 吉林大学远程教育吉林大学远程教育 20092009 届本科生毕业论文（设计） 14 序文FF FF FF FF FF 定界符06 地址80 命令00 数据长度0E 数据00 40 FE 50 7F 06 05 01 01 08 00 6B 73 3A 校验位30 返回数据 6B 73 3A 就是这台设备的序号。 起始位和结束符只在发送命令时确定命令的完整发送，它不改变命令本身， 更不会影响数据的转换。 发送读取压力动态变量命令 命令格式说明如下表所示： （AT100）82 90 7F 固定6B 73 3A 设备序号03 为命令 返回的数据为： FF FF FF FF FF 86 90 7F 6B 73 3A 03 15 00 40 40 D4 E0 00 2D 3E 09 1C 2D 2D 3E 92 E3 9E 返回数据命令注解如下表所示： 电流40 D4 E0 00 压力3E 09 1C 2D 界面3E 92 E3 9E 返回数据计算 经过反复实验和推理论证而推导出了基于 HART 协议数据的计算公式。 下面以电流为例加以说明。 吉林大学远程教育吉林大学远程教育 20092009 届本科生毕业论文（设计） 15 电流值的计算： dlH=(parseddataHart13+parseddataHart12*256.0+(parseddataHart 11 dlD=(parseddataHart10*1) 启动串口调试程序或者由上位机发送相关的命令进行数据转换，客户端可 以将采集的数据进行分析，计算得到有用的数值。 将计算所得的数据送到相应的存储区，客户可以根据自己的需要来处理这 些数据。也可以根据自己的需要来提取有用的数据量，具体的读取命令，需参 阅相关的技术书籍。 吉林大学远程教育吉林大学远程教育 20092009 届本科生毕业论文（设计） 16 第三章 智能差压变送器的硬件设计 31 系统设计方案 图 3.1 系统总体设计图 本设计的采用模块设计，整个过程包括 5 个部分：供电模块、HART 通信 模块、传感器模块、MCU 模块、LED 模块。变送器种类繁多所涉及的领域十 分广，而且技术更新也层出不穷，结构各有千秋，本章要重点介绍的是基于 HART 协议的差压变送器的硬件设计。该变送器可以完成多个参数检测。采用 抗干扰能力强，通信速率高，传输数据精度高的 HART 协议模块电路完成变送 器的数据输出，它既有总线通信的抗干扰力强的特点，又具有变送器输出信号 为二线制 420mA 的工业标准。 智能变送器的总体设计要实现低功耗。由于接入 HART 总线 420mA 环路 中的智能变送器是从 HART 总线 420mA 电流环路上吸收直流且还要对网络提 供工作电源的 A 类设备，因此意味着智能仪表供电的电流不能超过 4mA。在实 际应用中，为了兼容数字和模拟两种信号，通常将数字信号通过 V/I 转换电路 转换成幅度为O.5mA 的音频数字信号(1200Hz 表示“1”，2200Hz 表示“O”)， 叠加在 420mA 电流环上。由于对称性，此信号的平均值为 O，因此模拟和数 字信号互不干扰。但是，环路上的最大电流瞬时值 Imax=4.5mA，最小值 Imin=3.5mA，如果向变送器供电过多(超过 3.5mA)，将导致数字信号负半周失 真，考虑一定的余量，要求对变送器的供电电流不超过 3.4mA。所以在元器件 的选择上要充分考虑如何降低功耗。 吉林大学远程教育吉林大学远程教育 20092009 届本科生毕业论文（设计） 17 32 HART 通信模块 通信模块是本设计的一个重点。SMAR 公司生产的一款 HART 信号调制解 调器专用芯片 HT2012 是一款符合 Bell 202 标准的单片 COMS 低功耗 FSK 调 制解调器，同类产品还有 HT2013,SYM20C15 等。 321 HART 的优良特性 SMAR 公司生产的 HT2012 是一种工作在 Bell202 标准下的半双工 HERT Modem,是采用 FSC 技术的 CMOS 低功耗调制解调器。HT2012 芯片用 来实现 HART 协议中通信信号的调制过程，为过程仪表和其他低功耗设备提供 HART 通信能力。 HT2012 的传输速率 1200bit/s, 工作频率为 1200Hz 和 2200Hz，HT2012 的特性为： 工作在 Bell 202 标准下，通信率为 1200bit/s; 工作频率为 12002200Hz； 低功耗（最大为 40uA） ； 载波监听功能； 频移键控技术（FSK） ； 1200 波特率的接受和发送频率； 35V 的工作电压； 与 CMOS 和 DTL 电路相兼容； 最优良的伏安特性； 使用 CMOS 技术制作，16 和 28 脚封装。 322 HT2012 芯片的功能模块 T2012 的主要功能可以分为 4 个模块：时钟模块、解调器模块、调制器模 块、载体检测模块。图 3.2 给出了是 HT2012 中所有的功能模块和它们之间的 控制关系。 HT20l2 需要 460.8kHz 外时钟输入，35V 供电，低功耗（典型值 40A） 。 HT2012 调制解调器的半双工的。当一个运转时，调制器和解调器中的另一 个会被停止。工作在 Bell 202 标准，发送、传送和接收调制位速率 1200bps。TH2012 具有载波检测输出端 OCD，低电平有效，表示对方通信芯片 准备进行载波发送，改进了通信的实时性和灵活性。另外，19.2kHz 时钟信号 输出，也为应用提供了方便。 吉林大学远程教育吉林大学远程教育 20092009 届本科生毕业论文（设计） 18 图 3.2 HT2012 的功能模块 33 传感器模块 传感器模块主要包括传感器桥路，如图 3.3 所示，其中，电阻 R20 的温度 系数应不大于 50PPM。 图 3.3 传感器模块 34 MCU 模块 MCU 模块主要由微处理器 XE8A8LC05A 和非易失性存储 EEPROM93AA76C 组 成，其中，XE8A8LC05A 内置 12 位 A/D 转换器和 10 位 D/A 转换器。传感器模块 输出的压力和温度信号经整形和带通滤波电路后，分别接至微处理器内置的 A/D 转换器的两个通道，并且使用传感器电桥供电电压作为 A/D 转换器的参考 电压，以排除电桥不稳定所造成的误差。在进行 A/D 转换后，再由 CPU 进行线 性化处理、量程转换、阻尼处理等运算，最后通过微处理器内置的 D/A 转换器 把数字信号转换成电流信号输出。EEPROM 用来保存所有组态、特征化和数字 载波检测器 时钟 调制器 解调器 OTXA ITXD INRTX IRXA ORXD OCD 19.2 K460.8 K 吉林大学远程教育吉林大学远程教育 20092009 届本科生毕业论文（设计） 19 微调数据。 341 D/A 转换器 为将数字频率信号转换为0.5mA 的频率信号，叠加在两线的 420mA 电 流环上，还需要附加耦合电路，这样必然会造成更多的功耗开销。而美国 A/D 公司的产品 AD421，是专为 HART 协议智能仪表设计的，包括 420mA 电流环 的 16 位 D/A 转换器。它与 HART 协议兼容，其开关电流源和滤波器功能块， 可 HART 电压信号向0.5mA 电流信号的转换，为应用带来方便。 AD421 基本性能： （1）420mA 输出 （2）HART 兼容，能用于标准 HART FSK 协议通信； （3）16 位分辨率； （4）0.01%积分的非线性； （5）3V、3.3V 或 5V 可调节电压输出及 2.5V 和 1.25V 精度参考，用于自 身和系统其他器件； （6）Vcc=5V 供电时，750A 最大静态电流，典型值为 575A； （7）可编程报警电流功能，允许变送器发出电流超范围警报，以表示转换 器的故障 （8）灵活的高速串行接口。 AD421 有 2 种工作方式：420mA 输出方式和 3.524mA 报警输出方式 342 A/D 转换器 为实现智能变送器的功能，在电路硬件设计上，需要 1 个增益可调的仪表 放大器和 1 个分辨率至少在 14 位的 A/D 转换器，来实现对传感器信号的放大和 模数转换。这样才能达到智能变送器的高精度、自动调节量程、大量程比的设 计要求。对智能差压变送器，还需要对静压和温度进行采样，从而实现对静压 和温度的补偿，提高全范围的测量精度。这样，还需要 1 个多路转换器实现通 道间的切换。如果选用分立元件，必然会有相当大的功耗引入，难以满足 HART 协议智能变送器功耗要求。某些大公司为兼容 420mA 的智能变送器设 计了专用 A/D 转换器，如 MAXIM 公司的 MAX1400 和 AD 公司的 AD7714。其共同 点是将增益可调的仪表放大器、多路转换器和