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南京理工大学硕士学位论文基于h a r t 协议智能压力变送器的研究和开发 摘要 近年来信息技术的高速发展，一方面使传感器、变送器等设备向着高精度和高可靠 性方向发展，另一方面也使得仪器和仪表向自动化、多功能和智能化方向发展。现场总 线技术正是在这种工业测量和自动化系统的深刻变革中能够发挥巨大作用，因而得以很 快发展的一类技术。智能型变送器集传感和现场通信于一体，是应用这类技术的典型智 能化仪表，与传统的变送器相比，除具有更高精度、高可靠性和稳定性等优点外，更具 实时性和智能化的优势，在科研测量、工业自动化生产控制等方面有着广泛的应用，具 有很重要的研究与开发价值。 现场总线技术是当前自动检测技术发展的热点，它具有开放、数字式和多点通信的 底层控制网络。总线技术向全数字化发展是必然趋势，但由于传统的基于4 2 0 m a 的模拟 设备仍然广泛的应用于工业控制，为满足从模拟到全数字的过渡，兼顾模拟和数字两种 通信方式的h a r t 协议应运而生。该协议基于b e l l 2 0 2 通信标准，在4 2 0 m a 的模拟信号上 叠加不同的频率信号来传送数字信号。 本课题就是以h a r t 协议为通信标准，研究和设计单片机和传感器系统结合为智能型 变送器系统。论文在介绍了h a r t 协议的基础上，首先较为详尽的介绍了智能压力变送器各 硬件模块微处理器( 单片机) 模块、传感器模块、通信模块平 3 a d 及i ) h 模块的 设计；然后，对系统的软件结构进行了分析和设计，提出了利用数据融合基础解决实际 中多参数测试交叉灵敏度问题的方法：接着，重点介绍了智能变送器的现场通信、系统 参数设置和调试。 最后，论文对在开发研制过程中软硬件调试中所遇到的问题和经验进行了总结。 关键词：单片机智能变送器h a r t 协议信息融合 南京理工大学硕士学位论文基于h a r t 协议智能压力变送嚣的研究和开发 a b s t r a c t t h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g i e sh a v em a d ei n s t r u m e n t s ，s u c ha s s e n s o r sa n dt r a n s m i t t e r s ，d e v e l o pi nh i g h e rp r e c i s i o na n dr e l i a b i l i t y ，a n da l s oi na u t o m a t i o n ， m u l t i - f u n c t i o na n di n t e l l i g e n c e t h ef i e l d b u si sat e c h n i q u e ，w h i c hc o u l dt a k eag r e a tr o l ea n d t h e r e f o r ear a p i dd e v e l o p m e n ti nt h er e v o l u t i o no fi n d u s t r i a lm e a s u r e m e n t sa n da u t o m a t i c s y s t e m s s m a r tt r a n s m i t t e ri sat y p i c a li n t e l l i g e n ti n s t r u m e n ti nw h i c hi n t e g r a t e dw i t ht h e s e n s o ra n dt h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m c o m p a r e dt og e n e r a lt h ec o n v e n t i o n a l a n a l o g u e t r a n s m i t t e r , t h ei n t e l l i g e n tt r a n s m i t t e rh a sn o to n l yh i g h e rp r e c i s i o n ，b e t t e rr e l i a b i l i t ya n d s t a b i l i t y , b u ta l s ot h er e a l - t i m ec h a r a c t e r i s t i c sa n di n t e l l i g e n c e i tg a nb ew i d e l ya p p l i e di n s c i e n t i f i cm e a s u r e m e n t sa n di n d u s t r i a la u t o m a t i o n s ，a n ds oh a st h ep a r a m o u n ti m p o r t a n c ef o r r e s e a r c h i n ga n dd e v e l o p i n g f i e l d b u si sh o tt o p i ci na u t o m a t i cd e t e c t i o nf i e l dn o w a d a y s ，w h i c hi sa no p e n i n g ， d i g i t a la n dm u l t i d r o pc o m m u n i c a t i o nc o n t r o ln e t w o r ko fl o wl a y e r t h ed e v e l o p m e n to f f u l l - d i g i t a ls y s t e mi nf i e l d b u si sag e n e r a lt r e n d h o w e v e r , 4 - 2 0 m aa n a l o gs i g n a li n s t r u m e n t s a l s oh a v eal a r g ea p p l i c a t i o ni ni n d u s t r y , t h eh a r tc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l - - at r a n s i t i o n a l p r o t o c o ld u r i n gt r a n s i t i o nf r o ma n a l o gs y s t e mt od i g i t a ls y s t e m - - e m e r g e sa st h et i m e sr e q u i r e b a s e do nb e l l2 0 2c o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d s ，h a r tp r o t o c o l st r a n s f e rd a t aw i t hd i f f e r e n t f r e q u e n c ys i g n a l sa n dp l u sw i t h4 - 2 0 m ao f a n a l o gs i g n a l s b e i n gb a s e du p o nh a r tp r o t o c o l ，t h i sp a p e rc o m b i n e st h em c ua n ds e n s o rt oa l l i n t e l l i g e n tt r a n s m i t t e r f i r s t l y , t h ed e t a i l e dt h eh a r d w a r ea n a l y s i sa n dd e s i g n sa r ei n t r o d u c e d ， i n c l u d i n gt h es i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e r , t h es e n s o rm o d u l e ，t h ec o m m u n i c a t i o n sm o d u l ea n d a d 、d am o d u l e ；t h e n ，t h es t r u c t u r e so ft h es o f t w a r ea r ea n a l y z e da n dd e s i g n e d f u r t h e r m o r e ，t h ed a t af u s i o ni sp r o p o s e dt om i t i g a t et h ec r o s s t a l k sb e t w e e nd i f f e r e n tm e a s u r e d p a r a m e t e r s ；a f t e rt h a t ，t h es y s t e m a t i cp r o g r a ma p p r o a c h e sf o rt h ef i e l dc o m m u n i c a t i o na n dt h e s p e c i f i c a t i o nd e s i g na r ed i s c u s s e d f i n a l l y , t h ep r o b l e m sa n de x p e r i e n c e sm e ti nd e v e l o p i n gt h es o f t w a r ea n dh a r d w a r eo f t h es y s t e ma r es u m m a r i z e di nt h el a s tp a r to f t h ep a p e r k e y w o r d s ：t h es i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e r , t h ei n t e l l i g e n tt r a n s m i t t e r , h a r tp r o t o c o l ， d a t af u s i o n i i 酵7 6 3 7 8 8 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：年月 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名年月 日 南京理工大学硕士学位论文 基于h a r t 协议智能压力变送器的研究和开发 l 绪论 1 1 智能变送器的发展历程及其现状 随着微电子技术的不断发展，微处理器芯片的集成度越来越高，可以在一块芯片上 同时集成c p u 、存储器、定时器计数器、并行串行接口等，人们把这种大规模集成电 路芯片称作“单片微控制器”，简称单片机”1 。以单片机为主体取代传统仪器仪表的常规 电子线路，将计算机技术与测量控制技术结合，组成新一代的“智能仪器”，这种新型的 智能仪器在测量过程自动化，测量结果的数据处理以及功能的多样化方面都取得了很大 的进展，自从应用于生产现场以来，使自动控制领域发生了巨大的变革。 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， 智能变送器的测量精度高，补偿性能好，便于调校，功能强大可靠，特别是智能变送器 的通信能力，为自动控制系统提供了坚实的基础。正是基于这些优势，它被广泛的应用 于工业生产和科学研究中，是获取、处理、传送各种信息的有效工具。尤其是现代大规 模工业生产，几乎全都依靠各种控制仪表或计算机实现自动控制，为保证自动控制系统 的正常运行，必须随时随地把生产过程的变量提供给仪表或计算机进行处理。 1 9 8 3 年美国霍尼维尔( h o n e y w e l l ) 公司生产出世界上第一台智能化现场测量仪 表一一智能( s m a r t ) 型差压变送器，标志着对传统现场仪表的一次深刻变革，并为工业 自动化仪表及其系统应用向更高层次的发展奠定了基础。在短短的二十年间，世界各大 公司都推出了各有特色的智能变送器，如r o s e m o u n t 的1 1 5 1 s m a r t ，m o o r e 产品公司的 m y c r ox t c l e ee e n g i n e e r i n g 公司的s m a rl d 3 0 1 等产品。由于借助成熟的传感技术，计 算机技术及数字通信技术，智能变送器的技术指标、电气性能远高于普通变送器，特别 是它具有实现现场与控制室的数字通讯功能，可直接与d c s 进行通信，省去a d 至d a 转 换环节，避免了数模转换误差，传送简便，节约了通信成本。 时至今日，智能变送器的发展更趋完善，功能增强，如变送器内装p i d 控制器，隐含 各种报警功能等。美国m o o r e 产品公司的坶c r ox t c 及l e ee n g i n e e r i n g 公司的s m a rl d 3 0 1 等智能变送器，它们具有变送、控制、故障诊断及过程报警等功能，直接取代了部分d c s 的功能，为d c s 完成更复杂的过程控制，优化控制减轻了负担，并把d c s 的集中控制的危 险性进一步降低。 南京理工大学硕士学位论文基于h a r t 协议智能压力变送器的研究和开发 1 2 现场总线技术简介 在智能变送器的通信协议中，广泛采用的是h a r t ( h i g h w a ya d d r e s s e a b l er e m o t e t r a n s d u c s e rp r o t o c o l ，可寻址远程传感器数据传送) 通信协议，该协议具有模拟和数 字通信能力，即在模拟输出电流d c 4 2 0 m a 信号上叠加了一个频率信号，使模拟和数字通 信双向通信能同时进行，且互不干扰，是现场总线的过渡性通信协议。第二章将对此协 议进行详细和深入的介绍。 现场总线技术是全球工业自动检测技术的热点问题之。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，这促进了现场总线技术的形成”1 。通 过现场总线，数字通信技术可以延伸到现场级仪表或设备，给控制系统体系结构带来了 一场革命。根据国际电工委员会i e c ( i n t e r n a t i o n a le 1 e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s o n ) 标准和现场总线基金会f f ( f i e l d b u sf o u d a t i o n ) 的定义：现场总线是连接智能现场设 备和自动系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。它是计算机技术、通信技 术和控制技术高度综合与集成的产物，是现场总线控制系统f c s ( f i e l d b u sc o n t r o l s y s t e m ) 的核心。由此看来，现场总线不单是一种通信技术，也不仅是用数字仪器仪表 代替模拟仪器仪表，关键是用新一代的现场总线控制系统f c s 代替传统的集散控制系统 d c s ，实现现场通信网络与控制系统的集成。 现场总线以一种串行，数字数据通信链路的形式，在分布于生产及现场的基础控制 设备之间以及与控制室里较高层的自动化控制设备之间建立联系。引入现场总线及相关 技术，改变了d c s 系统的结构体系，新的控制系统被称作现场总线控制系统。现场总线控 制系统是全分散式的和开放式的系统。现场总线的节点是具有综合功能的智能现场设备 或现场仪器仪表，如传感器、变送器、执行器和编程器等，总线技术的发展现场总线技 术的发展促进了智能仪表的进步，将自诊断和某些控制功能转移到现场仪表中，从而简 化了控制系统的结构，并提高了系统的可靠性、实时性。 当前，现场总线及由此产生的现场总线智能仪器仪表和控制系统已成为全世界范围 自动化技术发展的热点，这一涉及整个自动化和仪表工业“革命”和产品全面换代的新 技术在国际上已引起人们广泛的关注。随着国际现场总线标准的实施，现场总线技术的 成熟以及现场控制系统的推出，它将对我国仪器仪表和自动控制领域产生巨大的影响。 然而，随着仪器仪表智能化的提高，传输的数据也必将趋于复杂，现场总线标准的通信 速率比较低，将不能满足需求，在未来的几年里，信息量预计还会增加1 0 3 0 倍。而以 太网凭借其廉价、高速、方便的特性获得了更多的青睐，尤其是它在局域网和i n t e r n e t 南京理工大学硕士学位论文基于h a r t 协议智能压力变送器的研究和开发 上取得的成功，工业层网络的现场总线协议数目众多，不同协议的兼容问题也一直困扰 藿工业界。在底层网络引入以太网，不仅可以方便的集成，而且还能降低不同厂家设备 的集成成本，再加之交换技术的快速发展，产生了交换式以太网，从而彻底消除了以太 网应用于控制领域的障碍，所以，现场总线技术引入以太网技术是其发展的必然趋势。 1 3 本文研究的主要内容 本文的内容主要围绕智能压力变送器系统的硬件和软件的设计与实现两个方面进 行，硬件方面的主要工作包括：整个系统方案的确定，各个模块之间的连接和核心芯片的 选取，对系统进行了可行性分析和实现，包括系统电源供电、功耗和抗干扰等问题的解 决：软件设计主要包括：设计整个软件体系结构，编写h a r t 通信协议、输入输出通道和 数据融合处理等关键程序，并就通信和数据处理等相关实际问题进行了分析。论文总体上 分为五章，基本安排如下： 第一章绪论，综述了智能型变送器的发展，着重介绍了现场总线技术的形成及其特 点。 第二章详细了介绍了h a r t 协议的开发形成，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。 第三章研究了智能压力变送器的硬件原理：介绍主要器件的原理和整个系统的功耗、 供电、抗干扰等以及制作p c b 时应该注意的事项。 第四章是整个体系的软件系统框图：各个模块与单片机之间的通信编程思想，以及 完成的功能：同时分析用软硬件结合的方式提高整个系统的性能。 第五章简要的叙述了智能变送器与p c 机的通信，通过r s - 2 3 2 ，用v b 进行可视化通 信的编程，以及如何进行现场调试。 最后是对全文的总结，包括在研制整个系统的过程中的一些经验，提出了几点改进 的想法。 南京理工大学硕士学位论文基于h a r t 协议智能压力变送器的研究和开发 2h a r t 通信协议及其应用 2 1h a r t 协议概述 关于h a r t 协议已经在1 。2 节提到过，本文研究的就是基于h a r t 协议的智能变送 器，因此有必要进一步对其进行说明和介绍。 很多年以来，4 2 0 m a 信号一直成为现场仪表信号传输的标准，在自动化设备之间 信息通信受到了极大的限制，仅能得到与过程变量成正比的电流信号。1 9 8 9 年r o s e r n e n t 首先制定了h a r t 高速可寻址远程传感器协议，引起了现场仪表通信标准的技术革命， 在工业过程中作为现场智能仪表数字通信标准广为应用。 2 0 m 桓 拟 信 时间 图2 1 1h a r t 协议信号 h a r t 协议采用b e l l2 0 2 标准的f s k ( 频移键控) 信号，在4 2 0 m a 过程测量模拟信 号叠加一个幅度为o 5 m a 的正弦调制波，它成功地使模拟信号与数字双向通信能够同时 进行，互不干扰，属于模拟系统向数字系统转变过程中的过渡性产品，因而，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”】。h a r t 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h a r t 协议的日益需求，在1 9 9 3 年成立h a r t 通讯基金会，它 是一个独立的、非盈利机构。主要职责是制定、维护及升级h a r t 协议的标准，登记注 册会员、提供对应用h a r t 技术在全球范围内的技术支持和培训。作为一个开放性协议， h a r t 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1 0 0 多家公司采纳了这协议，其中有许多著名的公司，如r o s e m e n t 、f o x b o r o 、 4 南京理工大学硕士学位论文基于h a r t 协议智能压力变送器的研究和开发 s m a r 、a b b 、m o o r e 、h o n e y w e l l 等等，共生产了近6 0 0 种h a r t 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。 2 2h a r t 协议模型 h a r t 协议遵循i s o 制定的o s i 开放式系统互连参考模型，采用了o s l 模型的第一 层、第二层和第七层，即物理层、数据链路层和应用层。h a r t 通讯协议模型如表2 2 1 所示。 表2 2 1h a r t 协议层次 层次数 0 s i 层次 h a r t 层次 第七层应用层 h a r t 命令层 第六层表示层未使用 第五层会话层未使用 第四层传输层未使用 第三层 网络层未使用 第二层数据链路层h a r t 协议规则 第一层物理层b e l l 2 0 2f s k 2 2 1 物理层技术规范 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。h a r t 信号传输 是基于b e l l2 0 2 通信标准，采用f s k 方法，数字信号的传送波特率设定为1 2 0 0 b p s ，数 字信号的0 和l 分别用1 2 0 0 h z 和2 2 0 0 h z 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f 4 】【”。 由于正弦信号的平均值为0 ，对模拟信号不会产生任何影响。通常采用双绞同轴电 缆作为传输介质，单台距离可达3 0 0 0 m ，而多台互连最大传输距离可达1 5 0 0 m 。 南京理工大学硕士学位论文基于h a r t 协议智能压力变送器的研究和开发 2 2 2 数据链路层协议规范 数据链路层协议规范的目的是建立一种与现场仪表等从设备间的可靠的双向数字通 信通道。协议采用自动重复请求发送机制( a r q ) 可以对通信中由于线路噪音或其它干 扰引起的数据通讯出错进行修正。 h a r t 协议把所有的设备分为3 类：从设备、突发设备和主设备。从设备是最普遍 与最基本的设备类型，它接收和提供带有测量值或其他数据的数字信号，现场智能仪表 一般为从设备。突发模式设备在固定的时间间隔发出带有测量值或其它数据的数字信号 响应，而不包含被特别请求的数据，该设备通常是作为一个独立广播的设备。主设备负 责初始化、控制和终止与从设备或突发设备的交互m ) 。主设备又分为第一主设备和第二 主设备，第一主设备通常是指控制系统，第二级主设备指h a r t 设备的手持器。 h a r t 协议还可以在一根双绞线上以全数字的方式通信。一个链路上可支持1 5 个短 地址从设备，若使用长地址，设备数可不受限制，它只取决于所要求的通信链路上的查 询速率。 链路层上的设备间的信息是以帧的形式实现的，帧是用户数据和地址信息的封装。 链路层规定了h a r t 帧的格式，实现建立、维护、终结链路通讯功能，实现了通讯数据 无差错传送【”。 2 2 2 1h a r t 帧 h a r t 协议规定了数据通讯按帧传送的格式，h a r t 帧由链路同步信息、寻址信息、用 户数据以及校验和组成，h a r t 帧又被分为请求帧、应答帧和阵发帧，请求帧和应答帧的 主要差别在于应答帧包含了数据通讯状态和变送器的工作状态。二者的格式见2 2 2 。 表2 2 2h a r t 请求帧应答帧格式 l 链路同步码定界符 地址命令号字节长度数据字节校验和 i 链路同步码定界符 地址命令号字节长度相应码数据字节校验和 链路同步码：h a t t 协议采用5 - - 2 0 个十六进制的“f f ”字节作为接收设备的同步信息， 主设备或控制系统可通过链路层管理命令设定同步字节个数来保证信息的同步。 定界符：表示h a r t 帧的开始。定义了帧的类型及寻址格式。根据定界符的低3 位b 2 b t b o 。 可以把h a r t 帧分为请求帧、应答帧和阵发帧。根据定界符的最高位玩可以把h a r t 帧寻址 6 南京理工大学硬士学位论文基于h a r t 协议智能压力变送器的研究和开发 信息分为长帧格式和短帧格式，如表2 2 1 所示。一般设备进行通讯接收n 2 个f f 字节后 就将侦听起始位。 帧类型长帧6 1 = l短帧良= 0 阵发帧 o x 8 io ，l 请求帧 o ；8 2o ，2 应答帧 o ，8 6o x 6 图2 2 1 定界符 地址：包含主机地址和从机地址。短格式地址长度为1 个字节，低4 位b 3b 2 b b o 。表示 从设备的地址号，h a r t 协议规定了地址号的范围为0 1 5 位，在总线上最多只能挂1 5 台变 送器。长格式地址长度为5 个字节，由第一字节的低6 位及其后连续4 个字节共3 8 位构成， 由仪表唯一标识码的低3 8 位表示，由6 位仪表制造厂商标识代号，8 位仪表类型代码及2 4 位仪表序列号组成。使用长格式地址寻址，原理上在总线上所挂变送器的数量可以不受 限制，可根据通讯扫描频率、通讯介质、功耗等决定在总线上所挂变送器的数量。如果 长格式的低3 8 位都是0 ，表示是广播地址，即消息发送给所有设备。 地址第一字节的最高位如表示主设备地址位，以= 1 时表示第一主设备；岛= o 时表示 第二主设备，如：手持器。第一字节的以位表示现场仪表的阵发允位，b 6 = l 时表示现场仪 表允许阵发；b ；= 0 时场仪表不允许阵发，h a t t 协议规定在总线上只允许一台变送器以阵 发方式通讯。 命令号：表示现场仪表所要执行的功能，命令号的有效范围为0 2 5 5 。用h e x 的0 f d 表示。 字节长度：表示后续数据的长度，表示h a r t 帧的结束位置。接受设备可以用它鉴别 出校验字节，也可以知道消息的结束。 响应码：顾名思义，它只存在于从机响应主机消息的时候，用两个字节的表示，第 1 字节表示数据通讯状态及现场仪表命令执行结果，当玩= 1 时，数据通讯出错，后续位代 表了错误类型，如：奇偶校验错，水平校验和错，数据帧错等；当乱= 0 时，表示现场仪 表命令执行结果状态，如：命令未执行，命令执行出错，命令执行警告。第2 字节表示现 场仪表的工作状态，如：变量超限、模拟输出饱和、仪表误操作等，保证了现场仪表数据 的可靠性及仪表工作的安全性。 数据字节：表示与命令相关的数据。数据的形式可以是无符号的整型，浮点型或a s c i i 字符串，具体数据个数根据不同的命令而定。 南京理工大学硕士学位论文基于h a r t 协议智能压力变送器的研究和开发 校验和：表示从定界符开始对所有字节进行异或操作运算，确保通讯数据无差错传 送1 7 。 通常情况下，在“应答模式”下每秒可以通讯2 次，在“突发模式”下，每秒可以传 送3 条信息。 2 2 2 2h a r t 帧编码 h a r t 帧以8 位为一字节进行编码，对每一字节加上起始位，奇偶校验位及l 位停止位 共i 1 位传送，保证了对每个字节进行数据传输同步。 编码格式有很多，在此我们采用的是曼彻斯特( m a n c h e s t e r ) 编码，又称为双向编码， 这是一种超越传统数字传输极限的编码解码方法。常规传输的主要缺陷是接收端没有时 钟，无法识别收到数据位的开始与结束以及位的宽度等。而曼彻斯特编码解决了这个问 题，它将普通n r z - 二进制数据与其位率时钟相异或【8 1 。见图2 2 2 ( c ) 所示的波形。 ( a ! ! r t ! 陌据 ( b ) ( c ) 厂 厂 厂 厂 厂 陌 一二几r 1r9 ! 熊 嫡码 2 2 2 3 数据链路层服务 图2 2 2 曼彻斯特编码 h a r t 协议采用类似“令牌”方式访问通讯链路，它不是在通讯链路上循环转发令牌， 只有得到令牌的站点可以访问链路，而是采用设定定时器时间常数保证所挂设备能够访 问链路。 通常h a r t 协议按主从方式通讯，通讯由主设备发起，从设备先“听”后“答”，第 一主设备和第二主设备以相同的优先权轮流访问通讯链路，但设定了不同的定时时间常 数以防止“死锁”，避免两个主设备同时访问链路。当某一主设备通讯结束后，需要首 先侦听载波，等待一段时间以确保另一主设备能够访问通讯链路，若链路上有载波存在， 该主设备放弃使用链路；若定时时间溢出，该主设备可以继续访问通讯链路。当通讯链 南京理工大学硕士学位论文基于h a r t 协议智能压力变送器的研究和开发 路上存在阵发设备时，一主设备只有阵发设备阵发给另一主设备通讯结束之后，方可访 问通讯链路。h a r t 协议把阵发功能作为现场仪表的一种可选功能。 2 2 3 应用层协议规范 h a r t 协议的应用层以命令的格式提供编程接口，所有的读写操作都是以命令的形式 完成。另外，链路管理等协议本身一些功能也由命令来实现。 h a r t 协议的每个命令由命令号完全标识。在通信时，一条命令按命令格式组装成一 个完整的h a r t 协议帧。然后一次发送出去。数据链路层规定了h a r t 帧的格式，但是数据 链路层并不解释h a r t 帧中的数据段的含义，这个工作由h a r t 协议的应用层来完成。应用 层执行主设备所请求的命令，h a r t 协议把命令分为通用命令、常用命令及专用命令，通 用命令表示符合h a r t 协议的现场仪表所必须执行的功能，在一定程度上保证了现场仪表 的互操作性，它的范围是o 3 0 ，如表2 2 3 所示：常用命令表示大多数现场仪表所执行的 功能，如图2 2 4 ：专用命令表示现场仪表所实现的特殊功能，如：传感器特征化、p 1 d 运 算实现就地控制。它的范围是从1 2 8 2 5 3 ，早先的设备专用命令常常将设备型号码作为 数据中的第一个字节，以保证命令传输给正确的设备，在h a r t 5 0 版本之后，由于唯一 标识码的使用就省掉了这个步骤，用户若要使用不同设备的专用命令时可以参照厂家提 供的设备文档9 】。 表2 2 3 通用命令 命令功能 o ，l i设备识别( 厂商，设备类型，版本) l ，2 ，3读测量值 b置随选地址 1 2 ，1 3 ，1 7 ，1 8 读、写用户输入文本信息 1 4 ，1 5 读设备信息( 传感序列号、报警操作，范围) 1 6 1 9 读写最终装配号 南京理工大学硕士学位论文基于h a r t 协议智能压力变送器的研究和开发 表2 2 4 常用命令 命令功能 3 3 6 1 ，1 1 0 读测量值 3 4 3 7 ，4 4 ，4 7 设置操作变量 3 8 复位“结构变化”标志 3 9e p r o m 控制 4 0 4 2对话功能 4 3 ，4 5 ，4 6 模拟输入，输出整流 4 8 读附设备的状态 4 9写传感器序列号 5 0 5 6 用传输变量 5 7 ，5 8 单元信息 5 9 写所需导言号 6 0 ，6 2 7 0 使用复合模拟输出 1 0 7 1 0 9 突发模式控制 按功能又可把命令分为现场仪表管理命令，仪表变量相关信息读写命令，操作方法 相关命令。 1 、现场仪表管理命令 获取现场仪表的管理信息，如：读取仪表的制造厂商及设备型号，仪表的硬件、软件 版本号，工位号，装配号，描述符( 如说明仪表的安装位置) ，日期( 如校验、安装维护时 间) ，仪表的轮询地址等。 2 、仪表变量相关信息读写命令 按设定单位返回仪表检测过程变量，输出电流及百分数，对于多传感器变送器，执 行一次通讯，主设备可以获取至多4 个变量数值：读取传感器信息如：传感器序列号，单位 代码和极限值：读取变量信息如：变量单位、变量运算函数代码、量程范围和阻尼值，可 以设定或校正变送器零点和量程，设定变量的阻尼时间常数及运算方式如：线性运算、平 方运算、开方运算、按特定曲线进行运算处理等。 3 、操作方法相关命令 设定模拟电流固定输出进行回路测试，对模拟电流输出零点和增益微调，仪表白诊 断、自校正等。 o 南京理工大学硕士学位论文基于h a r t 协议智能压力变送器的研究和开发 2 2 4 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息送往数据链路层，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h a r t 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( 即曼彻斯特编码) ，再经过发送驱动器，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、何时访问。 2 2 5h a r t 仪表 h a r t 协议仪表是一种新型的数字、模拟相结合的智能仪表，其智能功能可实现仪表 远程参数设定，数字功能可实现仪表联用。并为用户提供现场仪表丰富的自动化管理信息 是目前十分受用户欢迎的新型现场仪表i l 。 数字通信方式使现场仪表值得保留附加信息，在需要的时候读出。附加信息可以是 与过程量有关的信息( 如工位号) ，或对测量的描述以及仪表的量程和单位；也可以是 反映现场仪表本身状态的信息，进而这些信息可以包括与维护有关的活动记录( 如最近 一次标定的日期) 。运用来自仪表本身的最新消息，使构成仪表自动化管理系统成为可 能；以数字通信方式读测量值，使一台仪表( 工作在多传感器模式下) 可以提供一种以上 的测量值( 如一台质量流量变送器，可将质量流速、过程温度、密度和总质量流量的测量 值反映到一条报文中) ，由此可见，在一定温度范围内，仪表品种单一的趋势将成为可能。 对于部分h a r t 现场仪表，p i d 控制功能被嵌入变送器，变送器的输出直接送到执行器 ( 不经过控制器和调节器) ，在现场形成闭环控制，真正实现了分散控制。在检测的同时， 可以检查现场仪表的运行状态，完成故障诊断，从而简化了仪表维护作业，提高安全性 可以使用请求应答或猝发通信方式。多数情况下，使用请求应答通信方式：对要求过 程数据更新速率较快的应用中可使用猝发通信方式。 南京理工大学硕士学位论文基于h a r t 协议智能压力变送器的研究和开发 3 智能压力交送器的硬件设计 3 1 系统整体设计方案 智能变送器种类繁多，所涉及的领域十分广阔，既有物质微观结构又有材料宏观特 性，既有特殊工艺又有电路技巧，而且技术更新也层出不穷，结构设计各有千秋，本章 着重介绍智能型压力变送器核心部分的基本原理。为了实现智能变送器的基本功能，如 线性化处理、温度压力补偿、量程调整和数字通信等，a d 、单片机、d a 和通信芯片 是必须的。下图是h a r t 协议压力变送器的原理框图，框图中注明了所选的单片机和主 要芯片。传感器模拟量信号经a d 转换成数字量后送入单片机，单片机将处理后的数字 量通过d a 转换器，经v i 转换电路输出4 2 0 m a 的标准电流信号。 图3 1 系统框图 智能型压力变送器仍然是以传统仪表的硬件电路为基础的，例如抗干扰电路、传感 器电路等，而它的优势所在就是引入了微处理器，这样就可以通过软件编程来实现和优 化传感器的许多功能，本实验选取的单片机是一款p h i l i p s 新推出的l p c 9 3 2 ，它的低功 耗特性、运行速度快、片内r a m 、片内e 2 p r o m 等一些新增的功能，大大减少了元件 的数目，简化了硬件结构】。在硬件设计的过程中，大部分芯片的连接都是围绕着单片 机l p c 9 3 2 进行的。设计时，为了方便p c b 板的制作和简化电路，尽可能的采用直接连 线的方式，又因为数字信号容易受到外部信号的干扰而产生波动，且出现逻辑混乱，我 们也尽量采用节省口线的连接方式，在随后的章节中将进行介绍。 作为硬件电路的总体设计，要考虑到整个电路的功耗要求、供电方式以及抗干扰措 施f s 】。为兼容4 2 0 m a 标准电流信号，h a r t 协议智能变送器必须可工作在4 2 0 m a 两线回路中，这就意味着可用来为变送器供电的电流不能超过4 m a 。在实际应用中，为 兼容数字和模拟两种信号，通常将数据频率信号通过v i 转换电路的调整，转换为幅度 为5 m a 的频率信号，叠加在两线制的4 2 0 m a 电流环上，但环路上电流瞬时最大值i = 4 5 m a ，最小值i = 3 5 m a ，如果向变送器供电过多，超过3 5 m a ，将导致数字信号负 南京理工大学硕士学位论文基于h a r t 协议智能压力变送器的研究和开发 半周失真，再考虑到调节量所需的余量，在此要求给变送器的供电电流不超过3 4 m a 。 在供电方面，主要有两种方式，一种是直接将输入电压稳压成所需电压5 v 后向系统供 电，这种方法总电流必须控制在4 m a 以内，另一种采用d c d c 供电方式，只要d c d c 变换器的效率足够高，在功耗控制上它比第一种方式要宽松得多，但同时又要考虑变换 器的线性稳定性因素可能带来的负面影响。由于目前微功耗、高性能比的集成电路出现， 采用方法一的优越性更多，因为在供电方式上，两种方法都有需要考虑对供电电压的适 应问题。一般工业现场多为d c 2 4 v ，也有d c 3 6 v 供电的。通常要求变送器能在d c l 2 v 4 2 v 供电电压下稳定、可靠的工作，这一方面直接供电方式要比d c d c 变换方式灵活 得多 2 1 。本课题设计时尽可能采用同一电压源供电，但由于v i 转换电路一般要求较高 的电压，所以给v i 转换电路提供+ 2 4 v 电压，其余电路都是+ 5 v 电源供电，这样极大限 度地抑止了电源干扰的影响，而且由于整个硬件电路设计中包含有模拟电路和数字电路 两部分，单片机只处理数字信号，而传感器测量输出的信号是模拟信号，为了防止数字 和模拟信号的相互影响，采用了隔离技术，将传感器和单片机系统模块分开，对于系统 中存在的其他模拟和数字电路，则采用部分隔离技术，尽可能使模拟电路和数字电路相 隔较远，而且线路互不交叉和覆盖，同时，在接地方面，我们采取数字电路接数字地， 模拟电路接模拟地，最终通过一点把数字地和模拟地连接起来。 总之，硬件电路要力求简化，单片机l p c 9 3 2 的兼容性和新增功能都很强大，在选 择其他各芯片时，要注意到芯片间的匹配问题，否则将导致连接电路过于复杂，这是不 可取的，而且这也会使成本上升和干扰信号增多，且功耗变高。下面我们将具体介绍各 个芯片的特征和功能，以期它们与硬件电路总体设计思想相吻合。 3 2 传感器模块 信息处理技术取得的进展以及微处理器和计算机技术的高速发展，都需要在传感器 的开发方面有相应的进展。微处理器现在已经在测量和控制系统中得到了广泛的应用。 随着这些系统能力的增强，作为信息采集系统的前端单元，传感器的作用越来越重要。 传感器已成为自动化技术中的关键部件，作为系统中的一个结构组成，其重要性变得越 来越明显。 最广义地来说，传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。 国际电工委员会f i e c ：i n t e m a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i t t e e ) 的定义为：“传感器是测量 系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号”。按照g o p e l 的说法是： 13 南京理工大学硕士学位论文 基于h a r t 协议智能压力变送器的研究和开发 “传感器是包括承载体和电路连接的敏感元件”，而“传感器系统则是组合有某种信息处 理( 模拟或数字) 能力的传感器”。传感器是传感器系统的一个组成部分，它是被测量信号 输入的第道关口。进入传感器的信号幅度通常是很小的，而且混杂有干扰信号和噪声。 为了方便随后的处理过程，首先要将信号整形成具有最佳特性的波形，有时还需要将信 号线性化。本设计的传感器均采用半导体压阻传感器，为提高满量程输出，减少零点漂 移和提高线性度，通常把力敏电阻( 即感压电阻) 连成惠斯登电桥，每个桥臂电阻都比 较大，一般为2 k 。电桥一般采用恒压源或恒流源方式供电，鉴于两种方式的优劣我们采 用的是恒流源供电，这种方式的优点是电桥的输出与桥臂电阻无关，同时采用的又是双 电源供电，所以可以进一步较小传感器的非线性和温度对传感器输出灵敏废的影响 1 2 1 。 压阻传感器用在硅半导体材料上制成的压敏感电阻作为敏感元件，在压力作用下使 做成桥路的半导体电阻因压阻效应而输出电量，由此测出压力的变化。这种传感器受温 度影响较大，需要另设温度补偿电路，但适应于大量生产。压阻式传感器一般采用半导 体膜盒结构封装，由于固态压力传感器( 压阻电桥式) 性能的提高和微处理技术的发展， 压力传感器的应用愈来愈广。近年来，已经研制出了体积小、温度范围宽、可靠性好、 精度高的压力传感器，同时，其应用范围也不断地拓宽。 图3 2 传感器和a d 7 7 1 4 的连接 本实验采用差压传感器t r s l 和静压传感器t r s 2 ，具体的电路连接可参照图3 2 ， m d 转换器a d 7 7 1 4 的两个全差分通道a i n i 、a i n 2 和a i n 3 、a i n 4 分别对差压、静压 进行模