（电路与系统专业论文）基于hart协议智能压力变送器的研究.pdf

中文摘要 摘要 随着自动化技术的发展和微电子技术的进步，以及现场总线技术的日益成熟， 自动检测技术在生产过程中的应用越来越广泛，对现场信号的采集、传输和数据 处理提出更高的要求，这就要求现场智能仪表要具有相当高的稳定性、可靠性和 检测精度。而h a r t 总线技术成功的将数字通信信号叠加到现有的现场控制系统 上，对改进智能仪表间的通信和处理现场仪表系统的非线性化、温度漂移提供了 无风险的解决方案。因此，研究和开发符合h a r t 协议的智能仪表具有十分重要 的意义。 总线技术向全数字化发展已成为必然趋势，但由于传统的基于4 2 0 n 认模拟 信号的模拟设备依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 协议应运而生了。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。 本文主要研究了智能仪表在符合h a r t 通信协议下进行模拟信号与数字信号 的实时传输，研究和设计了单片机系统和传感器系统，并将其结合为智能型压力 变送器系统。论文在介绍了h 触h 协议的基础上，较为详尽的介绍了压力变送器 系统的各个硬件模块( 微处理器模块、传感器模块、通信模块、a d 及d a 模块) 及其设计；为了同时解决传感器输出特性的非线性和温度漂移，文中提出了以压 力传感器输出值和温度传感器输出值为变量，利用二元多项式重构传感器输出压 力信号，再利用最小二乘法进行曲面拟合获得补偿系数，使得系统在获得压力传 感器和温度传感器的输出信号后能简便地计算出被测压力值，很好地做到了非线 性补偿和温度漂移的校正，极大的提高了系统的测量精度；最后对系统的软件结 构进行了分析和介绍。 关键词：智能压力变送器；传感器；现场总线；滤波 英文摘要 7 r h ei n t e l l i g e n tp r e s s u r et r a l l s m t t e r sr e s e a r c h b a s e do nt h eh a r tp r o t o c o l a b s t “l c t w i m l ed e v e l o p m e n to fa u t o m a t i o n 觚dt h ep r o 笋船so fm em i c r o e l e c t r o l l i c s t 。c b n 0 1 0 9 y a n dt l l em a _ t l l r i t yo ff i e l db u s ，a u t o m a t i cm 翩s u 血gt e c _ h n o l o g yi sw i d e l y u s e di i lp r o d u c t i o np r o c e s s ，c o l l c c t i o n ，胁锄i s s i o n 觚di i a t ap r o c 部s i n go f6 e l d s i 朗a 1s h o u l dm e c tk g l l e rr e q u i r e m 锄t s i i lt h i sc a l s e ，f i e l di n t e l l i g 锄ti 邶m l m e i l t ss h o u l d h a v eh i g h e fs t a b i l i t y ，r e l i a b i l i t ) r 锄dm e a s u r i n gp r e c i s i o n a tt h es 锄et i m e ，h a r tf i e l d b u st e c l l i l o l o g ys u p 舒m p o s e sm ed i 酉t a ls i 印a lt 0t l l e p r e s e n tf i e l dc o n 仃o ls y s t 锄 s u c c e s s 如l l y ，w h i c hp r o v i d e sar i s h 锱ss o l u t i o nt oi m p r o v e l ec o m m u i l i c a t i o n s 锄o n g i n t e l l i g e i l ti n s 饥i m e i l t sa i l dd e a lw i m l en o n l i n e 撕t yo f 矗e l di i l s 衄l i i l e i l ts y s t 锄觚d t e m p e r a n j r e e x c u r s i o n s o i ti s m e a l l i n g f h l t 0 s t u d ya n dd c v e l o pt h ei n t e l l i g e l l t i l l s 觚u n e n t sb a s e do nh a r t p m t o c 0 1 t h e d e v e l o p m e l l to f 如1 1 - d i 舀t a ls y s t e m i i lf i e l db u si sa g e n e r a l 仃e n d h o ，e v 2 心o l l 认 a l l a l o gs i 印a li n s 衄l l i l e i l t sa l s 0 h a v ea l a r g ea p p l i c a t i o n i n i i l d l j s n y ，t 量l eh a r t c o n u n u n i c a t i o l l sp r o t o c o lb a s e do na i l a l o ga i l dd i 舀t a l at r a d i t i o n a l p r o t 0 c o ld u r i n gm et 啪s m i s s i o n 自o m 觚a l o gs y s t 锄t 0 如l l 司i 菩t a ls y s t e m 锄e r g 鼯鹤 t h et i m e sr e q u i r e b a s e do nb e l l 2 0 2 u i l i c 撕o i l ss t a n d a r d ，m eh a r tp r o t o c o l t r a i l s f e r sd i 百t a ls i 印a lw i t hd i 肫嘲t 舶q u e n c ys i 印a lo n4 2 0 i i l aa n a l o gs i 印a 1 t h i sp a p e r m a i n l ys t u d i e st l l ei n t e l l i g e n ti n s t r u m e n tc 硎e s l et i m e l yt r a n s m i s s i o n o f l ea l l a l o ga n dd i 酉t a ls i 盟a lb a u s e do nh 灿汀c o m m u n i c a t i o n sp r o t o c 0 1 ，a 1 1 da l s o d c s i 印st h em c us y s t e m 觚ds e l l s o rs y s t e m t h ep a p e rc o m b i n e st h em c ua i l dt h e s e n s o ri n t oa ni n t e l l i g e n tp r c s s u r e 把a 1 1 s m i t t e rs y s t e m a r e rt l l ei n t r o d u c t i o no fh a r t p r o t o c o l ，t l l i sp 印e ri n t r o d u c e st l l ed e s i g no fh a r d w a r em o d u l e so ft h ep r e s s u r e 仃a n s m i t t e rs y s t e mi nd e t a i l ，i n c l u d i n gt l l em i 啪p m c e s s o rm o d u l e ，t 1 1 es e n s o rm o d u l e ，t h e c o m m u m c a t i o l l sm o d u l e 甜l dt h ea ，d 、d am o d u l e t oo v e r c o m em eo u t p u t n o m i n e 撕t ) r 锄dt e l l l p e r a n l r e “ro fp r e s s u r es e n s o r ，t h ep a p e rp r o p o s e sm ep r e s s u r e s e i l s o ra i l dt 锄p e r a t l l r es e l l s o ro u t p u ta s 廿l ev 撕a b l et or e c o n s 仇政p r e s s u r es e i l s o ro u t p 英文摘要 u ts i 印a ll l s i n gb i v 撕a t ep o l y n o l i l i a l ，觚dt l l ec o e m c i e n t so fc u e ds u r i 沁ef b m u l a t i o n a r ed e c i d e db y l el e 鹊ts q u a r em e 吐l o d 1 1 1 e i lm es y s t 锄c 锄s i m p l yc o m p u t e l e m e a s l l r e dp r 髓s u r e0 l n p l u ta f t e ra c q u i r i n g l e0 u t p u ts i 髓a lo fp r e s 鲫r cs e i l s o r 勰d t 唧e r a t u r cs e l l s 0 r t h em e t l l o dn o to i l l yb c i l e f t st 锄p e r a t u r cc o r n p e i l s a t i o nb l i ta l s 0 h e l p sn o n - 1 i n e 雒r e c t i 研n g ，w t l i c h 伊e a t l yi m i r o v 懿l em e a s 瓶n gp r e c i s i o no ft l l e s y s t 锄f i l l a l l y t l l i sp 印e r 锄a l y s 铬a i l di n t r o d u c 伪m es 臼麒躺o f n l e 脚a r c 1 0 yw o r d s ： i n t e u i g e n tp r e s s u r et r a n s n l i t t e r ； s e n s o r ：f i e l db u s ；f 豇t e r 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博士硕士学位论文竺基王h 垒竖坯邀智能压左变鲎墨的硒究：。除论 文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经 公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：贯仁披瓣歹月缉日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法 ，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 柑僦娟再蓑玉一， 不保密1 日( 请在以上方框内打“”) 论文作者签名：赁名敏导师签名：讥i 谚雹 日期：础2 f 年了月三i ) f 1 基于h a r t 协议智能压力变送器的研究 第1 章绪论 1 1 课题来源 h a r t ( h i 曲w a y a d d r e s s a b l er 锄o t et r a n s d u c c r ) 协议一可寻址远程传感器高 速通道的开放通信协议，是美国r o 鲫删公司推出的一种用于现场智能仪表和 控制室设备之间的通信协议，是为工业过程测量和控制应用而设计的。h a r t 装 置是提供具有相对低的带宽、适度响应时间的通信设备，经过多年的发展，h a r t 技术在国内外已经十分成熟，并已成为全球智能仪表的工业标准。 h a r t 协议采用基于b e l l 2 0 2 标准的f s k 频移键控信号，在低频的4 2 0 m a 模拟信号上叠加幅度为0 5 r n a 的音频数字信号进行双向数字通讯，数据传输率为 1 2 0 0 b p s 。由于f s k 信号的平均值为0 ，不影响控制系统模拟信号的大小，保证了 与现有模拟系统的兼容性。在h a r t 协议通信中主要的变量和控制信息由4 2 0 m a 模拟信号传送，在需要情况下的测量、过程参数、设备组态、校准和诊断信 息则通过h a r t 协议访问。 1 2 智能仪器仪表的功能介绍 在测量、控制仪表中引入微处理器，不仅能解决传统中不能解决或不易解决 的问题，而且能简化电路、增加功能、提高精度和可靠性，降低成本以及加快新 产品的研发速度。由于这类产品已经实现人脑的部分功能，例如四则运算、逻辑 判断、命令识别等，有的还能进行自校正、自诊断，并且有自适应、自学习的能 力，因此人们习惯称它们为智能仪表i 。 将单片机、d s p 、嵌入式系统引入仪器仪表中，能解决多方面的问题，大体可 以实现以下的一些功能：自动校正零点、满量度和切换量程。多点快速检测。 自动修正各类测量误差。利用数字滤波抑制各种干扰。各种复杂运算数据 的处理，对测量数据进行整理和加工处理。各种控制运算实现不同控制系统的 要求。多种输出形式。与其他计算机进行数据通信。自诊断功能。掉电 保护功能使数据不致因发生意外而丢失。 第1 章绪论 1 3 智能变送器的发展里程及其现状 1 9 8 3 年，美国h o n e y w e l l 公司将第一个称为s m a r t 的压力变送器s t 卜3 0 0 0 d 推入了美国国内市场，使智能变送器【2 弓】进入了商品化。随后美国的r o s 伽1 0 u n t 、 f o x b o r 0 等一些公司在1 9 8 6 年美国仪表学会( i s a ) 的会议上争相推出了一些称为 s m a n 变送器的新型智能变送器系列。这类变送器具有适合各种新应用的能力，克 服了以往模拟变送器准确度不高、漂移过大、量程有限、维护和维修费用大等一 些不足。由于这类变送器内部有微处理器，采用了数字式集成化测量方式，不仅 能输出4 2 0 n 认的模拟信号，而且还能输出数字信号，实现了现场仪表和控制室 之间的双向数字通信。这一典型的数字通信功能缩小了测量技术与控制技术之间 的差距。如果采用这种数字式集成化测量与控制方式，就能消除许多与模拟电路 有关的误差源，因而能达到更高的性能标准。 变送器是工业现场重要的基础自动化设备之一，主要完成物理信号的测量和 变换处理。随着高参数、大容量设备的增加和过程工艺的复杂化，工业现场对自 动化的依赖性越来越大，变送器用量不断增多，要求不断提高。目前普通使用的 变送器是7 0 年代统一的4 2 0 i n a 模拟信号的二线制变送器，它们在传送信号时， 模拟信号不能简单叠加，信道为一对一，且只能单向传输。智能变送器则在变送 器内部直接使用微处理器芯片，对被测物理量进行数字化处理，并增加数字通信 接口，可直接与计算机进行数字通信。微处理器直接对被测信号进行数字化处理， 使变送器的测量精度和量程比大为提高，并具有诊断报警功能，还可克服温漂和 各种零漂影响，有的还具有直接p d 输出等高级处理功能。因此智能变送器的性 能远优于普通变送器，近l o 年来在国外已获得日益广泛的应用。 智能变送器具有很多优点，因此它最适用于测量范围变化较大、环境条件较 差而要求测量精度高和采用数字通信的大型控制系统及特殊应用的场合。 1 4 现场总线技术介绍 现场总线技术【4 】是当前自动检测技术的热点之一。从现场总线技术的形成来 看，它是自动控制、计算机、通信、网络等技术发展的必然结果，而智能仪表则 一2 一 基于h a r t 协议智能压力变送器的研究 为现场总线的出现和应用奠定了基础。自1 9 8 3 年h o n e y w d l 推出智能仪表一s m a r t 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，促进了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、l o n w o r k s 、p r o f i b u s 、 c a n 、h a r t ，除h a r t 外，均为全数字化现场总线协议。 h a r t 现场总线( 简称h f ) 系统采用主从工作方式：主机为1 台p c 机，从 机为l 台或多台遵守h a r t 协议的h f 智能变送器。当从机只有1 台h f 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4 2 0 r n a 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h f 智能变送器 时，即智能变送器工作在多站方式下时，4 2 0 i i 认信号作废，每台变送器工作电 流为4 n 认左右，所有测量、调整和测试数据均用数字方式传输。应该指出，h a r t 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。 1 5 本文研究的主要工作 在充分了解国内外变送器发展动态的前提下，结合现场控制系统的现状，研 究了h a r t 通信协议，研制了相应的硬件装置，实现了相应软件的设计与实现， 对系统的软件设计和硬件设计都作了比较全面地阐述。软件方面主要设计了整个 软件体系结构，输入输出通道和数据融合处理等程序，其中对多传感器的数据融 合技术作了比较全面、详细的分析；硬件方面主要是整个系统方案的确定，其中 包括几个核心芯片的选取和各个模块之间的连接，对系统的可行性进行了分析， 包括系统的电源供电和抗干扰技术。具体设计详见以下各章。 1 6 本章小结 本章首先对智能仪器仪表作了简要概述，接着简析了智能变送器的发展里程 与现状，对与h a r t 协议相关的现场总线技术也做了比较全面的介绍，最后简述 了一下本文所做的的主要内容。 第2 章h a r t 通信协议及其应用 第2 章h a r t 通信协议及其应用 2 1h a r t 协议概述 h a r t 通信协议【5 】是由美国r d s 锄o u n t 公司于1 9 8 6 年首先提出并推广的一种 符合4 2 0 i i 认模拟信号与数字通信技术的过渡性协议，是在b e l l 2 0 2 标准通信基 础上发展起来的。它是广泛应用于现场智能仪表和控制室设备间的临时标准开放 通信协议，世界上有上百家大公司采用了这一协议，并成立了h a r t 通信基金会。 h a r t 通信协议是现场总线中的一种过渡性协议，它是在现有的模拟信号传 输线上实现数字通信。 h a r t 现场通讯协议扩展了抛0 m a 模拟通信标准，在智能测量和控制仪表 的基础上提高了通讯能力。h a r t 协议智能仪表在不干扰牝0 i l 认模拟信号的同 时允许双向数字通讯，4 2 0 m a 模拟和h a r t 数字通讯信号能在一条线对上同时 传递。 h a r t 通信协议参照国际化标准组织i s o 的开放型互联系统模型o s i 【6 1 ，采 用了简化的三层模拟结构：第一层物理层、第二层数据链路层和第七层应用层。 协议详细资料请查阅文科刀，其对应关系如表2 1 所示。 表2 1o s i 模型与h a r t 通信协议对应关系 t a b 2 1m c 伽州d i n gr e l a t i 0 f o s i 锄d m c 0 删删s 舯删 2 2h a r t 协议物理层规范 物理层规定了信号的传输方法和传输介质。h a r t 信号传输是基于b e l l 2 0 2 通信标准，采用f s k 频移键控技术，传输数据波特率设定为1 2 0 0 b p s ，数字信号 一4 一 基于h a r t 协议智能压力变送器的研究 “o 和“1 分别用“2 2 0 0 h z 一和“1 2 咖z ”的正弦波表示，在模拟信号4 2 0 i i 认 上叠加幅度为o 5 l n a 的数字音频信号进行双向数字通信，由于f s k 信号平均值为 0 ，不影响模拟信号的传输，见图2 1 和2 2 【引。传输介质通常采用双绞同轴电缆， 单台传输距离可达到3 0 0 0 m ，而多台互连最大传输距离可达1 5 0 0 m 。 o s l 认 模缀信号 一o 5 t a 电濠 阉步模掇+ 数字信号 n 仃一n uu f f s 【瓤串：】2 0 0 h 嚣 22 0 0 h z 逻辑： - l 。o 。 图2 1h a r t 协议的f s k 频移键控信号 f i g2 1t h ef s ks i 弘a lo f h a r tp r o t o c o i 时间 图2 2 嗍通信信号叠加在4 2 0 m a 模拟信号上 f i g2 2n eh a r tc 0 删m l n i c a t i ss i g 舱l 刚p e 】妇l p o s 髂4 2 0 l i 叭雏a l o gs i 印a l 在一个h a r t 协议的网络中至少需要一个主设备和一个现场设备，在网络工 作时，现场设备可以随时更换，现场设备和主设备以及副主设备并联在网络中。 网络中不能存在环路。信号发生单元可接在网络的任何位置。网络拓扑图如下： 第2 章h a r t 通信协议及其应用 图2 3 h a r t 拓扑结构 f i g2 31 1 l et o p o l o 蹦s 缸u c t u 他o fh a r t 在网络中，h a r t 协议由双绞线的两根导线问的电压构成，h a r t 数据帧以 异步串行方式传送。在数据传送期间，发送信息的设备将发送的信号以载波方式 传送到传输介质上。 2 3h a r t 协议数据链路层规范 2 3 1h a r t 帧的格式 图2 4 h a r t 数据帧格式 f i 9 2 4 h a r t d a t l i 丘锄e 内恤a t 一6 一 校验项 数据项 状态项 字节致 命令项 地址项 开始界符 超始字符 基于h a r t 协议智能压力变送器的研究 数据链路层规定了h a r t 帧的格式( 如图2 4 所示) ，实现建立、维护、终 结链路通讯功能，h a r t 协议根据水平和垂直冗余校验码信息，采用自动重复请 求发送机制，消除由于线路噪声或其他干扰引起的数据通讯错误，实现数据的无 差错传递。 h a r t 数据帧有短帧和长帧两种格式。序文为多于3 个字节的全l 字符；起 始字符指明采用的数据帧的格式及数据来源；地址段与数据帧格式有关，h a r t 协议第4 版之前采用短帧格式，当地址为0 时，为点对点模式，智能变送器处于 模拟与数字兼容的通信状态；当地址在l 1 5 时，为多点模式，变送器处于全数 字通信状态。h a r t 协议第5 版采用长帧格式，智能仪器地址为3 8 位的唯一标识， 包括生产厂家代码、仪器类型码和产品标识码，可用于大型网络。新仪器采用长 帧格式，但也能利用短帧格式读仪器标识命令。校验段为从起始字符开始的半加 和。一个链路层可连接多达1 5 个短帧格式地址的现场设备；若是用长帧格式地址， 则可连接无数个设备，设备的数量要由实际情况和通信链路要求的查询速率确定。 由于数据的有无和长短并不恒定，所以h u 汀数据的长短也不一样的，最长的 h a r t 数据包含2 5 个字节。h a r t 帧又被分为请求帧、应答帧和阵发帧，请求帧 和应答帧的主要区别：应答帧包含了数据通讯状态和变送器的工作状态。二者的 格式见表2 2 。 表2 2h a r t 请求帧应答帧格式 t a b2 2t h eh a r tp d 丘t i o n 丘锄e ，i 邺t i o n 丘a m ef ；姗a l 为了保持网络的物理性能，以便能进行可靠的信号传输，网络配置需遵循以 下准则。 要素：如本规范其他部分所规定，网络由电缆、通信设备及非通信设备组成。 下列准则用于h a r t 网络中要素的组合： 第2 章h a r t 通信协议及其应用 准则l ：一个网络必须至少有一个低阻抗设备。连接到网络的所有设备的并联 阻抗必须在1 7 0 q 一1 1 0 0 q 范围之内。典型的网络只有一个低阻抗设备。 准则2 ：一个网络不能有一个以上的模拟信号发送设备。 准则3 ：在直流电源限制、电缆长度计算以及噪声计算允许时，一个网络可以 有多达1 6 个总线设备和1 个辅助设备。 准则4 ：只允许有一个辅助设备。 准则5 ：要素组合连接时，电缆长度必须在电缆长度计算( 或者图解) 所允许 的最大值。 2 3 2h a r t 帧的编码 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，奇偶校验位以 及一位停止位共1 1 位传送，保证了对每一字节进行数据传输的同步。 编码格式有很多，在此我们采用的是曼彻斯特( m 锄c h e s t 砷编码，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。即在曼彻斯特编码中，数据帧在每一位中间遇到位率时 钟的上升沿时发生跳变【9 1 ，见图2 5 所示的波形。 竺 竺一竺r 孟 ( b ) ：几：n ! n ! ：n ! 黼 图2 5 曼彻斯特编码 f i g2 5m 姐c h e s t 盯c o d i l l g 一8 一 基于h a r t 协议智能压力变送器的研究 2 3 3 数据链路层服务 m 堰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才可以访问链路，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的优先权轮流访问通讯链路，但设定了不同的 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。 2 4h a r t 协议应用层规范 应用层执行主设备所请求的命令，h 川盯协议把命令分为通用命令( 如表2 3 ) 、 常用命令( 如表2 4 ) 和专用命令，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；常用命令表示大多数 现场仪表所执行的功能；专用命令表示现场仪表所实现的特殊功能，例如：读取 或写入最低流量中断值、起始、停止和清除累加器、读取或写入校正的密度因数、 选择主变量( 流量和密度) 、读取或写入仪表材料信息、进行感应元件校正等。 表2 3h a r t 协议的通用命令 t a b2 3g 阢e 瓶lo r d e 侣o f h a r tp r o 咖l 命令功能 0 ，l l ，2 ，3 6 1 2 ，1 3 ，1 7 ，1 8 1 4 ，1 5 1 6 ，1 9 设备识别( 厂商，设备类型，版本) 读测量值 置随选地址 读、写用户输入的文本信息 读设备信息( 传感器序列号、报警操作、范围) 读、写最终装配号 第2 章h a r t 通信协议及其应用 表2 4h a r t 协议的常用命令 t a b2 4n e 咖m o l 懒o f h a r tp r o t o c o l 命令功能 读测量值 设置操作变量 复位“结构变化”标志 e e p r o m 控制 对话功能 模拟输入，输出整流 读副设备的状态 写传感器序列号 用传输变量 单元信息 写所需导言号 使用复合模拟输出 突发模式控制 2 5h a r t 仪表的特点 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。由于h a r t 通信方 式的引入，更多先进的功能被赋予智能仪表。 2 6h a r t 现场仪表的组成原理 h a r t 现场仪表，包括h a r t 变送器和h a r t 执行器。h a r t 协议最初设计 对象是控制系统的输入设备变送器，目前h a i 盯协议也适用于输出设备一执行 器。采用h a r t 协议的输出设备，对于控制系统或管理维护系统而言，重要的益 处是可以从这些设备获得完善的自诊断信息。 m “ 稻 m 9 一鲳 ” 镐 钞 一 一 锣 一 基于h a r t 协议智能压力变送器的研究 h 6 肿智能仪表的组成原理对于一个典型的h 剐阿智能仪表而言，其电路组 成一般包括电源电路、传感器接口电路、a d 转换电路、m c u 、d a 输出电路和 h a r t 通信电路等，如图2 6 所示。 图2 6h a r t 智能仪表电路结构示意图 f i g2 6t h eb l o c kd 通弘mo f 姒盯i n t c l l i g e n ti 璐咖m e n t 具体来说，电源模块的功能是将2 2 0 v 的交流电压经过开关电源适配器转换为 + 3 v 或者+ 5 v 供电电压，供仪表使用；传感器接口用于向传感器提供激励，例如 恒压或者恒流驱动，并且将传感器的输出电压信号和温度信号经整形电路和适当 的带通滤波电路后，引入到a d 转换器的模拟输入接口；a d 转换电路对传感器 的输出信号放大后，转换为数字量供m c u 使用，再由m c u 进行线性化处理、量 程转换、阻尼处理等运算；存储器中可以存放各种组态信息、校准参数等；最后 通过d a 转换器把数字信号转换成电流信号输出；h a r t 通信电路用于实现姒盯 协议物理层的实现；单片机( m c u ) 则是整个智能仪表的核心，协调其余部分的运 行，完成运算、通信等功能。 2 7 本章小结 本章介绍了h 触h 协议的特点和h a r t 协议物理层、数据链路层和应用层的 规范及各层的结构模型，最后分析了h a r t 现场仪表的特点和现场仪表的组成原 理。 第3 章智能压力变送器的硬件设计 第3 章智能压力变送器的硬件设计 3 1 智能变送器的功能和特点 智能变送器保留了常规变送器稳定性高、体积小、结构简单、安装方便、采 用电子传感技术的优点，还进一步提高了测量精度，改善了温度特性，扩展了量 程比，采用数字技术增添了远程通信、自诊断智能化功能，极大地满足了工业过 程测量对可靠性的更高要求。 智能变送器的主要功能和特点有：测量精度高。较宽温度范围的适应能 力。更宽的量程比。双向数字通信。远程通信组态。完善的自诊断功能。 模拟、数字两种输出信息。具有p d 控制功能。 3 2 系统整体设计方案 近年来随着微电子技术的飞速发展，尤其是近年来低功耗、多功能单片微处 理器、高精度a d 与d a 变换器件的面世，为研制通用型高精度智能变送器打下 了扎实的基础。智能变送器都是以c p u 为核心构成的数字化仪表，工作原理如图 3 1 所示【1 0 1 。 a n 、l + 越n 1 球r 2 + a d 仃 础掰 鼢ot x dp 洲匝c y l u td i 印c sd i 嗣p c d i 锄a tc p 厂r 2 图3 1h a r t 智能压力变送器功能描述图 f i g3 11 1 1 ef l ：m c t i o nd 胬呻d o nd 蛆r to f h a r ti n t e l l i g e n tp i 陀s s 珊t 阳n 锄i t t i 盯 n 一 一 一一一 一嗍一一 基于嗍协议智能压力变送器的研究 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，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， 实现高性能、微功耗的智能变送器的硬件电路，本课题所选的单片机是a t n l d 公 司的高档型a t 8 9 s 系列单片机中的增强产品a t 8 9 s 5 2 。它的低功耗特性、运行速 度快、片内洲等一些新增的功能，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a t 8 9 s 5 2 进行的。设 计时，为了方便p c b 板的制作和简化电路，尽可能采用直线连接的方式，又因为 数字信号容易受外界信号的干扰而产生波动和逻辑混乱，我们也尽量采取节省口 线的方式。 整个硬件电路设计中含有模拟电路和数字电路两部分，单片机只处理数字信 号，而传感器系统输出的是模拟信号，为了防止数字信号和模拟信号的相互影响， 采用了隔离技术，将单片机系统模块和传感器系统模块分开。电路中存在的其他 的数字和模拟电路都采用了部分隔离技术。 3 3 单片机a t 8 9 s 5 2 的原理及其应用 单片机作为本设计的核心器件，其选择尤为重要。因m c s 5 1 系列单片机已 被国内用户广泛认可和应用，货源充足，资料丰富，仿真工具种类繁多且成熟， 因此本设计选用a h i l e l 公司生产的a t 8 9 s 系列的a t 8 9 s 5 2 单片机l l i 】。a t 8 9 s 5 2 是一种低功耗、高性能c m o s8 位微处理器，使用a 缸n e l 公司高密度非易失性存 储器技术制造，与工业8 0 c 5 l 产品的指令和引脚完全兼容。片上f l a s h 允许程序存 储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位c p u 和在 系统可编程f l a s h ，使得a t 8 9 s 5 2 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效 的解决方案。 a t 8 9 s 5 2 具有以下的标准功能：片内8 k 字节在系统可编程f l a s h 存储器、三 级加密程序存储器、特殊功能寄存器s f r 、3 2 个可编程怕口线、2 5 6 字节r a m 、 看门狗定时器、3 个1 6 位定时计数器、全双工u 朋盯串行通道、8 个中断源等内 部资源。另外，a t 8 9 s 5 2 可降至o h z 静态逻辑操作，支持两种可选择节电模式： 掉电保护模式下，洲内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到 下一个中断或硬件复位为止；空闲模式下，c p u 停止工作，允许洲、定时器 第3 章智能压力变送器的硬件设计 计数器、串口、中断继续工作。a t 8 9 s 5 2 硬件扩展方便，用途广泛。现场仪表采 用单片机控制以后，长期以来测量仪器中的误差修正、线性化处理等比较难解决 的问题都迎刃而解了，即通过微处理器的软件编程来处理误差修正和系统的非线 性化，提高智能仪表系统的测量精度。 3 4 传感器模块及其接口设计 信息处理技术取得的进展以及微处理器和计算机的高速发展，都需要在传感 器【协1 3 】的开发方面有相应的进展。微处理器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提高，作为信息采集系统的前端单元，传感器的作 用越来越重要。 从广义上讲，传感器是一种能把物理量和化学量转变成便于利用的电信号的 器件。目前常用的压力传感器有电容式、扩散硅式和硅谐振式等。其中扩散硅压 力传感器具有灵敏度高、性能稳定、量程范围广、滞后和蠕动小的优点。随着对 压阻效应非线性的深入研究以及半导体工艺技术的发展，扩散硅压力传感器的各 项技术指标不断提高，为其在压力测量方面创造了极具竞争力的条件。 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一道关口。 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。为了方便以 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。 图3 2 扩散硅压力传感器等效电路桥 f i g3 2n e 唧i l a lb 耐驴d 彻l i t 岫s t r 螂s 删阱m a d cb y 唧s i s n i c 基于h a r t 协议智能压力变送器的研究 本设计采用的传感器是扩散硅压阻式传感器，扩散硅压阻式传感器的优点在 于体积可以做得很小，同时仍能保持高的标称电阻，并且其灵敏度非常高，其缺 点是它对温度比较敏感，补偿比较难。为提高满量程输出，减少零点漂移和提高 线性度，通常把压敏电阻( 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 q 。传感器电桥电路如图3 2 所示。 其中r 、r 2 、马、墨为电桥的四个桥臂电阻，电桥输出电压为： = 叉杀 ( 3 ) 传感器与d 转换器a d 7 7 1 4 的接口电路如图3 3 所示： 图3 3 传感器与a d 7 7 1 4 的接口电路 f i 9 3 3 t h e 锄妇c i 删t o f 也es 饥s o r 锄d a d 7 7 1 4 c h 谛 3 5a d 模块、d a 模块及其与单片机的接口设计 3 5 1a d 7 7 14 的基本原理与单片机8 9 s 5 2 的接口 a d 7 7 1 4 是美国a d i 公司于1 9 9 8 年推出的一种c m o s 工艺制成的5 通道低功 耗可编程传感器信号处理系统【1 4 1 ，可广泛应用于智能化压力检测系统、便携式工 业仪表、电流环系统、便携式称重仪中，是一个完整的用于低频测量应用场合的 模拟前端，用于直接从传感器接收小信号并输出串行数字量。 ( 1 ) a d 7 7 1 4 的性能特点 第3 章智能压力变送器的硬件设计 a d 7 7 1 4 采用电荷平衡式加转换技术，实现了高达2 4 位无误码的高性能指 标。内部有8 个寄存器，主机通过串行口可将a d 7 7 1 4 配置成差分输入或单端输 入方式，能构成3 通道( 差分输入) 或5 通道( 单端输入) 的检测系统并完成对 所有输入信号的调理及转换任务。它具有三线串行接口，能与s p i 、q s p i 、m i c r o 、 w 眦t 总线以及接口兼容。通过软件可设定输入通道的增益、信号的极性、低通 数字滤波器的截至频率并选择输入通道，适合构成基于微处理器或d s p 的智能检 测系统。具有多种校准功能( 包括自校准、系统校准、系统失调校准及后台校准) ， 通过自校准可消除零刻度误差、满刻度误差、系统失调以及温度漂移。用户可对 内部校准寄存器进行读、写操作。采用+ 3 v 或+ 5 v 单电源供电，其中a d 7 7 1 4 - 3 型采用+ 3 v 供电，电源电压允许范围是+ 2 7 v 斗3 3 v ，a d 7 7 1 4 _ 5 型采用+ 5 v 供电， 电源电压允许范围+ 4 7 5 v 4 5 2 5 v 。 ( 2 ) a d 7 7 1 4 的工作原理 a d 7 7 1 4 型5 通道传感器信号处理系统的内部框图如图3 4 【嘲，包括开关矩阵、 缓冲器、可编程增益放大器( p g a ) 、电荷平衡式加转换器( 内含式调节 器和低通数字滤波器) 、双向串行通信接口及寄存器组、时钟发生器。a d 7 7 1 4 采 用带数字滤波的式a ，d 转换器，从而达到了2 4 位无误码的高技术指标，它适 用于宽动态范围、低频信号测量领域。 劓b d 洲b d 舵f 嘲孵嘲柳 g n d o o 雌d p 纠d r 口丫e 孽e t 图3 4a d 7 7 1 4 内部框图 f i g3 4a d 7 7 1 4 锄m a lb l o c kd i a g r a m 鼍膏再阳r 鼍胃孵 基于h a r t 协议智能压力变送器的研究 a d 7 7 1 4 模拟输入端可以接收单极性或双极性的输入电压，利用配置寄存器中 的c h 肛c h 2 位，可选择不同的通道并设定输入类型( 差分输入或单端输入) 。输 入信号加至位于模拟调制器前端的专用可编程增益放大器，调制器的输出经片内 数字滤波器进行处理。数字滤波器的第一次滤波通过片内控制寄存器来编程，此 寄存器可以调节滤波的截止时间和建立时间。a d 7 7 1 4 的差分基准输入能力由加在 基准输入端上的电压来提供。 在对a d 7 7 1 4 和a t 8 9 s 5 2 有了一定的了解之后，它们的硬件接口电路也就迎 刃而解了，其连接的电路原理图如图3 5 所示。 s 咄d g n d m 姒d v d d m 瞰0 u td p ( ) l d d i 玎 9 cd l r d y resl汀cs a b 呵la ! g n d a 磷2a 玳6 脚a 斟5 心r ( + ) 贺露面& i 皿咄_ j a v d d雕瑗f 砥 2 4 2 l3 离曰器嫡 ；c l1 4 一i 硒 w r 8 9 ：s 5 2 h 的 p o l p 0 2 p 0 3 r 珥 p 0 5 阳6 p 昕 p 2 0 p 2 l p 2 2 p 2 3 p 2 4 p 2 5 p 2 6 p 2 7 r x d 彻 心 窟涮 图3 5a d 7 7