HART_协议智能温度变送器设计.doc

目录总图和总程序摘 要IAbstractII引言1第一章 绪论21.1 智能变送器的发展21.2现场总线技术发展趋势21.3目的和意义31.4 本论文主要内容3第二章 HART协议总体剖析52.1 HART协议概述52.2 HART通信结构模型62.2.1 HART协议物理层72.2.2 HART数据链路层82.2.3 HART协议应用层82.2.4 各层间的功能关系92.3 HART的消息帧结构92.4 HART的操作命令12第三章 智能变送器的硬件设计153.1 系统整体设计方案153.2 通信模块153.2.1 HT2012的优良特性163.2.2 HT2012芯片的功能模块163.2.3 HT2012在HART协议中的应用183.2.4 MSP430与HT2012接口设计203.2.5 HT2012与外部接口203.3 单片机接口223.3.1 MSP430F148特性223.3.2 MSP430与DA芯片AD42122第四章 智能变送器的软件设计244.1 变送器的测控程序流程图244.1.1用户测控程序总体流程图244.1.2参数设置流程图254.2 HART数据采集与发送通讯流程图264.2.1上位机数据采集一次数据的程序流程图264.2.2变送器数据发送流程图27结 论29参考文献30中文译文31外文译文33致 谢35插图清单图2-1 HART数字通讯信号加在420mA模拟信号上.5图2-2图2-2 HART通信结构模型.6图2-3图2-3 HART通信模式 .7图2-4 HART调制频率信号.7图2-5 传输流式.10图2-6 HART消息结构.10图2-7短帧地址结构.11图2-8长帧地址结构.12图3-1智能变送器的硬件框图. 17图3-2 HT2012功能模.19图3-3晶阵模块.19图3-4 HT2012在 HART设备中的应模.21图3-5 HT2012输入输出电路示意图.22图3-6 MSP430与 HT2012接口图.23图3-7带通滤波电路图.24图3-8整形电路图.24图3-9 HT2012的接口电路.25图3-10 AD421的接口电路.26图3-11 AD421 操作时序图图.27图4-1用户测控程序的总体流程.29图4-2参数设置流程.30图4-3上位机数据采集一次数据的程序流程.31图4-4变送器数据发送器流程图.32表格清单表2-1响应命令范围.12表2-2通用命令摘要.12表2-3 普通命令摘要.13HART 协议智能温度变送器的设计摘 要目前，现场总线已经成为过程控制领域的热点，代表着过程仪表发展的方向。随着现场总线国际标准的完成，现场总线产品以其完善的功能和突出的特点必将为市场所接受，现场总线温度变送器取代传统的温度变送器已成必然。HART协议作为模拟到现场总线的过渡协议，以其独有的特点和运用优势，在当今的现场智能仪表中占有较大的份额。HART 协议智能温度变送器的研究开发具有现实的意义。本文论述了将微处理技术和 HART 协议通信技术引入温度变送器中，实现温度变送器的信号补偿、自适应校正、自诊断、远程管理、远程校正、远程组态、远程维护、远程监控等功能。HART 协议作为温度变送器实现HART 通信的重要依据，论文首先对HART协议规范作了全面的分析，介绍了 HART数据链路层、应用层和物理层具体要求。然后从硬件和软件两个方面分析和论述了 HART 协议智能温度变送器的温度变送电路设计。关键词：现场总线；HART协议；温度变送器； The Intelligent Diffusion Silicon Temperture TransmitterAbstract At present，Fieldbus has already become the hot spot in process control filed, on behalf of the necessary trend in the development of process instrument. As the International Standard of fieldbus accomplished, the fieldbus product is surely accepted by the market for its consummate function and extrusive characteristics. So it is certain that the fieldbus temperature transducer should take place of traditional temperature transducer. HART Protocol as a transient protocol imitating to field owns a big share in todays Field smart Instrument for its special characteristics and application priority. The research and development of HART Protocol smart temperature transducer has real connotation.This thesis discussed something about applying the technology of microprocessor and HART communications Protocol to temperature transducer, to realize temperature transducers signal compensating, self-calibration, self-diagnose, remote management, remote calibration, remote configuration, remote maintenance, remote control. HART Protocol is an important reasoning of HART telecommunication realized by temperature transducer. At first, the thesis gave a comprehensive analysis of HART Protocol Standard, and introduced each request of the data-link layer, application layer and physics layer. Then it analyzed and discussed on circuit design of temperature transmittal.Keyword：Filedbus; HART Protocol; Temperature transducer;- I -HART 协议智能温度变送器设计引言温度测量系统是对温度数据的测量显示，主要涉及到数据检测技术。数据检测技术是信息科学的一个重要分支，它研究信息数据的采集、存贮、处理等作业。在智能仪器、信号处理以及工业自动控制等领域，都存在着数据检测的问题。将外部世界存在的温度、压力、流量、位移等非电信号转换为模拟量电信号，再转换为数字信号，最终收集到计算机并进一步予以处理、传输、显示这一过程，即称为数据检测，相应的系统即为数据检测系统。数据检测系统已广泛地应用到测量、监测、控制、诊断、科学实验等各个领域中。近二十年来，数据检测技术采用了微机等一系列的新技术，得到了飞速的发展，在形式上由原来的专用的测试仪器到现在的使用微机的虚拟仪器。采样的分辨率从4位、8位到现在的24位分辨率，采样的速率从几KBPS到现在最高速率已达2GBPS，记录设备从原来的手记、纸带的记录或数字记录到磁带记录，到现在的硬盘记录、磁光盘记录。所有这些都是不断的采用新技术的结果。由于数字检测系统的应用范围越来越宽，所涉及到的测量信号和信号源的类型越来越多，对测量的要求也越来越高，使得一般的采集模板难以满足各方面的要求，即使能满足这些要求，必然体积庞大、价格高，而且在测量中只需某些功能，无须面面具到，造成不必要的浪费。为了测量的需要，出现功能单一，形式多样的系列产品。本设计任务是利用单片机进行温度检测，共分为三个部分，第一部分主要对设计进行规划，并把设计模块化划分；第二部分是设计的硬件设计部分，对系统的各个模块的硬件电路的设计过程进行细致化说明，并对各种参数进行理论计算；第三部分是设计的软件部分；最后小结是对于整个设计的总结和对数据检测技术发展展望。设计在完成的过程中，由于作者水平所限，不妥之处在所难免，诚恳希望读者提出宝贵意见。- 13 -第一章 绪论1.1 智能变送器的发展 变送器是工业生产过程中的重要检测设备，广泛用于工业中压力、差压、流量、液位等工艺参数的检测，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，大量使用的是智能变送器。经过这么多年的发展，变送器己达到高精度、高可靠性、小型化，并且具有完善的自诊断和通信功能。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，世界各厂家都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, Lee Eengineering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标准，促进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等功能。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。1.2现场总线技术发展趋势现场总线以一种串行的数字数据通信链路的形式，在分布于生产及过程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 DCS 系统的结构体系，它是全分散式的和开放式的系统。目前，现场总线智能仪表和新型开放自动化系统，已经成为全世界范围自动化技术发展的热点。现场总线的智能仪表与传统的模拟仪表相比，具有许多新的特点，概括起来主要为：(1)仪表功能大为加强，实现了就地控制；(2)实现了双向通信，提高了精度；(3)操作更简单，使用更方便； (4)抗干扰能力更强，使用寿命更长； (5)布线容易，便于施工，可节约大量电缆，仪表盘和模数转换器，从而使系统低成本化；(6)系统自诊断功能增强，维护更加容易。随着现场总线国际标准的完成，总线仪表已成仪表行业发展的必然趋势。世界各国基于现场总线的智能仪表的开发速度加快，符合 HART、FF 等协议的各种现场总线智能仪表将大量推向市场，现场总线智能温度变送器等仪表已开始生产、应用，并进入国内市场，如 Smar 的 TT301、Rosemount 的 644 等。现场总线网络处于企业信息网络的底层,是工业数据通信与控制网络的核心，是企业实现信息化管理的基础,它与工厂控制网络和企业经营管理网络所构成的开放网络系统，是工业过程控制领域的发展方向。1.3目的和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所接受，现场总线温度变送器取代传统的温度变送器已成必然。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。因为对制造商来说，根据HART 协议的要求，对现有的模拟现场仪表进行智能化改造，在技术上是可行的，在经济上是节省开发投入的，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协议的智能温度变送器，推动国产HART 智能温度变送器尽快投放市场，并为开发采用 FF 协议的智能温度变送器及现场总线控制系统提供实践经验和赢得时间。HART 协议智能温度变送器的研制成功必将取得极好的社会效益和经济效益。现场总线国际标准刚刚完成，现场总线智能温度变送器的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 框架下，产品竞争能力的提高提供有效的手段。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。稳定性：传感器的输入输出的单值函数最好不碎时间和温度而变化，受外界其他因素的干扰影响应很小，重复性要好。灵敏性即要求被测变量较小的变化就可使传感器获得较大的输出信号。1.4 本论文主要内容课题的主要任务是将微处理技术和HART 协议通信技术引入温度变送器中，实现高精度、多功能的可编程两线制 HART 协议智能温度变送器。利用微处理器强大的功能实现温度变送器的线性补偿、自适应校正、自诊断、通信等智能化功能；运用 HART 协议通信技术，实现对温度变送器的远程管理、远程校正、远程维护、远程监控、远程调试。从而使它运行更可靠，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，如电源供电模块、功耗等问题的解决。论文整体上分为四章，具体如下：第一章绪论，综述了智能型变送器、现场总线技术的形成和发展，还有他们各自的特点。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。第三章论述了温湿度变送器的硬件原理。第四章涉及到软件设计的思路及设计。最后是我对整个设计的体会和总结。第二章 HART协议总体剖析2.1 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，其定义一句话概括是在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。对于日益增加的智能化现场仪表的模拟-数字混合式通信来说，HART协议己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候，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。而HART是将1200波特率的频移键控FSK信号加载在420mA的模拟信号上以进行通信，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而对接收器和发送器的灵敏性做了特别的规定，这样也减少了干扰和码间串扰的可能性。图2-1 HART数字通讯信号加在420mA模拟信号上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息。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2-1中我们可以看到，HART协议使用Be11202频移键控标准，在420mA基础上叠加低电平的数字信号。数字FSK信号相位连续，这样就不会影响420mA的模拟信号。也就是说，数字FSK信号的平均值为0。图中的逻辑“1”由1200 Hz频率代表，逻辑“0”由2200 Hz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。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，在1993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、维护及升级HART协议的标准，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。作为一个开放性协议，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，世界上己有100多家公司采纳了这一协议，其中有许多著名的公司，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协议是智能过程设备中采用的一种先进的通信技术，兼容模拟与数字信号的传输，现在，越来越多的智能设备的通信都采用HART协议。(2)适用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器仪表又不断出现。HART协议为今天还大量存在的传统的模拟设备对今后数字设备的兼容性提出了独特的通信方案，这种方案确保了现存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协议之所以适用于当今，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420mA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420mA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。2.2 HART通信结构模型 HART 通信结构模型是以国际标准化组织的开放性互连模型为参照，分为三层，即对应于OSI的应用层、数据链路层和物理层（见图2-2）。图2-2 HART通信结构模型 HART 协议规定了对等实体之间的通信规则，并通过上下层间的接口服务，实现HART 通信模式，以这样的模式，可在主设备与现场设备之间建立通信连接。如图2-3所示。下面就对各层分别作叙述：图2-3 HART通信模式2.2.1 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信号传输是基于Bell 202通信标准，采用FSK方法，数字信号的传送波特率设定为1200bps，数字信号的“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2.4。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3000m，而多台互连最大传输距离可达15OOm。图2-4 HART调制频率信号 BELL202标准是电话线上进行数字通信的标准，这样似乎就可以利用电话线来发送数字信号，HART信号的调制解调也就可以采用一些满足BELL202标准集成电路芯片来实现。此时似乎让我们对HART调制解调部分的设计变为不必要。其实，HART和BELL202对阻抗和信号水平的规定都是不同的。对HART信号的调制解调要使用专门的调制解调器芯片来满足其低功耗的需要。 HART协议规定主机(单主机控制系统或手操机通讯系统)传输的是电压信号，而副设备传输的是电流信号。通常的二线传输的是用于控制环路的电流，通过一些控制系统来抽样，进行模拟数字信号的转化，这个转化要求不能影响现存的HART信号。 经过环路负载电阻，电流信号转化为相应的电压信号，于是所有设备使用的就是感应电压接收电路，这一点对于后面接口电路的设计很重要。主机传输信号的峰-峰值:最低为400mV，最高为600mV；副机传输信号的峰-峰值:最低为0.8mA，最高为1.2mA；加载到230的电阻上转化成的电压信号的最低值为184mV，加载到1100的电阻上转化成的电压信号的最低值为1320mV；正确接收时的接受器的灵敏度(限定了信号由于线缆和其他部分影响产生的衰减)为120mV2.OV，接收限(规定的是外部信号干扰和其他非HART信号穿越HART信号的连接线路带来的信号下降)有80mV。从控制系统到阀门处的输出电路传输的信号水平相同，与前面不同的是副设备传输的也是电压信号，这样场设备的阻抗就形成了环路负载电阻。2.2.2 HART数据链路层 在HART的数据链路层中规定了HART帧的格式，实现建立、维护、终结链路通讯功能，HART协议根据冗余检错码信息，采用自动重复请求发送机制(ARQ)，消除由于线路噪音或其它干扰引起的数据通讯出错，实现通讯数据无差错传送。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。数据链路层中的数据结构长度不固定，最长25个字节，寻址范围015，当地址为0时，则处于420mA的DC与数字通信兼容状态;当地址为115时，则处于全数字通信状态，通信模式为“主/从式”或“广播式”。 HART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。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HART设备的手持器。 HART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15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。2.2.3 HART协议应用层HART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。 HART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HART协议帧，然后一次发送出去。数据链路层规定了HART帧的格式，但是数据链路层并不解释HART帧中的数据段的含义，这个工作由HART协议的应用层来完成。应用层规定了HART消息包中的3类命令，第一类是通用命令，适用于遵守HART协议的所有产品，为符合HART协议的设备提供功能描述；第二类是普通命令，适用于遵守HART协议的大部分产品，当设备独具有某些功能时，该命令用于对这些功能的描述；第三类是特殊命令，适用于遵守HART协议的特殊产品，提供一些特殊的功能描述命令。HART协议是一个开放的协议，对于厂家生产的具有特殊功能的产品，HART还提供了设备描述语言DDL(Device Description Language)以确保互操作性。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，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。2.3 HART的消息帧结构Hart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1位停止位共11位传送，保证了对每个字节进行数据传输同步。从图2-5中我们可以看出一个比特序列的完整的特性，图中最先发送的是DO。图2-5 传输流格式D0D1D2D3D4D5D6D7P1起始位8位数据D0最先传送奇偶校验位停止位0图2-5是8位数据加奇偶效验位的格式。进一步深入HART，涉及到HART消息包的结构。每消息包括它的源和目的地址以确保消息传送到正确的位置，还有校验位用于确保数据的正确、完备和通讯状态的正常。消息中的数据位可有可无，另外还有一些特殊的命令消息。一般的消息帧结构可以用图2-6表示。图2-6 HART消息结构从图2-6可以看到一般的消息帧结构包括序言位、起始特征位、地址位、位计数和校验位等。 HART5.O以前版本的设备一般采用“短结构”，单一的现场设备如果只利用420mA电流信号进行测量时，从设备的地址都是0；否则，对于多设备而言，从设备的地址是从115，这种短结构的地址采用随机的方法，随机分配115中的一个。HART5.0版本推出了“长结构”，这种格式的从设备地址具有独一无二性，如同每个网卡中物理地址一样，全世界范围内都没有重复，一般占5个地址字节中的38位。这38位地址信息包含了生产厂家的代码、设备型号码和设备识别码。这种格式减少了误传输和误接收的可能性。现在大多数主机设备既支持长结构又兼容短结构，当从机的应答信号中没有“唯一”性标识码时，HART5.0及其以上的版木提供的0号命令，就可以用于短帧中的设备地址识别。也就是说，主机将根据应答信号中是否具有“唯一”标识码来决定结构格式为“长”还是“短”。下面详细介绍消息帧的每一位：PREAMBLE:导言字节，一般是520个FF十六进制字节。它实际上是同步信号，各通讯设备可以据此略做调整，保证信息的同步。例如，在开始通讯的时候，如果使用的是20个FF导言，从机应答0信号时将告之主机它“希望”接收几个字节的导言，另外主机也可以用59号命令告诉从机应答时应用几位导言。START:起始字节，它将告之使用的结构为“长”还是“短”、消息源、是否是广播模式消息。根据消息结构的不同，发送消息源的不同，模式的不同，它具有几个可能值，消息是由主机到从机，并且为短结构时，起始位值为02;长结构时为82。消息是由从机到主机的短结构值为06;长结构值为86。而为广播模式传送消息的短结构值为O1，长结构为81。实际上就是通过起始字节中的0,1,2和7位的不同进行区分，今后还期望用起始字节中的5和6来设置地址和命令字节间是否出现额外位，当然这还没有被HART通讯委员会通过。一般设备进行通讯接收到两个FF字节后，就将侦听起始位。 ADDR:地址字节，它包含了主机地址和从机地址，如前所述，短结构中占1个字节，长结构中占5个字节。无论是采用长结构还是短结构打包，因为HART协议中允许两个主机存在，所以要用首字节的最高位来进行区分，值为1表示第一主机地址，第二主机用0表示。广播模式是特例，首字节的最高位为0,1的值将交替出现，也就是说，在一该模式下，赋予两个主机的机会均等。次高位为1表示为广播模式，短结构(见图2-7)用首字节的03位表示值为015的从机地址，第4, 5位赋0;而长结构用后6位表示从机的生产厂商的代码，第二个字节表示从机设备型号代码，后35字节表示从机的设备序列号，构成“唯一”标志码。长结构如图2-8所示:图2-7 短帧地址结构图2-8 长帧地址结构 另外，长结构的低38位如果都是0的话表示的是广播地址，即消息发送给所有的设备 COM:命令字节，它的范围为253个，用HEX的0FD表示。31, 127,254, 255为预留值。后面将详细介绍。 BCNT:数据总长度，它的值表示的是BCNT下一个字节到最后(不包括校验字节)的字节数。接收设备用它可以鉴别出校验字节，也可以知道消息的结束。因为规定数据最多为25个字节，所以它的值是从0到27。 STATUS:状态字节，它也叫做“响应码”，顾名思义，它只存在于从机响应主机消息的时候，用2个字节表示，这两个字节覆盖了三种类型的信息:通讯中的错误、接收命令的状态(如：设备忙；无法识别命令等)和从机的操作状态。如果在通讯过程中发现了错误，首字节的最高位(第7位)将置1，其余的7位将汇报出错误的细节，而第2个字节全为O。否则，当首字节的最高位为0时，表示通讯正常，其余的7位表示命令响应情况，第2个字节表示场设备状态的信息。 UART发现的通讯错误一般有:奇偶校验、溢出和结构错误等。命令响应码可以有128个，表示错误和警告，他们可以是单一的意义，也可以有多种意义，通过特殊命令进行定义、规定。场设备的状态包括错误情况和非正常操作模式或情况而不必是错误的设备。对这个字节的分析是后而进行报警设计和操作的基础，电路会根据不同的状态字节的含义采取不同的动作。命令响应码(0127的整数表示)分为错误或者警告，具有单一的意义或者多重意义。表2.1就给出了每一类型的范围。表2-1 响应命令范围错误警告单意1-7、16-23、32-6424-27、96-111多意9-13、15、28、29、65-958、14、30、31、112-127许多设备提供的状态信息可以编码成一条字节。设备状态字节的第4位可以设置是否命令“可用多意”；48号命令可以读额外的信息，而对48号命令的响应可以自定义，自HART5.0版本后6到13号有不同的意义，包括操作模式(未定义的)和复合模拟输出的状态，其余的可以自由支配。(注:8号和14号码是“警告”类，其余的是“错误”）。 DATA:数据字节，首先我想说明的是并非所有的命令和响应都包含数据字节，它最多不超过25个字节(随着通讯速度的提高，正在要求放宽这一标准)。数据的形式可以是无符号的整数(可以是8, 16, 24, 32位)，浮点数(用IEEE754单精浮点格式)或ASC字符串，还有预先制定的单位数据列表。具体的数据个数根据不同的命令而定。CHK:奇偶校验，方式是纵向奇偶校验，从起始字节开始到奇偶校验前一个字节为止。另外，每一个字节都有1位的校验位，这两者的结合可以检测出3位的突发错误。 通常情况下，在应答模式(主/从模式)下1秒钟可以进行两次通讯，在广播模式下，每秒钟可以传送3条消息。 数据链路层服务过程中，Hart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Hart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。HART协议把阵发功能作为现场仪表的一种可选功能。2.4 HART的操作命令操作命令处于应用层，包括通用命令、普通命令和特殊命令。通用命令的范围从030，它提供给所有的面向HART协议的设备，表2-2中只给出了部分通用命令的含义。详细的介绍需要查询专门的资料，另外，还可以比较早期版本和现在的不同。表2-2 通用命令摘要命令功能0、11设备识别（厂商、设备类型、版本）1、2、3读测量值6置随选地址12、13、17、18读、写用户输入文本信息14、15读设备信息（传感序列号，传感限，报警操作，范围，传输结构）16、19读、写最终装配号普通命令的范围是从32到126。它提供了大多数设备的功能命令，表2-3给出了部分普通命令的含义。表2-3 普通命令摘要33、61、110读测量值3437、44、47设置操作变量（范围、时限、PV值、传输功能）38复位“结构变化”标志39EPROM控制4042对话功能（固定电流模式，自测，复位）43、45、46模拟输入，输出整流48读驸设备的状态49写传感器序列号5056用传输变量57、58单元信息（标志、描述、数据）59写所需导言号60、6270使用复合模拟输出107109突发模式控制普通命令中的123和126号命令并非“公共”的，他们专用于生产厂家在生产设备时输入的设备的特殊信息，一般是用户不会改动的，像设备识别号之类。也可以用于直接读、写存储器。特殊命令的范围是从128到253，它提供给现场设备专用的功能。早先，因为HART设备的地址并非独一无二，因此，设备特殊命令常常将设备型号码作为数据中的第1个字节，以保证命令传输给“正确”的设备。在HART5.0版本之后，由于唯一标识码的使用，就省略掉了这步骤。用户若要使用不同设备的特殊命令时可以参照厂家提供的设备文档。HART协议通信命令共分为三类：通用命令、普通应用命令和特殊命令，其中，通用命令和普通应用命令合称标准命令。 1、通用命令 第一类命令为通用命令对所有符合 HART 协议的现场设备都适用。通用命令主要包括 ： (1)读出制造厂及产品型号； (2)读出主变量及单位；(3)读出电流的输出及百分比输出； (4)读出最多4个预先定义的动态变量名 ； (5)读出或写入8个字符的标牌号,16个字符的描述内容以及日期等 ； (6)读出或写入32个字符的信息； (7)读出变送器的量程、单位以及阻尼时间常数 ； (8)读出传感器串联数目及其限制 ； (9)读出或写入最后组装数目； (10)写入轮循地址等。2、普通命令 第二类命令为普通命令，适用于大部分符合HA RT 协议的产品，但不同公司的HART 产品可能会有少量区别，如写主变量单位、微调 DA 的零点和增益等 。普通命令主要包括 ： (1)读出最多 4个 动态变量的选择 ； (2)写入阻尼时间常数 ； (3)写入变送器量程 ； (4)标定(设置零点和量程 )； (5)完成自检 ；(6)完成 主设 备复位 ； (7)微调 主变量零 点 ； (8)写入主变量 单位 ； (9)微调 DA 的零点和增益 ； (10)写入变送类型 (开方线性 )； (11)写入传感器串联数目； (12)读出或写入动态变量赋值等 。 以上两类命令的规定使符合HART协议的产品具有一定的互换性 。通常说的 HART协议产品的兼容就是指在这两类命令上的兼容 。3、特殊命令 第三类命令为变送器特殊命令，仅适用于某种具体的现场设备。这是各家公司的产品自己所特有的命令，如整机的标定、微调传感头校正等 ，这些命令不能互相兼容。特殊命令主要包括 ： (1)线性标定 ； (2)温度标定 ； (3)读出或写入开方小信号切除值 ； (4)启动、停止或清除累积器 ； (5)选择主变量(质量流量或密度 )； (6)读出或写入组态信息资料 ； (7)微调传感器的标定等。第三章 智能变送器的硬件设计3.1 系统整体设计方案图3-1智能变送器的硬件框图图2-1 温度传感器湿度传感器模拟开关（CD4051）单片机MSP430D/A转换器(AD421)通信系统(HT2012)420mA回路滤波电 路整形电 路本设计的采用模块化设计，整个过程包括5个部分：电源模块、传感器模块、A/D转化模块、D/A转化模块、HART通信模块。智能变送器种类繁多，所涉及的领域十分广阔，而且技术更新也层出不穷，结构设计各有千秋，本章要重点介绍的是基于HART协议的温湿度智能变送器的硬件设计。该变送器可以完成多个参数（如温度、湿度等）检测，采用抗干扰能力强，通信速率高，传送数据精度高的HART协议模块电路完成变送器的数据输出，它既有RS-485总线通信的抗干扰能力强的特点，又具有变送器输出信号为二线制420mA的工业标准。作为硬件电路的总体设计，要考虑到整个电路的功耗要求，为兼容(420)mA现行标准，HART协议智能变送器必须可工作在(420) mA两线回路中。这就意味可用来为变送器供电的电流不能超过4mA。在实际应用中，为兼容数字与模拟两信号，通常将数据频率信号通过V/I转换电路的调整管，转换为幅度为0.5mA的频率信号，叠加在两线的(420) mA电流环上(2200H，表示“0”,1200Hz表示“1”)。由于对特性，此信号的平均值为0。因此模拟和数字两种信号互不干扰。但环路上电流瞬时最大值I=4.5mA,最小值I=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。考虑到调节量所需的余量，要求对变送器供电电流一般不超过3.4mA为好。总之，硬件电路要力求简化，在选择各芯片时，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 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信号调制解调专用芯片HT2012是一款符合Be11202标准的单片COMS低功耗FSK调制解调器，同类产品还有HT2013,SYM20C15等。3.2.1 HT2012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 HART Modem,是采用FSK技术的 CMOS低功耗调制解调器。HT2012芯片用来实现 HART协议中通讯信号的解调及调制过程,为过程控制仪表和其它低功耗设备提供 HART通讯能力。HT2012的传输速率为 1200bit/s, 工作频率为 1200Hz(逻辑 1)和 2200Hz(逻辑 0)。HT2012的特性为：(1) 工 作 在 Bell202标 准 下 , 通 信 速 率 为1200bit/s；(2)工作频率为 12002200Hz；(3)低功耗(最大为 40A)；(4)载波监听功能；(5)频移键控技术(FSK)；(6)1200波特率的接收和发送频率；(7)35V的工作电压；(8)与 CMOS和 DTL电路相兼容；(9)最优的伏安特征；(10)使用 CMOS技术制造,16或 28脚封装。3.2.2 HT2012芯片的功能模块 HT2012的主要功能可以划分为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给出的是HT2012中所有的功能模块和它们之间的控制关系。图3-2 HT2012功能模块1、时钟模块该模块接受外部输入的460.8kHz时钟信号，用于建立内部时钟信号。 这一频率比其他类型MODEM的时钟频率低的多，从而大大降低功耗，同时当某一模块不工作时，则该模块的时钟被关闭，进一步降低功耗以满足低功耗的要求。正常使用时，在内部会产生19.2kHz