基于HART協議的智能型壓力變送器的設計

曹 偉 顧麗

（哈爾濱理工大學 測控技術與通信工程學院，黑龍江 哈爾濱150040）

1 引言

壓力變送器作為工業過程檢測和控制的基礎儀器使用廣泛，其發展總趨勢是數字化、智能化、高精度、高適應性和高安全性。目前數字智能式變送器正在主導壓力變送器的發展方向，然而由于模擬現場儀表的大量使用，受原投資保值的限制，從傳統的壓力變送器到全數字智能壓力變送器的更新還需要很長一段時間[1]。為解決這一問題，本設計將引進HART協議，在不改變原有設施的基礎上，實現模擬信號和數字信號兼容通信。

2 HART協議的簡介

HART (Highway Addressable Remote Transducer)協議即可尋址遠程傳感器高速通道開放通信協議，是美國Rosement公司于1985年推出的一種用于現場智能儀表和控制室設備之間的通信協議。HART協議采用半雙工通訊，參考“ISO/OSI”的模型標準，簡化并應用其中三層即：物理層，數據鏈路層和應用層，它能在現有模擬信號傳輸線上實現數字信號通信，實現模擬信號和數字信號兼容[2]。

第一層：物理層。這層規定了信號的傳輸方法和傳輸介質。HART協議采用BELL202標準的頻移鍵控技術FSK，即在4～20mA模擬信號上疊加幅度為0.5mA的正弦調制波，數字信號的傳送波特率設定為 1200bps，1200Hz代表邏輯“1”，2200Hz代表邏輯“0”。由于FSK信號的平均值為0，所以數字通信信號不會干擾4~20mA的模擬信號，保證了與現有模擬系統的兼容性。

HART信號疊加原理如圖1所示。

圖1 HART信號疊加原理

通信介質的選擇以傳輸距離長短而定。通常采用雙絞同軸電纜作為傳輸介質時，最大傳輸距離可達到1.5Km。

第二層：數據鏈路層。規定了HART幀的格式，實現建立、維護、終結鏈路通訊的功能。HART協議根據冗余檢錯碼信息，采用自動重復請求發送機制，消除由于線路噪音或其他干擾引起的數據通訊出錯，實現通訊數據無差錯傳送。

第三層：應用層。為HART命令集，用于實現HART指令。命令分為三類，即通用命令、普通命令和專用命令。

3 系統硬件設計

變送器的硬件部分主要由以下幾部分組成：傳感器模塊、AD模塊、MCU模塊、通信模塊、鍵盤和顯示模塊。傳感器采集的壓力信號通過AD模塊、MCU模塊、通信模塊進行處理后，輸送到HART總線上或通過顯示模塊顯示。變送器的總體構成如圖2所示。

本設計采用片上靜電電容型傳感器，當有兩壓力作用于傳感器的兩側時，傳感器內部電容將隨壓力的大小而變化，通過測量電容變化便可知道壓力的大小。

傳感器電容變化信號通過震蕩電路，轉化為與壓力有關的電信號，該信號通過放大，調整后送入模數轉換器。本設計的模數轉換芯片采用AD7799。它是美國AD公司生產的三通道、低功耗、低噪聲、高精度模數轉換芯片。該芯片具有自動校準、系統校準和背景校準功能，可以消除零點誤差、滿量程誤差及溫度漂移的影響[3]。

本設計MCU微處理器采用MSP430F149高性能單片機，MSP430是TI公司生產的超低功耗16位FLASH單片機。AD7799輸出的數字信號輸入MSP430F149后，進行非線性化補償和溫度補償，再通過HART通信模塊輸出到HART總線回路上。

本設計HART通信模塊主要由D/A轉換電路和Bell202 MODEM及其附屬電路來實現。其中，DA轉換采用ADI公司推出的16位數字模擬變換器AD421，16位數字信號從其data引腳以串行方式輸入，4～20mA模擬電流從其looprtn引腳輸出。采用兩線路供電，AD421片內有電源調整器。電源調整器可提供+5V、+3.3V或+3V輸出電壓，還含有+1.25V、+2.5V基準電源，均可為其自身或其它電路選用。本設計中AD421通過LATCH、CLOCK和DATA與MCU進行串口通信[4]。

HT20C15是美國SMAR公司生產的一款HART專用調制解調器，傳送速率1200bps，采用半雙工工作方式。HT20C15與MCU交換數字信號，同時作為AD421的模擬信號接口。當從4～20mA環路上接收信號時，經過帶通濾波、放大整形后提取出FSK信號并解調為數字信號，將1200Hz的信號解調為“1”，將2200Hz的信號解調為“0”，傳送給MCU；發送時，從MCU接收數據，進行調制和波形整形后耦合到AD421內部，將“1”調制為1200Hz，將“0”調制為2200Hz，通過AD421疊加到環路上。

顯示模塊的實現：為滿足低功耗的要求，采用了點陣式液晶模塊。在MSP430的控制下，配合按鍵輸出相應的信息。

4 智能變送器的軟件設計

變送器的軟件系統結構分三個部份：主程序、測控程序和通信程序。其中主程序是核心部分，因為整個系統是在主程序的控制下工作的，它直接影響系統的工作和運行，基本組成如圖3所示。

主程序是整個儀器軟件的核心，上電復位后儀器首先進入主程序，主程序包括對系統中可編程器件輸入輸出口參數、定時器、異步串行通信口的初始化工作，以及實時中斷和處理模塊等功能。

測控程序主要是采集溫度/壓力的A/D信號，在進行非線性和溫度補償后輸出到HART總線上。

通信程序是HART協議數據鏈路層和應用層的軟件實現，包括通訊接收和通訊發送。

5 結語

本文設計的基于HART協議的智能壓力變送器可單機使用，也可與工業PC、HART手操器一起構成HART網絡，具有通信功能，可實現遠程實時監控。該變送器具有功耗低、兼容性好、實時性較強、可靠性高、成本較低等優點。

[1]范寬琳．我國壓力變送器的產品現狀和出路．自動化與儀表，2007.

[2]Smart International Corp．HART技術指南.

[3]劉煥成．基于HART協議的智能變送器設計．單片機與嵌入式系統應用．2001（6）.

[4]汪獻忠等.AD421在智能變送器中的應用.儀表技術與傳感器，2006，03.