基于HART協(xié)議的智能型壓力變送器的設(shè)計(jì)

曹 偉 顧麗

（哈爾濱理工大學(xué) 測控技術(shù)與通信工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150040）

1 引言

壓力變送器作為工業(yè)過程檢測和控制的基礎(chǔ)儀器使用廣泛，其發(fā)展總趨勢是數(shù)字化、智能化、高精度、高適應(yīng)性和高安全性。目前數(shù)字智能式變送器正在主導(dǎo)壓力變送器的發(fā)展方向，然而由于模擬現(xiàn)場儀表的大量使用，受原投資保值的限制，從傳統(tǒng)的壓力變送器到全數(shù)字智能壓力變送器的更新還需要很長一段時(shí)間[1]。為解決這一問題，本設(shè)計(jì)將引進(jìn)HART協(xié)議，在不改變原有設(shè)施的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)模擬信號和數(shù)字信號兼容通信。

2 HART協(xié)議的簡介

HART (Highway Addressable Remote Transducer)協(xié)議即可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道開放通信協(xié)議，是美國Rosement公司于1985年推出的一種用于現(xiàn)場智能儀表和控制室設(shè)備之間的通信協(xié)議。HART協(xié)議采用半雙工通訊，參考“ISO/OSI”的模型標(biāo)準(zhǔn)，簡化并應(yīng)用其中三層即：物理層，數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層，它能在現(xiàn)有模擬信號傳輸線上實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號通信，實(shí)現(xiàn)模擬信號和數(shù)字信號兼容[2]。

第一層：物理層。這層規(guī)定了信號的傳輸方法和傳輸介質(zhì)。HART協(xié)議采用BELL202標(biāo)準(zhǔn)的頻移鍵控技術(shù)FSK，即在4～20mA模擬信號上疊加幅度為0.5mA的正弦調(diào)制波，數(shù)字信號的傳送波特率設(shè)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(shù)字通信信號不會干擾4~20mA的模擬信號，保證了與現(xiàn)有模擬系統(tǒng)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(zhì)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(zhì)時(shí)，最大傳輸距離可達(dá)到1.5Km。

第二層：數(shù)據(jù)鏈路層。規(guī)定了HART幀的格式，實(shí)現(xiàn)建立、維護(hù)、終結(jié)鏈路通訊的功能。HART協(xié)議根據(jù)冗余檢錯(cuò)碼信息，采用自動重復(fù)請求發(fā)送機(jī)制，消除由于線路噪音或其他干擾引起的數(shù)據(jù)通訊出錯(cuò)，實(shí)現(xiàn)通訊數(shù)據(jù)無差錯(cuò)傳送。

第三層：應(yīng)用層。為HART命令集，用于實(shí)現(xiàn)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(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

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(jìn)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(gòu)成如圖2所示。

本設(shè)計(jì)采用片上靜電電容型傳感器，當(dāng)有兩壓力作用于傳感器的兩側(cè)時(shí)，傳感器內(nèi)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(zhuǎn)化為與壓力有關(guān)的電信號，該信號通過放大，調(diào)整后送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器。本設(shè)計(jì)的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采用AD7799。它是美國AD公司生產(chǎn)的三通道、低功耗、低噪聲、高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。該芯片具有自動校準(zhǔn)、系統(tǒng)校準(zhǔn)和背景校準(zhǔn)功能，可以消除零點(diǎn)誤差、滿量程誤差及溫度漂移的影響[3]。

本設(shè)計(jì)MCU微處理器采用MSP430F149高性能單片機(jī)，MSP430是TI公司生產(chǎn)的超低功耗16位FLASH單片機(jī)。AD7799輸出的數(shù)字信號輸入MSP430F149后，進(jìn)行非線性化補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償，再通過HART通信模塊輸出到HART總線回路上。

本設(shè)計(jì)HART通信模塊主要由D/A轉(zhuǎn)換電路和Bell202 MODEM及其附屬電路來實(shí)現(xiàn)。其中，DA轉(zhuǎn)換采用ADI公司推出的16位數(shù)字模擬變換器AD421，16位數(shù)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(nèi)有電源調(diào)整器。電源調(diào)整器可提供+5V、+3.3V或+3V輸出電壓，還含有+1.25V、+2.5V基準(zhǔn)電源，均可為其自身或其它電路選用。本設(shè)計(jì)中AD421通過LATCH、CLOCK和DATA與MCU進(jìn)行串口通信[4]。

HT20C15是美國SMAR公司生產(chǎn)的一款HART專用調(diào)制解調(diào)器，傳送速率1200bps，采用半雙工工作方式。HT20C15與MCU交換數(shù)字信號，同時(shí)作為AD421的模擬信號接口。當(dāng)從4～20mA環(huán)路上接收信號時(shí)，經(jīng)過帶通濾波、放大整形后提取出FSK信號并解調(diào)為數(shù)字信號，將1200Hz的信號解調(diào)為“1”，將2200Hz的信號解調(diào)為“0”，傳送給MCU；發(fā)送時(shí)，從MCU接收數(shù)據(jù)，進(jìn)行調(diào)制和波形整形后耦合到AD421內(nèi)部，將“1”調(diào)制為1200Hz，將“0”調(diào)制為2200Hz，通過AD421疊加到環(huán)路上。

顯示模塊的實(shí)現(xiàn)：為滿足低功耗的要求，采用了點(diǎn)陣式液晶模塊。在MSP430的控制下，配合按鍵輸出相應(yīng)的信息。

4 智能變送器的軟件設(shè)計(jì)

變送器的軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分三個(gè)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?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)是在主程序的控制下工作的，它直接影響系統(tǒng)的工作和運(yùn)行，基本組成如圖3所示。

主程序是整個(gè)儀器軟件的核心，上電復(fù)位后儀器首先進(jìn)入主程序，主程序包括對系統(tǒng)中可編程器件輸入輸出口參數(shù)、定時(shí)器、異步串行通信口的初始化工作，以及實(shí)時(shí)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(jìn)行非線性和溫度補(bǔ)償后輸出到HART總線上。

通信程序是HART協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層的軟件實(shí)現(xiàn)，包括通訊接收和通訊發(fā)送。

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的基于HART協(xié)議的智能壓力變送器可單機(jī)使用，也可與工業(yè)PC、HART手操器一起構(gòu)成HART網(wǎng)絡(luò)，具有通信功能，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。該變送器具有功耗低、兼容性好、實(shí)時(shí)性較強(qiáng)、可靠性高、成本較低等優(yōu)點(diǎn)。

[1]范寬琳．我國壓力變送器的產(chǎn)品現(xiàn)狀和出路．自動化與儀表，2007.

[2]Smart International Corp．HART技術(shù)指南.

[3]劉煥成．基于HART協(xié)議的智能變送器設(shè)計(jì)．單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用．2001（6）.

[4]汪獻(xiàn)忠等.AD421在智能變送器中的應(yīng)用.儀表技術(shù)與傳感器，2006，03.