HART協(xié)議智能變送器是HART協(xié)議在智能設(shè)備方面的重要應(yīng)用。那么本文將要以此為例，講解一下這部分的原理。首先我們需要了解一下智能變送器的概念和HART協(xié)議的油罐基礎(chǔ)知識。現(xiàn)場總線技術(shù)是當(dāng)前自動檢測技術(shù)的熱點(diǎn)之一｡從現(xiàn)場總線技術(shù)形成來看,它是控制､計(jì)算機(jī)､通信､網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果;而智能儀表則為現(xiàn)場總線的出現(xiàn)和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)｡自1983年Honeywell推出智能儀表--Smar變送器之后,世界各廠家都相繼推出各有特色的智能儀表｡為解決開放性資源的共享問題,從用戶到廠商都強(qiáng)烈要求形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),促進(jìn)現(xiàn)場總線技術(shù)的形成｡

目前,幾種有影響的現(xiàn)場總線技術(shù)有:基金會現(xiàn)場總線､LonWorks､Profibus､CAN､HART,除HART外,均為全數(shù)字化現(xiàn)場總線協(xié)議｡全數(shù)字化意味著將取消傳統(tǒng)的模擬信號的傳送方式,而要求每一個現(xiàn)場設(shè)備都具有智能及數(shù)字通信能力,使得操作人員或其他設(shè)備(傳感器､執(zhí)行器等)向現(xiàn)場發(fā)送指令(如設(shè)定值､量程､報警值等),同時也能實(shí)時地得到現(xiàn)場設(shè)備各方面的情況(如測量值､環(huán)境參數(shù)､設(shè)備運(yùn)行情況及設(shè)備校準(zhǔn)､自診斷情況､報警信息､故障數(shù)據(jù)等)｡

此外,原來由主控制器完成的控制運(yùn)算也分散到了各個現(xiàn)場設(shè)備上,大大提高了系統(tǒng)的可靠性和靈活性｡現(xiàn)場總線技術(shù)關(guān)鍵之處在于系統(tǒng)的開放性,強(qiáng)調(diào)對標(biāo)準(zhǔn)的共識與遵從,打破了傳統(tǒng)生產(chǎn)廠家各自獨(dú)立標(biāo)準(zhǔn)的局面,保證了來自不同廠家的產(chǎn)品可以集成到同一個現(xiàn)場總線系統(tǒng)中,并且可以通過網(wǎng)關(guān)與其他系統(tǒng)共享資源｡

目前,一方面現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)正處在完善和發(fā)展階段,另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)的基于4~20mA的模擬設(shè)備還在廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制信各個領(lǐng)域｡因此,馬上全數(shù)字化是不現(xiàn)實(shí)的｡為滿足從模擬到全數(shù)字的過渡,HART協(xié)議應(yīng)運(yùn)而生｡HART采用頻移鍵控(FSK)技術(shù)｡它基于Bell202通信標(biāo)準(zhǔn),在4~20mA模擬信號上疊加不同的頻率信號(2200Hz表示"0",1200Hz表示"1")來傳送數(shù)字信號｡HART協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸速率為1200bps(位/秒)｡

HART現(xiàn)場總線(簡稱HF)系統(tǒng)采用主從工作方式:主機(jī)為1臺IBM-PC機(jī);從機(jī)為1臺或多臺遵守HART協(xié)議的HF智能變送器｡當(dāng)從機(jī)只有1臺HF智能變送器,即智能變送器工作在點(diǎn)-點(diǎn)方式下時,可繼續(xù)使用傳統(tǒng)的4~20mA信號進(jìn)行模擬傳輸,而測量､調(diào)整和測試數(shù)據(jù)用數(shù)字方式傳輸;當(dāng)從機(jī)為多臺HF智能變送器時,即智能變送器工作在多站方式下時,4~20mA信號作廢,每臺變送器工作電流為4mA左右｡所有測量,調(diào)整和測試數(shù)據(jù)均用數(shù)字方式傳輸｡由于每臺HF變送器有惟一的編號,所以主機(jī)能對每一臺變送器進(jìn)行操作｡HART提供設(shè)備描述語言(DDL),以確保互操作性｡應(yīng)該指出,HART被認(rèn)為是事實(shí)上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn),但它本身并不算現(xiàn)場總線(模擬和數(shù)字的混合),只能說是現(xiàn)場總線的雛形,是一種過渡協(xié)議｡由于4~20mA模擬信號標(biāo)準(zhǔn)將在今后相當(dāng)長的時間內(nèi)存在,所以研究HART協(xié)議仍具有重要意義｡本文討論基于HART協(xié)議智能變送器的硬件實(shí)現(xiàn)的技術(shù)問題｡一是要解決微功耗的問題,二是要討論實(shí)現(xiàn)HART協(xié)議智能變送器通信功能的有效方法｡ 

一､功耗要求

為實(shí)現(xiàn)智能變送器的基本功能,如線性化處理､溫度補(bǔ)償､自動零點(diǎn)和量程調(diào)整及數(shù)字通信等,以下關(guān)鍵器件如微控制器､A/D､D/A､通信芯片及傳感器等是所必需的｡傳感器模擬量信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后送入單片機(jī),單片機(jī)將處理后的數(shù)字量通過D/A轉(zhuǎn)換器,經(jīng)V/I轉(zhuǎn)換電路輸出4~20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號｡在數(shù)字通信時,微處理器通過通信接口芯片及耦合電路,以4~20mA電流環(huán)路為介質(zhì)傳送和接收數(shù)據(jù)｡存儲器(memory),用來存儲傳感器的特性參數(shù)､現(xiàn)場命令､現(xiàn)場狀態(tài)等工作參數(shù)｡中心是Bell 202通信標(biāo)準(zhǔn)的HART調(diào)制解調(diào)器,并在信號的輸出端和輸入端分別加1個波形整形和帶通濾波器,用以加強(qiáng)通信的可靠性｡

1.功耗要求為兼容4~20mA現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn),HART協(xié)議智能變送器必須可工作在4~20mA兩線回路中｡這就意味可用來為變送器供電的電流不能超過4mA｡在實(shí)際應(yīng)用中,為兼容數(shù)字與模擬兩信號,通常將數(shù)據(jù)頻率信號通過V/I轉(zhuǎn)換電路的調(diào)整管,轉(zhuǎn)換為幅度為±0.5mA的頻率信號,疊加在兩線的4~20mA電流環(huán)上(2200Hz表示"0",1200Hz表示"1")｡由于對特性,此信號的平均值為0,因此模擬和數(shù)字兩種信號互不干擾｡但環(huán)路上電流瞬時最大值I=4.5mA,最小值I=3.5mA,如果向變送器供電過多,超過3.5mA,將導(dǎo)致數(shù)字信號負(fù)半周失真｡考慮到調(diào)節(jié)量所需的余量,要求對變送器供電電流一般不要超過3.4mA為好｡

2.供電方式給變送器系統(tǒng)供電主要有兩種方式:一是直接將輸入電壓穩(wěn)壓成所需電壓(5V或3.3V)后向系統(tǒng)供電,這種方法總電流必須控制在4mA以內(nèi),二是采用DC-DC供電方式,只要DC-DC變換器的效率足夠高,在功耗控制上它比第1種方法要寬松得多,但同時還需要考慮變換器的線性穩(wěn)定性因素可能帶來的負(fù)面影響｡由于目前微功耗､高性價比的集成電路出現(xiàn),采用方法一的優(yōu)越性更多,因?yàn)樵诠╇姺绞缴?2種方法都有需考慮對供電電壓的適應(yīng)問題｡一般工業(yè)現(xiàn)場多為DC 24V,也有DC36V供電的｡一般要求變送器能在DC12~42V供電電壓下穩(wěn)定､可靠地工作,這一方面直接供電方式要比DC-DC變換方式靈活得多｡ #p#

二､通信系統(tǒng)

1.通信芯片

SMAR公司生產(chǎn)的HT2012為貝爾202標(biāo)準(zhǔn)的單片機(jī)CMOS微功耗FSK調(diào)制解調(diào)器｡它是為設(shè)計(jì)過程控制儀器檢測和其他的低功率裝備中提供HART通信功能的專用芯片｡

HT2012由4個主要功能模塊組成:時鐘頻率､解調(diào)器､調(diào)制器､載波檢測｡ HT20l2需要460.8kHz外時鐘輸入,3~5V供電,低功耗(典型值40μA)[5]｡

HT2012調(diào)制解調(diào)器的半雙工的｡當(dāng)一個運(yùn)轉(zhuǎn)時,調(diào)制器和解調(diào)器中的另一個會被停止｡工作在Bell 202標(biāo)準(zhǔn),發(fā)送､傳送和接收調(diào)制位速率1200bps｡

HT2012使用1200Hz("1")和2200Hz("0")Bell 202信號頻率,CMOS､TTL兼容｡

TH2012具有載波檢測輸出端OCD,低電平有效,表示對方通信芯片準(zhǔn)備進(jìn)行載波發(fā)送,改進(jìn)了通信的實(shí)時性和靈活性｡另外,19.2kHz時鐘信號輸出,也為應(yīng)用提供了方便｡

2.D/A及V/I轉(zhuǎn)換器

為將數(shù)字頻率信號轉(zhuǎn)換為±0.5mA的頻率信號,疊加在兩線的4~20mA電流環(huán)上,還需要附加耦合電路,這樣必然會造成更多的功耗開銷｡而美國A/D公司的產(chǎn)品AD421[2],是專為HART協(xié)議智能儀表設(shè)計(jì)的,包括4~20mA電流環(huán)的16位D/A轉(zhuǎn)換器｡它與HART協(xié)議兼容,其開關(guān)電流源和濾波器功能塊,可HART電壓信號向±0.5mA電流信號的轉(zhuǎn)換,為應(yīng)用帶來方便｡

AD421基本性能:

(1)4~20mA輸出;

(2)HART協(xié)議兼容,能用于標(biāo)準(zhǔn)HARTFSK協(xié)議通信;

(3)16位分辨率;

(4)±0.01%積分的非線性;

(5)3V､3.3V或5V可調(diào)節(jié)電壓輸出及2.5V和1.25V精度參考,用于自身和系統(tǒng)其他器件;

(6)Vcc=5V供電時,750μA最大靜態(tài)電流,典型值為575μA;

(7)可編程報警電流功能,允許變送器發(fā)出電流超范圍警報,以表示轉(zhuǎn)換器的故障;

(8)靈活的高速串行接口｡

AD421有2種工作方式:4~20mA輸出方式和3.5~24mA報警輸出方式｡