hart 協(xié)議智能差壓變送器設(shè)計畢業(yè)論文

1、<p>　　?？粕厴I(yè)論文（設(shè)計）</p><p>　　中文題目HART 協(xié)議智能差壓變送器設(shè)計</p><p>　　2011年 10 月 30 日</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘要3</b></p><p><b

2、>　　第一章 緒論5</b></p><p>　　1·1現(xiàn)場總線的發(fā)展5</p><p>　　1·2 智能變送器的發(fā)展6</p><p>　　1·3目的與意義7</p><p>　　1·4本論文主要內(nèi)容7</p><p>　　第二章 HART 協(xié)議總

3、體剖析8</p><p>　　2·1 HART 協(xié)議概述8</p><p>　　2·2 HART通信結(jié)構(gòu)模型10</p><p>　　2·2·1 HART 協(xié)議物理層10</p><p>　　2·2·2 HART 數(shù)據(jù)鏈路層11</p><p>　　

4、2·2·3 應(yīng)用層12</p><p>　　2·2·4 各層間的功能關(guān)系12</p><p>　　2·3 HART 協(xié)議在智能變送器中的應(yīng)用12</p><p>　　第三章 智能差壓變送器的硬件設(shè)計16</p><p>　　3·1 系統(tǒng)設(shè)計方案16</p>

5、<p>　　3·2 HART通信模塊17</p><p>　　3·2·1 HART 的優(yōu)良特性17</p><p>　　3·2·2 HT2012 芯片的功能模塊17</p><p>　　3·3傳感器模塊18</p><p>　　3·4 MCU模塊18&l

6、t;/p><p>　　3·4·1 D/A轉(zhuǎn)換器19</p><p>　　3·4·2 A/D轉(zhuǎn)換器19</p><p>　　3·5基于HART協(xié)議智能差壓變送器的電路設(shè)計20</p><p>　　第四章 HART 協(xié)議差壓變送器的軟件設(shè)計24</p><p>　　4

7、·1 變送器的測控程序流程圖24</p><p>　　4·1·1 用戶測控程序總體流程圖24</p><p>　　4·1·2 參數(shù)設(shè)置流程圖26</p><p>　　4·2 HART 數(shù)據(jù)與發(fā)送通訊流程圖27</p><p>　　4·2·1 上位機(jī)數(shù)據(jù)采集

8、一次數(shù)據(jù)的程序流程圖27</p><p>　　4·2·2 變送器數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖29</p><p><b>　　結(jié)論31</b></p><p><b>　　致謝32</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)33</b></p>

9、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　國家“十五”計劃的全面啟動，給儀器儀表行業(yè)帶來新的增長點。據(jù)有關(guān)方面分析，僅西氣東輸?shù)谝黄诠こ叹托枰鞣N類型的流量、壓力、溫度儀表、調(diào)節(jié)控制儀表、分析儀器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和主控系統(tǒng)，估計達(dá)100億左右； 目前對儀器儀表行業(yè)產(chǎn)品綜合水平評價：達(dá)到國際八十年代中期水平，微電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)在儀器儀表產(chǎn)品中普遍采用，約15％的產(chǎn)品實現(xiàn)了智

10、能化，達(dá)到國際九十年代水平；30％的產(chǎn)品實現(xiàn)了數(shù)字化，達(dá)到國際八十年代末期水平，整體技術(shù)水平不高，綜合差距在15年左右。隨著國際上“四化”(數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、微型化)產(chǎn)品逐漸成為主流，差距還在拉大。主要表現(xiàn)：產(chǎn)品可靠性、穩(wěn)定性差的問題依然突出；重大工程項目產(chǎn)品成套率下降(由“八五”的80％下降到50％左)，高檔產(chǎn)品主要被國外產(chǎn)品占領(lǐng)，中檔產(chǎn)品面臨強(qiáng)烈沖擊，加入WT0以后，形勢將更加嚴(yán)峻。因此，研究出有自主知識產(chǎn)權(quán)的儀器儀表成為當(dāng)務(wù)

11、之急。HART協(xié)議的智能變送器作為模擬儀表向數(shù)字儀表的過渡產(chǎn)品，由于它在目前己成為事實上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，符合中國國情，加之它可為開發(fā)FF總線產(chǎn)品積累經(jīng)驗，因此仍具有開發(fā)價值。</p><p>　　兩線制HART智能差壓變送器的技術(shù)難點： 自身的電流不能超過3．5mA，這是典型的低功耗要求；數(shù)字信號在回路中的幅值要求，為1mA(峰—峰值)：變送器與手操器的通信。在我國研制出的第一臺HART智能變送器，已達(dá)到了國際先進(jìn)水

12、平。</p><p>　　關(guān)鍵詞: HART協(xié)議； 智能變送器； 現(xiàn)場總線</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　State "15" program into full swing, to the instrumentation industry to bring new growth.

13、 According to relevant analysis, only the first phase of the project on natural gas needs of various types of flow, pressure, temperature instrument, regulation and control instruments, analytical instruments, actuators

14、and main control system, estimated at 10 billion or so; current device Comprehensive Evaluation Instrument industry products: the mid-eighties to the international level, microelectronics and </p><p>　　2-wir

15、e HART Smart Transmitter technical difficulties: their current can not exceed 3.5mA, which is a typical low power requirements; digital signal amplitude in the loop requirements for 1mA (peak - peak): transmitter device

16、with the manual operator of the communication. Through the efforts developed the HART Smart Transmitter one to reach the domestic advanced level.</p><p>　　Keywords: HART protocol; Intelligent transmitter; Fi

17、eld bus</p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，非物理量的測試與控制技術(shù)，已越來越廣泛地應(yīng)用于航天、航空、交通運(yùn)輸、冶金、機(jī)械制造、石化、輕工、技術(shù)監(jiān)督與測試等技術(shù)領(lǐng)域，而且也正逐步引入人們的日常生活中去?？梢哉f，檢測技術(shù)與自動控制水平的高低，是衡量一個國家科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化程度的重要標(biāo)志。加之計算機(jī)、控制、通

18、信、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的迅猛發(fā)展，這些不同方面、不同層次的發(fā)展，使得作為工業(yè)控制數(shù)字化、智能化與網(wǎng)絡(luò)化典型代表的現(xiàn)場總線技術(shù)也得到了迅速發(fā)展，使計算機(jī)控制系統(tǒng)逐步從集散控制系統(tǒng)走向以現(xiàn)場總線為基礎(chǔ)的分布式現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，被譽(yù)為工業(yè)自動化領(lǐng)域具有革命性的新技術(shù)?，F(xiàn)場總線是當(dāng)今自動化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點之一。我們要進(jìn)行HART變送器的研究，就要必須對現(xiàn)場總線的發(fā)展進(jìn)行初步了解。</p><p>　　1·1現(xiàn)場總線的

19、發(fā)展</p><p>　　現(xiàn)場總線技術(shù)是當(dāng)前自動檢測技術(shù)的熱點之一。從現(xiàn)場總線技術(shù)形成來看，它是控制、計算機(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：

20、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。</p><p>　　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、

21、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?，F(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。</p><p>　　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)

22、用于工業(yè)控制各個領(lǐng)域。因此，馬上全數(shù)字化是不現(xiàn)實的。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

23、能變送器工作在點-點方式下時，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)為是事實上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但它本

24、身并不算現(xiàn)場總線（模擬和</p><p>　　1·2 智能變送器的發(fā)展</p><p>　　HART 協(xié)議廣泛應(yīng)用在現(xiàn)代檢測技術(shù)中，而變送器的發(fā)展直接影響到HART協(xié)議的發(fā)展。變送器是工業(yè)生產(chǎn)過程中的重要檢測設(shè)備，廣泛用于工業(yè)中的壓力、差壓、流量、液位等工藝的檢測，是工業(yè)自動化控制的基本數(shù)據(jù)來源。50年代工業(yè)企業(yè)開始使用氣動變送器，60年代使用電I型變送器，70年代使用電II型變

25、送器，80年代使用電III型變送器。到目前為止，大量使用的智能變送器。經(jīng)過這么多年的發(fā)展，變送器已達(dá)到高精度，高可靠性、小型化，并且具有完善自診斷和通信功能。</p><p>　　智能變送器具有檢測某種變量如壓力、溫度等，以及把檢測結(jié)果傳送出去的功能。自1983年Honeywell推出智能儀表—Smar變送器之后，世界各廠家相繼推出各有特色的智能儀表，如Rosemount的1151Smart，Moore產(chǎn)品公司的

26、Mycro XTC,LeeEengineering公司的Smar LD301等產(chǎn)品。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)一的標(biāo)準(zhǔn)，促使現(xiàn)場總線技術(shù)的形成。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)。</p><p>　　經(jīng)過近20年的發(fā)展，智能變送器的發(fā)展更趨完善，功能增強(qiáng)和多樣化，它們具有變送、控制、故障診斷及過程報警燈功能。隨著單片機(jī)、集成電路等各項電子和通訊行業(yè)的發(fā)展，智能變送器將向著更

27、智能化、小型化的方向發(fā)展。</p><p><b>　　1·3目的與意義</b></p><p>　　隨著微處理技術(shù)的飛速發(fā)展以及現(xiàn)場總線技術(shù)的不斷完善，現(xiàn)場總線產(chǎn)品以其完善的功能和突出的特點必將為市場接受，現(xiàn)場總線差壓變送器取代傳統(tǒng)的差壓變送器已成必然。但目前占主導(dǎo)地位的分散型控制系統(tǒng)（DCS）要轉(zhuǎn)化為現(xiàn)場控制總線控制系統(tǒng)（FCS），儀表制造商和用戶均需要

28、一個過渡期。HART協(xié)議作為過渡協(xié)議，具有極強(qiáng)的市場競爭能力和生命力。因此對制造商來說，根據(jù)HERT協(xié)議的要求，對現(xiàn)在的模擬現(xiàn)場儀表進(jìn)行智能化改造，在技術(shù)上是可行的，經(jīng)濟(jì)上節(jié)省了開發(fā)投入，在商品化所需時間上是較短的。對于用戶來說，采用此類產(chǎn)品及改造的控制系統(tǒng)，技術(shù)上易于掌握，經(jīng)濟(jì)上有利于充分利用已有裝備潛在價值。此外，F(xiàn)F協(xié)議產(chǎn)品的全面運(yùn)用，也尚需時日。</p><p>　　首先開發(fā)采用HART協(xié)議的智能差壓變送

29、器，推動國產(chǎn)HART差壓變送器盡快投放市場，并為開發(fā)采用FF協(xié)議的智能差壓變送器及現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)提供實踐經(jīng)驗和贏得時間。HART協(xié)議智能差壓變送器的研究必將取得開發(fā)成功將為我們在技術(shù)上趕上發(fā)達(dá)國家技術(shù)水平提供可能，也能為我們在WTO的框架下，產(chǎn)品競爭能力的提高提供有效地手段。同時也能為我國自動化領(lǐng)域提供最新的高技術(shù)產(chǎn)品，滿足我國對現(xiàn)場總線產(chǎn)品的需求。</p><p>　　1·4本論文主要內(nèi)容</

30、p><p>　　課題的主要任務(wù)是將微處理技術(shù)和HART協(xié)議通訊技術(shù)引入差壓變送器中，實現(xiàn)高精度、多功能的的可編程兩線制HART協(xié)議智能差壓變送器，利用微處理器強(qiáng)大的功能實現(xiàn)變送器的線性補(bǔ)償，自適應(yīng)校正、自診斷、通信等智能化功能；遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程調(diào)試，從而使它運(yùn)行更加可靠，使用更靈活，維護(hù)更方便。采用通信數(shù)字信號、4—20mA模擬信號、電源同線傳送而互不干擾，使安裝、布線更為方便節(jié)約。其中要解決的主要問題有：核心芯片的選

31、取，整個系統(tǒng)方案的確定，各個模塊之間的連接對系統(tǒng)進(jìn)行可行性分析，功耗等問題的解決。。論文整體分為四章，具體如下：</p><p>　　第一章緒論，綜述了現(xiàn)場總線的發(fā)展、智能變送器的發(fā)展和各自的特點。</p><p>　　第二章詳細(xì)介紹了HART通信協(xié)議及其應(yīng)用，它的體系結(jié)構(gòu)以及物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層的技術(shù)規(guī)范和各個層所完成的功能及在變送器中的應(yīng)用。</p><p&g

32、t;　　第三章論述了差壓變送器的硬件原理。</p><p>　　第四章涉及到軟件的思路及設(shè)計。</p><p>　　最后是我對整個設(shè)計的體會和總結(jié)。</p><p>　　第二章 HART 協(xié)議總體剖析</p><p>　　2·1 HART 協(xié)議概述</p><p>　　HART協(xié)議，即Highway Add

33、ressable Remote Transducer Protocol,可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速公路的簡稱，其定義一句話慨括是在4—20mA的模擬信號上疊加FSK數(shù)字信號，可以傳輸模擬和數(shù)字兩種信號。對與日益增加的智能化現(xiàn)場儀表的模擬—數(shù)字混合通信來說，HART協(xié)議已經(jīng)成為事實上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。HART通信不需要增加布線，可以通過現(xiàn)存的連線進(jìn)行，由于允許模擬信號和數(shù)字信號的并存，所以當(dāng)在數(shù)字通信上花費(fèi)時間而增加測量延遲的時侯，HART通信可以用

34、模擬信號來實現(xiàn)控制。在純數(shù)字通信的情況下，HART協(xié)議允許采用多點模式，即將多個現(xiàn)場儀表連接到一對導(dǎo)線上，通過智能儀表分別讀取各個變送器的數(shù)據(jù)。</p><p>　　很多年以來，傳統(tǒng)4—20mA信號一直成為現(xiàn)場信號傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)，在自動化設(shè)備之間信息通信受到了極大地限制，僅能的到與過程變量成正比的電流信號，而HART是將1200波特率的頻移鍵控FSK信號加載在4—20MA的模擬信號以進(jìn)行通信，，它的均值為0，并且這個

35、FSK信號對模擬信號毫無影響，如圖2.1所示。在純數(shù)字通信中，HART最多可以允許加載15個現(xiàn)場設(shè)，HART協(xié)議為了在信號衰減的情況下繼續(xù)通信，面對接收器和發(fā)送器的靈敏度做了特別的規(guī)定，這樣也減少了干擾和碼間串?dāng)_的可能性。</p><p>　　圖2.1 HART數(shù)字通信</p><p>　　HART協(xié)議的顯著特性之一就是它可以同時進(jìn)行模擬和數(shù)字兩種通訊。許多年以來，設(shè)備使用的現(xiàn)場通訊標(biāo)準(zhǔn)是

36、4—20mA模擬電流信號。在大多數(shù)應(yīng)用中，它們用4—20mA之間的值成比例的來表示參數(shù)。而HART協(xié)議不僅傳輸過程參量。還利用模擬信號上疊加的數(shù)字信號來傳輸控制信號。這樣，HART協(xié)議就可以支持大多數(shù)智能設(shè)備和大量存在的模擬設(shè)備。從圖中我們可以看到，HART協(xié)議使用bell202頻移鍵控標(biāo)準(zhǔn)，在4—20mA基礎(chǔ)疊加低電平的數(shù)字信號。數(shù)字FSK信號的平均值為0。圖中的邏輯“1”由1200Hz頻率代表，邏輯“0”由2200Hz代表。信息傳輸

37、速率是1200波特率。</p><p>　　HART屬于模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉(zhuǎn)變過程中的過渡產(chǎn)品，因此在當(dāng)前的過渡時期具有較強(qiáng)的市場競爭能力，得到了較快的發(fā)展。HART協(xié)議提供相對較低的帶寬和中等響應(yīng)時間的通信，其典型應(yīng)用包括遠(yuǎn)程過程變量查詢、參數(shù)設(shè)定和對話。為滿足工業(yè)過程對HART協(xié)議的日益需求，1990年成立HART通訊基金會，它是一個獨立的、非盈利機(jī)構(gòu)。主要職責(zé)是制定、維護(hù)升級HART協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。登記注冊會員、

38、提供對應(yīng)用HART技術(shù)在全球范圍內(nèi)的技術(shù)支持和培訓(xùn)。作為一個開放式協(xié)議，HART已成為智能儀表事實上的現(xiàn)場總線工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并得到了廣泛的應(yīng)用。目前，世界上已有100多家公司采納了這一協(xié)議，其中有許多如Rosement,Foxboro,Smar,ABB,Moore,Honeywell等等，共生產(chǎn)了近600種HART協(xié)議設(shè)備，幾乎覆蓋了所有種類的過程測量儀表和執(zhí)行設(shè)備。</p><p>　　HART協(xié)議的優(yōu)良特性表現(xiàn)在

39、以下兩個方面：</p><p><b>　　先進(jìn)的通信協(xié)議</b></p><p>　　隨著工業(yè)現(xiàn)場總線的出現(xiàn)，各種支持現(xiàn)場總線的傳輸協(xié)議廣泛的被用到工業(yè)生產(chǎn)的各個方面，HART協(xié)議的智能過程中采用的一種先進(jìn)通信技術(shù)，兼容模擬與數(shù)字信號傳輸，現(xiàn)在，越來越多的智能設(shè)備的通信都采用HART協(xié)議。</p><p>　　(2)適應(yīng)于當(dāng)今的獨特的通信方式

40、</p><p>　　HART協(xié)議是一種過渡時期的協(xié)議，這個過渡時期是指由模擬向數(shù)字通信的轉(zhuǎn)變時期，過去存在的大量的現(xiàn)存的模擬傳輸線路和設(shè)備不可能立即取消，而大量的數(shù)字化的儀表又不斷出現(xiàn)。HART協(xié)議為今天大量存在的傳統(tǒng)的模式設(shè)備對今后數(shù)字設(shè)備的兼容性提出了獨特的通信方案，這種方案確保了現(xiàn)場的基于模擬的電纜設(shè)備和電流控制策略還可以很好的應(yīng)用于將來的數(shù)字設(shè)備。</p><p>　　HART協(xié)

41、議之所有適應(yīng)于當(dāng)今，是因為它在進(jìn)行雙向數(shù)字通信的同時傳輸4—20mA的模擬信號，數(shù)字通信提供了現(xiàn)場智能設(shè)備的需要，而4—20MaA的模擬信號又支持著傳統(tǒng)的儀器設(shè)備。HART協(xié)議獨特的通信方式是基于對4—20mA模擬信號的充分考慮，向過程測量和控制設(shè)備提供了兩種數(shù)字通信方式。它的應(yīng)用包括遠(yuǎn)距離過程變量查詢、過程數(shù)據(jù)的循環(huán)接入、參數(shù)設(shè)置和診斷。</p><p>　　2·2 HART通信結(jié)構(gòu)模型</p&

42、gt;<p>　　HART 通信結(jié)構(gòu)模型是以國際化組織的開放式互連模型為參照，為分三層，即對應(yīng)于OSI的應(yīng)用層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層（見圖2.2）</p><p>　　圖2.2 HART通信結(jié)構(gòu)模型</p><p>　　HART 協(xié)議規(guī)定了對實體之間的通信規(guī)則，并通過上下層的接口服務(wù)，實現(xiàn)HART 通信模式，以這樣的模式，可以在主設(shè)備與現(xiàn)場設(shè)備之間建立通信連接。</p&g

43、t;<p>　　2·2·1 HART 協(xié)議物理層</p><p>　　物理層規(guī)定了信號的傳輸方法、信號電平、設(shè)備阻抗和傳輸介質(zhì)。HART 信號傳輸時基于Bell 202通信標(biāo)準(zhǔn)，采用FSC 方法，數(shù)字信號的傳送波特率設(shè)為1200bps，數(shù)字信號“0”和“1”分別用2200Hz和1200Hz的正弦波表示，這些頻率的正弦波疊加在模擬信號上一起傳送。如圖2.3。由于正弦信號的平均值為0

44、，對模擬信號不會產(chǎn)生影響。HART信號要被智能設(shè)備檢出，必須具有0.25V（峰-峰值）以上的電平，因此兩線制智能設(shè)備與電源之間至少要有250 以上的電阻，以免這一信號被電源的低阻抗所短路。多數(shù)現(xiàn)有電纜都可以用于HART通信，但最好采用直徑大于0.5mm的電纜。限制信號傳輸距離的主要因素是電阻、電感與分布電容對信號的衰減。通常采用雙絞線同軸電纜作為傳輸介質(zhì)，單臺距離可達(dá)3000m，而多臺互連最大傳輸距離可達(dá)1500m。這應(yīng)該能滿足大部分用

45、戶的需求了。</p><p>　　圖2.3 HART 調(diào)制頻率信號</p><p>　　2·2·2 HART 數(shù)據(jù)鏈路層</p><p>　　HART采用異步傳行通信，數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定了通信數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)，每個字符由11位組成，其中包括：</p><p><b>　　1 bit 起始位</b></p&

46、gt;<p><b>　　8 bit 數(shù)據(jù)位</b></p><p>　　1 bit 奇偶校驗位</p><p><b>　　1 bit 停止位</b></p><p>　　不僅每個字節(jié)有奇偶校驗，每個完整的數(shù)據(jù)幀還用一個字節(jié)進(jìn)行縱向校驗。HART數(shù)據(jù)幀格式如下圖2.4所示，其中HART數(shù)據(jù)項長短并不恒定，最

47、多可包括25個字節(jié)，數(shù)據(jù)形式可為無符號整型數(shù)、符點數(shù)或ASCII字符串。</p><p>　　圖2.4 HART 協(xié)議數(shù)據(jù)幀格式</p><p><b>　　2·2·3 應(yīng)用層</b></p><p>　　HART應(yīng)用層規(guī)定了HART命令，智能設(shè)備從這些命令中辨識對方信息的含義。這些命令分為三類：通用命令（Universal

48、 Commands），普通應(yīng)用命令（Common-Practice Commands）及專用命令（Device-Specific Commands）。第一類命令是通用的，對所有遵從HART協(xié)議的智能設(shè)備都適用。例如，讀制造廠名及產(chǎn)品型號，讀過程變量及單位等。</p><p>　　第二類命令對大多數(shù)智能設(shè)備都適用，但不要求完全一樣；適用于常用的操作，如寫時間數(shù)量、量程標(biāo)定等。</p><p>

49、;　　第三類命令是針對各種具體設(shè)備的特殊性而設(shè)立的，因而，它不要求統(tǒng)一。HART通信協(xié)議允許兩種通信模式：第一種是“問答式” ，即主設(shè)備向從設(shè)備發(fā)出命令，從設(shè)備給予回答，每秒鐘可以變換兩次數(shù)據(jù)；第二種是“成組模式” ，即無需主設(shè)備發(fā)出請求而從設(shè)備自動地連續(xù)發(fā)出數(shù)據(jù)，傳輸速率提高到每秒3.7次，但只適用于“點對點”的連接方式，而不適用于多站連接方式。</p><p>　　2·2·4 各層間的功能

50、關(guān)系</p><p>　　物理層的基本任務(wù)是為數(shù)據(jù)傳輸提供合格的物理信號波形，且直接與傳輸介質(zhì)連接。物理層作為電氣接口，一方面接受來自數(shù)據(jù)鏈路層的信息，把它轉(zhuǎn)換為物理信號，并且傳送到現(xiàn)場總線的傳輸媒體上，起到發(fā)送驅(qū)動器的作用；另一方面把來自總線傳輸媒體的物理信號轉(zhuǎn)換為信號送往數(shù)據(jù)鏈路層，起到接收器的作用，當(dāng)它收到來自數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)信息時，需按照HART 協(xié)議規(guī)范對數(shù)據(jù)幀加上前導(dǎo)碼與定界符等，并對其實行數(shù)據(jù)編碼，

51、在經(jīng)過發(fā)送驅(qū)動器，把所產(chǎn)生的物理信號傳送到總線的傳輸媒體上。；另一方面，它又從總線上接收來自其他設(shè)備的物理信號，對其去除前導(dǎo)碼、定界符，并進(jìn)行解碼，把數(shù)據(jù)信息送往數(shù)據(jù)鏈路層。而數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定了物理層和應(yīng)用層之間的接口，該層還控制對傳輸介質(zhì)的訪問，決定是否可以訪問、何時可以訪問。</p><p>　　2·3 HART 協(xié)議在智能變送器中的應(yīng)用</p><p>　　HART 作為一種

52、協(xié)議應(yīng)用在智能差壓變送器中，其作用是將客戶端可以將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計算得到有用的數(shù)值，發(fā)送回下位機(jī)，或者將下位機(jī)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)送回上位機(jī)。下面就智能差壓變送器的命令采集及發(fā)送進(jìn)行說明。</p><p><b>　　命令及命令的格式</b></p><p>　　標(biāo)準(zhǔn)的HART協(xié)議命令格式如下表所示：</p><p>　　讀設(shè)備序號命令

53、格式說明如下：</p><p>　　由于要確保待發(fā)的命令完整的發(fā)送，我們特意在標(biāo)準(zhǔn)命令格式序文前加了一個起始位“23”和在校驗位后加了一個結(jié)束符“40”。</p><p>　　例如：發(fā)送讀取設(shè)備序號命令 23 FF FF FF FF FF 02 80 00 00 82 40</p><p>　　命令注解如下表所示：</p><p>　　返回

54、的命令格式如下表所示：</p><p>　　返回的數(shù)據(jù)為： FF FF FF FF FF 06 80 00 0E 00 40 FE 50 7F 06 05 01 01 08 00 6B 73 3A 30</p><p>　　返回數(shù)據(jù)命令注解如下表所示：</p><p>　　返回數(shù)據(jù)6B 73 3A就是這臺設(shè)備的序號。</p><p>　　起始

55、位和結(jié)束符只在發(fā)送命令時確定命令的完整發(fā)送，它不改變命令本身，更不會影響數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。</p><p>　　發(fā)送讀取壓力動態(tài)變量命令</p><p>　　命令格式說明如下表所示：</p><p>　　返回的數(shù)據(jù)為： FF FF FF FF FF 86 90 7F 6B 73 3A 03 15 00 40 40 D4 E0 00 2D 3E 09 1C 2D 2D 3E

56、 92 E3 9E </p><p>　　返回數(shù)據(jù)命令注解如下表所示：</p><p><b>　　返回數(shù)據(jù)計算</b></p><p>　　經(jīng)過反復(fù)實驗和推理論證而推導(dǎo)出了基于HART協(xié)議數(shù)據(jù)的計算公式。</p><p>　　下面以電流為例加以說明。</p><p><b>　　電流值

57、的計算：</b></p><p>　　dlH=((parseddataHart[13]+parseddataHart[12]*256.0+(parseddataHart[11] & 127) * 65536.0))/8388608.0 +1);</p><p>　　dlD=(((parseddataHart[10]*1) & 127) * 256 + ((par

58、seddataHart[11]*1) & 128)) / 128–127）;</p><p>　　啟動串口調(diào)試程序或者由上位機(jī)發(fā)送相關(guān)的命令進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，客戶端可以將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計算得到有用的數(shù)值。</p><p>　　將計算所得的數(shù)據(jù)送到相應(yīng)的存儲區(qū)，客戶可以根據(jù)自己的需要來處理這些數(shù)據(jù)。也可以根據(jù)自己的需要來提取有用的數(shù)據(jù)量，具體的讀取命令，需參閱相關(guān)的技術(shù)書籍。<

59、;/p><p>　　第三章 智能差壓變送器的硬件設(shè)計</p><p>　　3·1 系統(tǒng)設(shè)計方案</p><p>　　圖3.1系統(tǒng)總體設(shè)計圖</p><p>　　本設(shè)計的采用模塊設(shè)計，整個過程包括5個部分：供電模塊、HART通信模塊、傳感器模塊、MCU模塊、LED模塊。變送器種類繁多所涉及的領(lǐng)域十分廣，而且技術(shù)更新也層出不窮，結(jié)構(gòu)各有千

60、秋，本章要重點介紹的是基于HART協(xié)議的差壓變送器的硬件設(shè)計。該變送器可以完成多個參數(shù)檢測。采用抗干擾能力強(qiáng)，通信速率高，傳輸數(shù)據(jù)精度高的HART協(xié)議模塊電路完成變送器的數(shù)據(jù)輸出，它既有總線通信的抗干擾力強(qiáng)的特點，又具有變送器輸出信號為二線制4—20mA的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。</p><p>　　智能變送器的總體設(shè)計要實現(xiàn)低功耗。由于接入HART總線4～20mA環(huán)路中的智能變送器是從HART總線4—20mA電流環(huán)路上吸收直

61、流且還要對網(wǎng)絡(luò)提供工作電源的A類設(shè)備，因此意味著智能儀表供電的電流不能超過4mA。在實際應(yīng)用中，為了兼容數(shù)字和模擬兩種信號，通常將數(shù)字信號通過V/I轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成幅度為±O.5mA的音頻數(shù)字信號(1200Hz表示“1”，2200Hz表示“O”)，疊加在4—20mA電流環(huán)上。由于對稱性，此信號的平均值為O，因此模擬和數(shù)字信號互不干擾。但是，環(huán)路上的最大電流瞬時值Imax=4.5mA，最小值Imin=3.5mA，如果向變送器供電過

62、多(超過 3.5mA)，將導(dǎo)致數(shù)字信號負(fù)半周失真，考慮一定的余量，要求對變送器的供電電流不超過3.4mA。所以在元器件的選擇上要充分考慮如何降低功耗。</p><p>　　3·2 HART通信模塊</p><p>　　通信模塊是本設(shè)計的一個重點。SMAR公司生產(chǎn)的一款HART信號調(diào)制解調(diào)器專用芯片HT2012是一款符合Bell 202標(biāo)準(zhǔn)的單片COMS 低功耗FSK調(diào)制解調(diào)器，同

63、類產(chǎn)品還有HT2013,SYM20C15等。</p><p>　　3·2·1 HART 的優(yōu)良特性</p><p>　　SMAR 公司生產(chǎn)的 HT2012 是一種工作在 Bell202 標(biāo)準(zhǔn)下的半雙工 HERT Modem,是采用FSC 技術(shù)的 CMOS 低功耗調(diào)制解調(diào)器。HT2012 芯片用來實現(xiàn) HART 協(xié)議中通信信號的調(diào)制過程，為過程儀表和其他低功耗設(shè)備提供 H

64、ART 通信能力。 HT2012的傳輸速率1200bit/s, 工作頻率為1200Hz和2200Hz，HT2012的特性為：</p><p>　　工作在Bell 202標(biāo)準(zhǔn)下，通信率為1200bit/s;</p><p>　　工作頻率為1200—2200Hz；</p><p>　　低功耗（最大為40uA）；</p><p><b>

65、　　載波監(jiān)聽功能；</b></p><p>　　頻移鍵控技術(shù)（FSK）；</p><p>　　1200波特率的接受和發(fā)送頻率；</p><p>　　3—5V的工作電壓；</p><p>　　與CMOS 和DTL 電路相兼容；</p><p><b>　　最優(yōu)良的伏安特性；</b><

66、;/p><p>　　使用CMOS 技術(shù)制作，16和28腳封裝。</p><p>　　3·2·2 HT2012 芯片的功能模塊</p><p>　　T2012的主要功能可以分為4個模塊：時鐘模塊、解調(diào)器模塊、調(diào)制器模塊、載體檢測模塊。圖3.2給出了是HT2012中所有的功能模塊和它們之間的控制關(guān)系。</p><p>　　HT20

67、l2需要460.8kHz外時鐘輸入，3～5V供電，低功耗（典型值40μA）。</p><p>　　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。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。

68、</p><p>　　圖3.2 HT2012的功能模塊</p><p><b>　　3·3傳感器模塊</b></p><p>　　傳感器模塊主要包括傳感器橋路，如圖3.3所示，其中，電阻R20的溫度系數(shù)應(yīng)不大于50PPM／℃。</p><p>　　圖3.3 傳感器模塊</p><p>&

69、lt;b>　　3·4 MCU模塊</b></p><p>　　MCU模塊主要由微處理器XE8A8LC05A和非易失性存儲EEPROM93AA76C組成，其中，XE8A8LC05A內(nèi)置12位A/D轉(zhuǎn)換器和 10位D/A轉(zhuǎn)換器。傳感器模塊輸出的壓力和溫度信號經(jīng)整形和帶通濾波電路后，分別接至微處理器內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換器的兩個通道，并且使用傳感器電橋供電電壓作為A/D轉(zhuǎn)換器的參考電壓，以排除電橋

70、不穩(wěn)定所造成的誤差。在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后，再由CPU進(jìn)行線性化處理、量程轉(zhuǎn)換、阻尼處理等運(yùn)算，最后通過微處理器內(nèi)置的D/A轉(zhuǎn)換器把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成電流信號輸出。EEPROM用來保存所有組態(tài)、特征化和數(shù)字微調(diào)數(shù)據(jù)。</p><p>　　3·4·1 D/A轉(zhuǎn)換器</p><p>　　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

71、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，是專為HART協(xié)議智能儀表設(shè)計的，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。</p><p>　　AD421基本性能：</p><p>　?。?）4～20mA輸出</p>&

72、lt;p>　?。?）HART兼容，能用于標(biāo)準(zhǔn)HART FSK協(xié)議通信；</p><p>　?。?）16位分辨率；</p><p>　　（4）±0.01%積分的非線性；</p><p>　　（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；</p><p>　?。?）Vcc=5V供電

73、時，750μA最大靜態(tài)電流，典型值為575μA；</p><p>　?。?）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</p><p>　　（8）靈活的高速串行接口。</p><p>　　AD421有2種工作方式：4～20mA輸出方式和3.5～24mA報警輸出方式 </p><p>　　3·4&#

74、183;2 A/D轉(zhuǎn)換器</p><p>　　為實現(xiàn)智能變送器的功能，在電路硬件設(shè)計上，需要1個增益可調(diào)的儀表放大器和1個分辨率至少在14位的A/D轉(zhuǎn)換器，來實現(xiàn)對傳感器信號的放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換。這樣才能達(dá)到智能變送器的高精度、自動調(diào)節(jié)量程、大量程比的設(shè)計要求。對智能差壓變送器，還需要對靜壓和溫度進(jìn)行采樣，從而實現(xiàn)對靜壓和溫度的補(bǔ)償，提高全范圍的測量精度。這樣，還需要1個多路轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)通道間的切換。如果選用分立元件，

75、必然會有相當(dāng)大的功耗引入，難以滿足HART協(xié)議智能變送器功耗要求。某些大公司為兼容4～20mA的智能變送器設(shè)計了專用A/D轉(zhuǎn)換器，如MAXIM公司的MAX1400和AD公司的AD7714。其共同點是將增益可調(diào)的儀表放大器、多路轉(zhuǎn)換器和A/D轉(zhuǎn)換器集成在1個芯片中，功耗在幾百μA左右，為實現(xiàn)HART協(xié)議智能變送順提供了方便。</p><p>　　MAX1400基本性能：</p><p>　　

76、（1）MAX1400為低功耗、多通道、帶SPI同步串行口的∑/Δ A/D轉(zhuǎn)換器；</p><p>　?。?）18位分辨率；</p><p>　?。?）3個全差分或5個準(zhǔn)差分信號輸入通道；</p><p>　?。?）可編程PGA，選定增益分別為（1，2，4，8，16，32，64或128）；</p><p>　　（5）AIN1～AIN6可組成3個

77、全差分輸入通道，也可以組合成5個準(zhǔn)差輸入通道；</p><p>　?。?）2個額外的全差分系統(tǒng)校正通道CALOFF和CALGAIN用來作為失調(diào)和增益誤差的校正；</p><p>　?。?）MAX1400內(nèi)的2個漂移補(bǔ)償緩沖器，用于隔離所選輸入和PGA及調(diào)制器的電容性負(fù)載的聯(lián)系。當(dāng)V+為5V供電時，MAX1400的參考輸入為2.5V，模擬輸入的變化范圍為-Vimax～+Vimax。Vimax

78、=5÷（2×GAIN）。</p><p>　　3·5基于HART協(xié)議智能差壓變送器的電路設(shè)計</p><p>　　圖3.4為HART協(xié)議智能差壓變送器的電路原理圖。電路所用集成電路為上面所提及的，其特點為：集成度高、性/價比好、功耗低、功能強(qiáng)。片間的數(shù)據(jù)通信采用MOTOROLA公司推出的同步串行外圍接口SPI（Serial Peripheral Interfa

79、ce），同優(yōu)點是占用MCU資源小，可根據(jù)系統(tǒng)的大小隨著擴(kuò)充。在實際應(yīng)用中，單片機(jī)可方便地與帶SPI接口的集成電路芯片如A/D、D/A、數(shù)據(jù)存儲器等連接。由于單片機(jī)PIC16C73帶有SPI串行總線硬件接口，使數(shù)據(jù)通信速度更高，使用更靈活。</p><p>　　A/D轉(zhuǎn)換器MAX1400的2個全差分通道AIN1、AIN2和AIN3、AIN4分別對差壓傳感器TRS1、靜壓傳感器TRS2進(jìn)行厝數(shù)轉(zhuǎn)換。AIN5和AIN6

80、組成準(zhǔn)差分輸入通道對TRS1的恒流輸入進(jìn)行監(jiān)測。傳感器均為半導(dǎo)體壓阻傳感器，壓阻傳感器的特點是它的每個橋臂電阻都比較大，一般為2kΩ，以下均假設(shè)它們的橋臂電阻值為2kΩ。采用恒流供電，可以進(jìn)一步減小傳感器的非線性和溫度對傳感器輸出靈敏度的影響。實驗得知，壓力和差壓傳感器的等效電阻值在全溫度范圍內(nèi)（0～70℃）的變化量是全量程內(nèi)壓力或差壓所引起的等效電阻值變化的100倍左右，因此，AIN5所測得的A/D值可以對整個變送器進(jìn)行溫度補(bǔ)償。為提

81、高變送器的測量精度，須對靜壓給差壓帶來的誤差進(jìn)行補(bǔ)償，所以電路中設(shè)計了全差分通道AIN3、AIN4對靜壓傳感器TRS2進(jìn)行監(jiān)測，從而可實現(xiàn)對靜壓的補(bǔ)償。</p><p>　　HART通信模塊由HT2012和波形整形電路及帶通濾波器組成。整形電阻由74HC126（4個三態(tài)輸出緩沖器）組成，并能通過2個750Ω電阻及2.2μF的耦合電容，將整形后的HT2012發(fā)出的電壓信號輸入到AD421的開關(guān)電流源和濾波器功能塊中

82、，可實現(xiàn)HART電壓信號由±0.5mA電流信號的轉(zhuǎn)換。帶通濾波器由圖4中細(xì)線框中的2個運(yùn)算放大器及電阻、電容組成。它將4～20mA環(huán)路上的±0.5mA HART電流信號轉(zhuǎn)換為HART電壓信號，經(jīng)HT2012解調(diào)，再送入單片機(jī)串行通信接口中，從而完成數(shù)據(jù)的接收任務(wù)。</p><p>　　圖3.4 智能差壓變送器的電路圖</p><p>　　AD421除完成4～20mA電流

83、信號輸出及HART通信外，還為系統(tǒng)提供電源及參考電壓。它的2.5V參考電壓供自己和MAX1400使用。</p><p>　　數(shù)據(jù)存儲器選用24LC65，為8KB的串行E2PROM，供電電壓2.5～5.5V，功耗：讀電流150μA；寫電流3mA（5V供電）。用來存放傳感器特性參數(shù)及現(xiàn)場組態(tài)命令、工作參數(shù)、通信數(shù)據(jù)。</p><p>　　HT2012的19.2kHz信號，送入PIC16C73的

84、計數(shù)器輸入端，用于檢測HT2012的工作情況。</p><p>　　HT2012的OCD信號，送入PIC16C73的RB7端。RB7設(shè)為中斷方式，用于檢測通信狀態(tài)。</p><p>　　AD421由4～20mA環(huán)路主電源供電，轉(zhuǎn)換的5V電源為自己和24LC65及MAX1400的模擬電路部分供電，設(shè)計時須留下功耗余量。AD421工作電流為600μA，24LC65讀電流為10μA，MAX140

85、0的模擬電路工作電流不超過100μA，而變送器功耗設(shè)計為3.4mA，剩下2.5mA電流供電路中其他器件使用。具體分配如下：傳感器由恒流二極管3CRC供電0.5mA，剩下2.0mA電流由另一支3CRC恒流后供電路的其他部分使用。這樣可避免由于器件在動態(tài)和靜態(tài)工作時功耗的不同而引起4～20mA信號的變化。</p><p>　　3CRC恒流原理是：其內(nèi)部提供一穩(wěn)定的1.24V從兩管腳引出，在這兩管腳上接1個電阻即可中輸

86、出恒流。計算公式為：I（mA）=1.24/R（kΩ）。只要保證3CRC的工作電壓略大于1.24V即可正常工作。</p><p>　　穩(wěn)壓管選用ZRC330。它的穩(wěn)壓值為3.3V，最小工作電流為20μA，最大吸收電流達(dá)5mA，溫度系數(shù)50ppm是比較理想的器件。MAX1400的工作電流值小于150μA（3.3V供電），HT2012的功耗電流40μA，帶通濾波器選用運(yùn)放TLC27L2C，最大功耗電流僅為48μA。整形

87、電路的74HC126工作于低頻下最大電流500μA左右，剩下1.25mA電流供單片機(jī)消耗。</p><p>　　單片機(jī)PIC16C73的功耗在4MHz時鐘、Vdd=3V時，為2.0mA；而在4MHz和20MHz時鐘、VDD=5V下工作時，電流值分別為2.7mA和13.5mA?？梢娺m當(dāng)降低單片機(jī)工作頻率可使其功耗大幅度下降。由于PIC16C73除跳轉(zhuǎn)指令外，均為單字節(jié)指令，指令周期僅為4個時鐘周期同，其運(yùn)行速度比其

88、他類型的單片機(jī)快，適當(dāng)降低工作頻率其運(yùn)行速度仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足變送器實時要求。本設(shè)計單片機(jī)采用1MHz工作頻率，其功耗的實驗數(shù)據(jù)小于1mA。</p><p>　　HT2012工作主時鐘為特殊的460.8kHz，需要特或向SMAR公司索取。本電路采用1片PIC16C58A單片機(jī)，外接1.8432MHz晶振，經(jīng)單片機(jī)4分頻后，正好輸出460.8kHz的時鐘，直接供HT2012使用。PIC16C58A單片機(jī)是PIC系列單片機(jī)中

89、的低擋產(chǎn)品，功耗與PIC16C73相當(dāng)。由于電路由增加了1片單片機(jī)，整個電路的功耗將超出允許范圍。為保證功耗要求，電路設(shè)計采用能量分時復(fù)用的方法：程序通過V1、V2、V3實現(xiàn)傳感器和PIC16C58A的分時復(fù)用，即變送器在做A/D轉(zhuǎn)換時，系統(tǒng)給傳感器供電，當(dāng)需要檢測通信有無或主動進(jìn)行通信時，單片機(jī)將給傳感器的0.5mA關(guān)斷，而將電流并入3.3V工作電源上，同時啟動PIC16C58A。PIC16C58A的功耗指標(biāo)為32kHz時鐘，VDD=

90、3V時典型值小于15μA。由于對PIC16C58A的某一I/O口（如RB）進(jìn)行置高、置低操作，所以不怕程序"跑飛"，因此不需PIC16C58A片內(nèi)的WDT功能，將它置于OFF狀態(tài)，功耗大大降低。因此，PIC16C58A在1.8432MHz的時鐘下工作，其功耗不會超過0.5mA。</p><p>　　對數(shù)據(jù)存儲器24LC65的功耗：讀電流150μA，沒有功耗問題；而寫電流3mA，一般出現(xiàn)在數(shù)據(jù)通

91、信完成之后的很短時間內(nèi)，只要規(guī)定在通信時4～20mA電流信號作廢，即可解決功耗要求問題。24LC65一定要接在4～20mA主電源中。</p><p>　　從以上分析，電路功耗小于3.4mA的智能變送器，滿足要求</p><p>　　第四章 HART 協(xié)議差壓變送器的軟件設(shè)計</p><p>　　該軟件設(shè)計可以分為兩大部分：測控程序和HART 通信程序。</p

92、><p>　　測控程序主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、控制運(yùn)算、輸出控制和自我診斷等部分程序通過組態(tài)信息判別采樣類型，自動設(shè)置采樣放大倍數(shù)；針對不同傳感器的類型選擇相應(yīng)的非線性補(bǔ)償；一些簡單的控制模塊，如PID等，實現(xiàn)儀表的控制運(yùn)算；輸出控制完成4—20mA的環(huán)路電流，能實現(xiàn)阻尼輸出，并可結(jié)合自我診斷程序?qū)崿F(xiàn)高報警輸出或低報警輸出</p><p>　　HART 數(shù)據(jù)鏈路層的軟件主要就是串口接收/發(fā)

93、送中斷子程序。串行口每中斷一次，即接收或發(fā)送一個字節(jié)。一般一幀數(shù)據(jù)最長為33個字節(jié)左右，在HART 通訊過程中，通常由主機(jī)先發(fā)送命令幀。智能變送器模塊通過串行口中斷接收命令幀后，由CPU 作用的數(shù)據(jù)處理然后要發(fā)回的應(yīng)答幀內(nèi)容放入發(fā)送緩沖區(qū)，再由 CPU 觸發(fā)發(fā)送中斷，發(fā)回應(yīng)答幀，從而完成一次命令的交換。</p><p>　　由于通訊距離較長或各種環(huán)境干擾，傳送器的數(shù)據(jù)信息的可能發(fā)生差錯。HART 通訊采用水平和垂

94、直校驗的方法。當(dāng)變送器檢測到接收數(shù)據(jù)有錯時，則等到主機(jī)命令幀發(fā)完后，變送器發(fā)回置有相應(yīng)錯誤狀態(tài)的應(yīng)答幀，通過主機(jī)數(shù)據(jù)接收有誤。主機(jī)則重發(fā)命令幀，從而保證通訊的準(zhǔn)確可靠。</p><p>　　HART 應(yīng)用層的軟件對收到的命令幀進(jìn)行翻譯和處理，如：字節(jié)流與浮點數(shù)。整數(shù)、字符串之間的相互轉(zhuǎn)換，然后根據(jù)各自的命令號進(jìn)行相應(yīng)的命令處理，如：改量程、改單位、改阻尼時間等，最后，把應(yīng)答幀按一定的格式放入發(fā)送緩沖區(qū)，由串行控中

95、斷發(fā)回。如果有通訊錯誤或命令錯誤時，則發(fā)回報告錯誤的應(yīng)答幀，下面分別簡單介紹一下軟件流程圖。</p><p>　　4·1 變送器的測控程序流程圖</p><p>　　4·1·1 用戶測控程序總體流程圖</p><p>　　要實現(xiàn)溫度變送器的智能化，必須實現(xiàn)以下基本功能：</p><p>　　A 軟件組態(tài):實現(xiàn)不同

96、傳感器要求的組態(tài)；</p><p>　　B 參數(shù)設(shè)定:不同傳感器測量參數(shù)進(jìn)行設(shè)定；</p><p>　　C 自校正和自診斷:根據(jù)實時工況可進(jìn)行某些參數(shù)的自動校正；</p><p>　　D 顯示功能:實現(xiàn)各種診斷碼瞬時溫度平均溫度和溫差等參數(shù)的各種顯示；</p><p>　　E 可提供非測量用的管理參數(shù)，如制造商代碼設(shè)備類型代碼設(shè)備軟件版本號等

97、，</p><p>　　圖4.1用戶程序總體流程圖</p><p>　　差壓變送器的測控程序主要包括:A/D采樣程序非線性補(bǔ)償程序阻尼程序信號輸出程序參數(shù)設(shè)定程序等。程序模塊的分工并意味著程序在實現(xiàn)具體功能上的分工，譬如在對噪音平衡項進(jìn)行參數(shù)設(shè)置時，實際上也是實現(xiàn)噪音平衡調(diào)整程序的功能，各程序模塊之間互有影響，往往一個參數(shù)的設(shè)置會影響若干其他參數(shù)的設(shè)置，從而也就影響了這些參數(shù)對應(yīng)的具體功能

98、的實現(xiàn)，總體流程圖如圖4.1圖中特殊功能寄存器的初始化包括：堆棧指針的定位，中斷的模式選擇，中斷優(yōu)先級確定。寄存器區(qū)的選擇，定時器及其工作方式的選擇，定時器的初始化等。</p><p>　　在一般模式下，CPU 完成對溫度信號的采樣計算，正常的顯示，而在設(shè)置參數(shù)模式下，CPU 主要行為用戶為了設(shè)定各種參數(shù)而必需的特殊的顯示程序，每一次用戶設(shè)定完某特定參數(shù)項的數(shù)值返回到一般模式時，該參數(shù)項就會對CPU 的測量計算或

99、控制產(chǎn)生作用，用戶通過設(shè)定參數(shù)的數(shù)值采樣，保證了溫度計算的準(zhǔn)確性。</p><p>　　設(shè)計中采用了MSP430/148單片機(jī)，對于該單片機(jī)每一個來自外部中斷的標(biāo)準(zhǔn)方波信號將觸發(fā)采用下降沿觸發(fā)中斷，在中斷服務(wù)程序中計算差壓信號，為輸出電流信號準(zhǔn)備。</p><p>　　4·1·2 參數(shù)設(shè)置流程圖</p><p>　　參數(shù)項由參數(shù)號組成，參數(shù)類用來

100、指示參數(shù)的類別，其分成BCDEG和H 6類：B類如容式傳感器的種類的設(shè)置等；C 類主要用來壓力的設(shè)定； D類主要對非壓力傳感器的非常規(guī)數(shù)值設(shè)置；E類主要用來設(shè)置于壓力顯示有關(guān)的參數(shù)值，如顯示方式的選擇等；G類主要觀察某些變量的值；H 類參數(shù)主要用來控制數(shù)字電位器的狀態(tài)和電流輸出進(jìn)行微調(diào)等。參數(shù)號用來具體指明某一個參數(shù)，以便于區(qū)分當(dāng)設(shè)置完參數(shù)項后，程序就根據(jù)已設(shè)置的參數(shù)和參數(shù)號跳轉(zhuǎn)至相應(yīng)的處理模塊，執(zhí)行相應(yīng)的功能，其流程圖如圖4.2所示&

101、lt;/p><p>　　圖4.2 參數(shù)設(shè)置流程圖</p><p>　　4·2 HART 數(shù)據(jù)與發(fā)送通訊流程圖</p><p>　　4·2·1 上位機(jī)數(shù)據(jù)采集一次數(shù)據(jù)的程序流程圖</p><p>　　上位機(jī)數(shù)據(jù)采集一次數(shù)據(jù)的程序流程圖見圖4.3</p><p>　　圖4.3 上位機(jī)數(shù)據(jù)采集一次數(shù)

102、據(jù)的程序流程圖</p><p>　　形成讀儀器標(biāo)識命令字：序文：5個全1字節(jié)起始字符：02；采用短幀格式時，主機(jī)給儀器信息的起始字符地址：00；廣播地址命令字：00；讀變送器標(biāo)識命令字節(jié)數(shù)：00后邊沒有數(shù)據(jù)。</p><p>　　追加校驗和：采用異或邏輯求校驗和，追加字節(jié)數(shù)后，形成完整命令。</p><p>　　按異步串行通信方式發(fā)送命令并接收變送器回答的信息。&l

103、t;/p><p>　　從回答的信息中提取變送器標(biāo)識</p><p>　　形成讀儀器數(shù)據(jù)命令：序文：5個全1字節(jié)起始字符：130，采用長幀格式時，主機(jī)給變送器信息的起始字符地址：變送器標(biāo)識命令字：33讀變送器數(shù)據(jù)命令字節(jié)數(shù)：04；后跟0個數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)：01020304；取變送器中4個變量值校驗和：采用異或邏輯運(yùn)算求校驗和，追加在字節(jié)數(shù)后，形成完整命令。</p><p>　　

104、按異步串行通信方式發(fā)送命令并接收儀器回答的信息。</p><p>　　從回答的信息中提取變送器的瞬時溫度或溫差值。</p><p>　　以后再讀取變送器數(shù)據(jù)時，只進(jìn)行（5）—（7）步即可。</p><p>　　4·2·2 變送器數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖</p><p>　　變送器數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖見圖4.4</p><

105、;p>　　圖4.4 變送器數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖</p><p>　　HART 數(shù)據(jù)鏈路層的軟件主要就是串行口接收/發(fā)送中斷子程序。串行口每中斷一次，即接收或發(fā)送一個字節(jié)。一般一幀數(shù)據(jù)最長為33個字節(jié)左右。在HART 通訊過程中，通常由主機(jī)先發(fā)送命令幀，智能變送器模塊通過串行口中斷接收到命令幀后，由CPU 作相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理；然后把要發(fā)回的應(yīng)答幀內(nèi)容放入發(fā)送緩沖區(qū)，再由CPU觸發(fā)發(fā)送中斷，發(fā)回應(yīng)答幀，從而完成一次命令

106、的交換。</p><p>　　由于通訊距離較長或各種環(huán)境干擾，傳送的數(shù)據(jù)有可能發(fā)生差錯。HART 通訊采用水平和垂直校驗方法。當(dāng)變送器檢測到數(shù)據(jù)有錯時，則等到主機(jī)命令幀發(fā)完以后，變送器發(fā)回置有相應(yīng)錯誤狀態(tài)的應(yīng)答幀。通知主機(jī)數(shù)據(jù)接收有誤。主機(jī)則重發(fā)命令幀，從而保證通訊的準(zhǔn)確可靠。</p><p>　　HART 應(yīng)用層的軟件對收到的命令幀進(jìn)行翻譯和處理，如：字節(jié)流與浮點數(shù)、整數(shù)、字符串之間的相

107、互轉(zhuǎn)換，然后根據(jù)各自的命令號進(jìn)行相應(yīng)的命令處理，如：改量程、改單位、改阻尼時間等，最后，把應(yīng)答幀按一定的格式放入發(fā)送緩沖區(qū)，由串行口中斷發(fā)回。如果有通訊錯誤或命令錯誤時，則發(fā)回報告錯誤的應(yīng)答幀。</p><p>　　1）接受命令幀：智能變送器模塊通過串行口中斷接收到命令幀后；</p><p>　　2）CPU進(jìn)行命令處理：CPU 作相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理；</p><p>　

108、　3) HART通訊檢驗是否有錯：HART 通訊采用水平和垂直校驗方法。當(dāng)變送器檢測到數(shù)據(jù)有錯時，則等到主機(jī)命令幀發(fā)完以后，變送器發(fā)回置有相應(yīng)錯誤狀態(tài)的應(yīng)答幀；</p><p>　　4）應(yīng)答幀送入數(shù)儲緩沖區(qū)：把要發(fā)回的應(yīng)答幀內(nèi)容放入發(fā)送緩沖區(qū)；</p><p>　　5）發(fā)送應(yīng)答幀并校驗數(shù)據(jù)：由CPU觸發(fā)發(fā)送中斷并檢驗數(shù)據(jù)，再發(fā)回應(yīng)答幀，從而完成一次命令交換。</p><

109、p><b>　　結(jié) 論</b></p><p>　　現(xiàn)場總線技術(shù)的飛速發(fā)展給我國的儀表行業(yè)帶來了挑戰(zhàn)，更帶來了機(jī)遇。如何把握機(jī)遇，趕上世界工業(yè)控制領(lǐng)域的潮流是我們面臨的任務(wù)。目前，選擇的途徑很多，但是怎么的技術(shù)路線更符合中國國情，是每個人必須考慮的問題。HART協(xié)議雖然具有與現(xiàn)場總線類似的體系結(jié)構(gòu)，但它不是真正的現(xiàn)場總線，與日前流行的FF 協(xié)議相比，它們的物理層是完全不兼容的，HART

110、 的通信速率為1200波特率，比FF 慢的多，從長遠(yuǎn)來看，不能滿足工業(yè)生產(chǎn)的需求，它必須被FF所取代。但是在目前，HART 具有FF所不能取代的優(yōu)勢：即它的向上兼容性和向下兼容性。在應(yīng)用界面上，HART 和FF 是相互兼容的，DDL （設(shè)備描述語言）和功能模塊是兩者共用的，因此從現(xiàn)場儀表從HART 向FF 轉(zhuǎn)變，是比較簡單的；同時，它的通信和I 型信號和傳輸也是兼容的，先進(jìn)的HART 儀表在老裝置上直接應(yīng)用而不會影響其他設(shè)備的工作，這是