HART智能压力变送器的设计压力2004-12-14 16:34:03点击次数：3次崔保健，侯兴勃，才滢摘要：首先介绍了HART通信协议的原理和层次结构，针对某现场智能压力变送器设计，介绍HART调制解调器芯片SYM20C15和AD7714转换器的工作原理及其电路模块，给出其典型应用电路。

讨论了系统低功耗设计方案。

1 引言目前各种现场总线五花八门，还没有一个统一的现场总线国际标准，而正在广泛使用着的4～20mA模拟现场设备也不可能在短时间内完全由现场总线设备取代，所以，美国Rosemen公司于1985年推出的一种用于现场智能仪表和控制室设备之间的通信协议，即HART协议（Highway Addressable Remote Transducer Protocol，即可寻址远程传感器高速通道协议）。

并成立了HART用户集团（HART User Group），1993年又改为HART通信基金会（HART Communication Foundation）。

HART协议是一个灵巧的通讯协议（Smart Communication Protocol），目前已被认为是事实上的工业标准，并得到了广泛应用，如美国FLUKE公司专门生产开发了多种HART现场设备校验标准。

但是，HART本身还不算是现场总线，只能说是现场总线的雏形，仅仅是一个过渡性协议。

它允许模拟和数字信号通信同时进行,它的不足之处是速度较慢（1200bps），但对于普通现场测试基本满足要求。

2 HART协议简介HART协议具有与现场总线类似的体系结构及总线式数字通讯功能,采用OSI模型的第一层、第二层和第七层，由于HART协议是在4～20mA模拟信号上叠加了FSK（频移键控）数字信号，因而，模拟和数字通讯可以同时进行。

这就保证了4～20mA模拟系统与数字通信系统可以兼容，并且可以在一根双绞线上连接多台现场设备，以构成多站网络。

信号传输距离可达1500m。

数据链路层规定了通信数据的结构：每个字符由11位组成，包括1位起始位、8位数据位、1位奇偶校验位和1位停止位。

不仅每一个字节有奇偶校验，一个完整的HART数据也用一个字节进行纵向校验。

数据的有无与长短并不恒定，最长可达25字节。

应用层规定了HART命令，智能设备从这些命令中辨识对方信息的含义。

HART命令分为三类：通用命令（Universal Commands）、常用命令（Common-Practice Commands）及专用命令（Device-Specific Commands）。

第一层：物理层。

规定了信号的传输方法、传输介质，HART协议采用二进制频移键控技术FSK，即在4～20mA模拟信号上迭加一个频率信号，频率信号采用Be11202国际标准，数字信号的传送波特率设定为1200bps，1200Hz 代表逻辑“0”，2200Hz代表逻辑“1”，如图1所示。

由于HART协议是在4～20mA模拟信号上叠加了FSK（频移键控）数字信号，因而，模拟和数字通讯可以同时进行。

这就保证了4～20mA模拟系统与数字通信系统可以兼容，并且可以在一根双绞线上连接多台现场设备，以构成多站网络。

通信介质的选择视传输距离长短而定，最大传输距离可达到1500ｍ。

第二层：数据链路层。

规定了HART帧的格式，每个字符包括1个起始位、8个数据位、1个奇偶校验位和一个停止位；HART数据的长度也是不一样的，最长的HART数据包含25个字节；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，消除由于线路噪音或其他干扰引起的数据通讯出错。

第七层：应用层。

应用层规定了HART命令，智能设备从这些命令中辨识对方信息的含义。

HART命令分为三类：通用命令（Universal Commands）、常用命令（Common-Practice Commands）及专用命令（Device-Specific Commands）。

3 HART智能压力变送器硬件设计图2是HART智能压力变送器硬件结构设计框图。

压力传感器和模数转换器AD7714完成压力的采集和测量; HART协议由SYM20C15实现; AD421主要完成数字信号到模拟电流信号的转换，并实现上位机对变送器的主要变量、过程参数、设备组态、校准及诊断信息和测量结果的访问;24C65用来保存系统的状态信息、组态信息、过程参数和校准系数的存储。

3.1 压力采集测量压力传感器输出一般是毫伏级的微弱信号，传统的测量方法是在A/D转换之前增加一级高精度的测量放大器，因而系统较为复杂。

AD7714是美国Analog Devices公司（AD）推出的24-Bit (-( ADC家族AD771X系列中的新品，适用于低频、高精度工业级转换。

该器件具有完整的模拟前端，可以直接测量传感器输出的直流微弱信号，转换精度达到24位无误码。

采用三线串行口与微控制器或DSP系统联接，通过软件编程可以对增益、信号极性、输入通道作出设置。

该芯片具有自校准、系统校准和背景校准功能，可以消除零点误差、满量程误差及温度漂移的影响。

AD7714只需要极少的外部元件便可以构成一个高精度的测量仪表，利用串行接口可以和68HC11、8xC51等各种微处理器联接。

具体电路见图3。

图中可以看出，AD7714除了晶振和微调电容以外，几乎无需其他元件。

安装AD7714的印刷线路板，应将模拟和数字部分分隔开，限制在特定的区域内。

AGND和DGND应当一点连接，为星形接地点，尽量靠近AD7714的位置。

另外，应将模拟地布置在器件的下面，而不要将数字地布置在下面，地线和电源线尽可能粗些。

图3是压力采集电路。

3.2 HART通讯单元设计HART通信部分主要由D/A转换和Bell202 MODEM及其附属电路来实现。

其中，D/A变换作用是直接将数字信号转换成4～20mA电流输出，以输出主要的变量。

Bell202 MODEM及其附属电路的作用是对叠加在4～20mA环路上的信号进行带通滤波放大后，HART通信单元如果检测到FSK频移键控信号，则由Bell202 MODEM将1200Hz的信号解调为“1”，2200Hz信号解调为“0”的数字信号，通过串口通信交MCU，MCU接收命令帧，作相应的数据处理。

然后，MCU产生要发回的应答帧，应答帧的数字信号由MODEM调制成相应的1200Hz 和2200Hz的FSK频移键控信号，波形整形后，经AD421叠加在环路上发出。

D/A变换器采用AD421，它是美国ADI公司推出的一种单片高性能数模转换器，由环路供电，16位数字信号以串行方式输入，可以将数字信号直接转换成4～20mA电流输出。

它提供了高精度、全集成、低功耗的解决方案，采用16引脚DIP、TSSOP、SOIC封装，可实现低成本的远程智能工业控制。

AD421包括串行输入16位D/A(数字/电流)转换，除自身用电外，还提供可选择的(5V，3.3 V或3 V)稳压输出供变送器其他部分用电。

HART MODEM采用Rosemount公司的SYM20C15，是符合Bell202标准的半双工调制解调器，实现HART协议规定的数字通信的编码或译码。

该芯片专为HART仪器设计，片内集成了符合BELL202标准的调制器、解调器、时钟及定时电路、检测控制电路。

性价比较高，16脚DIP和28脚PLCC封装，在+5V供电时工作电流80μA。

SYM20C15与微控制器交换数字信号，同AD421作模拟信号接口。

它一方面与MCU的异步串行通信口进行串行通信，一方面将输入的不归零的数字信号调制成FSK信号，再经AD421叠加在4～20mA的回路上输出，或者将回路信号经带通滤波、放大整形后取出FSK信号解调为数字信号，从而实现HART通信。

图4分别是采用的AD421和SYM20C15的HART通讯电路。

3.3 功耗设计由于HART数字通信的要求，有0.5mA的正弦波电流信号叠加在4mA电流上，因此整个硬件电路必须保证在3.5mA以下还能正常工作，因此实现系统的低功耗设计非常重要。

数据存储器24LC65的功耗：读电流150μA，没有功耗问题；而写电流3mA，但是，对他的写操作一般仅用于出厂时的设置和校准检定时数据的存储，正常工作时，对24LC65仅存在读操作，这样大大降低了功耗。

AD421由4～20mA环路主电源供电，转换的5V电源为自己和24LC65及AD7714的模拟电路部分供电，设计时须留下功耗余量。

AD421工作电流为600μA，AD7714的模拟电路工作电流不超过250μA。

传感器供电电流取为1 mA，传感器的输出信号虽然减小了，但可以由AD7714转换器内部的可变增益放大器弥补。

ADS7714工作电流值小于250μA（5V供电,省电模式仅为4μA），SYM20C15的功耗电流40μA。

单片机PIC16C73的功耗在4MHz时钟、Vdd=3V时，为2.0mA；而在VDD=5V，4MHz时钟和20MHz时钟、下工作时，电流值分别为2.7mA和13.5mA。

可见适当降低单片机工作频率可使其功耗大幅度下降。

适当降低工作频率其运行速度仍远远满足变送器实时要求。

本设计单片机采用1MHz工作频率，其功耗的实验数据小于1mA。

从以上分析，电路总电流为：1＋0.25＋0.05＋1＋0.6＋0.15＝3.05,功耗小于3.2mA, 远远小于4 mA 上限，还有0.8 mA 的裕量给系统的其他电路和不确定因素引起的电流变化。

总功耗满足设计要求。

4 通信的软件设计HART通信程序也即为HART协议数据链路层和应用层的软件实现，是整个现场仪表软件设计的关键。

在HART通信过程中，主机（上位机）发送命令帧，现场仪表通过串行口中断接收到命令帧后，由MCU作相应的数据处理，产生应答帧，由MCU触发发送中断，发出应答帧，从而完成一次命令交换。

首先在上电或者看门狗复位后，主程序要对通信部分进行初始化，主要包括波特率设定、串口工作方式设定、清通信缓冲区、开中断等。

在初始化完成之后通讯部分就一直处在准备接收状态下，一旦上位机有命令发来，SYM20C15的载波检测口OCD变为低电平，触发中断，启动接收，程序就进入接收部分。

然后完成主机命令的解释并根据命令去执行相应的操作，最后按一定的格式生成应答帧并送入通信缓冲区，启动发送，完成后关闭SCI。

5 结束语由于HART众多不容置疑的优点，使得它成为全球应用最广的现场通信协议，已成为工业上实用的标准。

因此在今后很长一段时期内，HART协议产品在国内仍然具有十分广阔的市场。

以压力变送器的智能化设计为基础，针对HART 协议智能变送器的数据通信协议，考虑系统功耗要求，设计了智能压力/差压变送器应用电路，上述方法具有结构简单、工作可靠的特点，完全符合HART协议，具有较好的通用性.参考文献[1] ANALOG DEVICES Inc. AD7714.[2] 任俊，修吉平. AD7714的工作原理及其应用. 半导体技术,2002.03[3] HART调制解调器SYM20C15应用设计, [4] 沈国伟,费元春. HART通信协议在现场仪表远程通信中的实现[5] 基于HART协议的智能变送器设计, 。