HART協議智能變送器是HART協議在智能設備方面的重要應用。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協議的油罐基礎知識。現場總線技術是當前自動檢測技術的熱點之一｡從現場總線技術形成來看,它是控制､計算機､通信､網絡等技術發展的必然結果;而智能儀表則為現場總線的出現和應用奠定了基礎｡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,從用戶到廠商都強烈要求形成統一標準,促進現場總線技術的形成｡

目前,幾種有影響的現場總線技術有:基金會現場總線､LonWorks､Profibus､CAN､HART,除HART外,均為全數字化現場總線協議｡全數字化意味著將取消傳統的模擬信號的傳送方式,而要求每一個現場設備都具有智能及數字通信能力,使得操作人員或其他設備(傳感器､執行器等)向現場發送指令(如設定值､量程､報警值等),同時也能實時地得到現場設備各方面的情況(如測量值､環境參數､設備運行情況及設備校準､自診斷情況､報警信息､故障數據等)｡

此外,原來由主控制器完成的控制運算也分散到了各個現場設備上,大大提高了系統的可靠性和靈活性｡現場總線技術關鍵之處在于系統的開放性,強調對標準的共識與遵從,打破了傳統生產廠家各自獨立標準的局面,保證了來自不同廠家的產品可以集成到同一個現場總線系統中,并且可以通過網關與其他系統共享資源｡

目前,一方面現場總線標準正處在完善和發展階段,另一方面傳統的基于4~20mA的模擬設備還在廣泛應用于工業控制信各個領域｡因此,馬上全數字化是不現實的｡為滿足從模擬到全數字的過渡,HART協議應運而生｡HART采用頻移鍵控(FSK)技術｡它基于Bell202通信標準,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")來傳送數字信號｡HART協議的數據傳輸速率為1200bps(位/秒)｡

HART現場總線(簡稱HF)系統采用主從工作方式:主機為1臺IBM-PC機;從機為1臺或多臺遵守HART協議的HF智能變送器｡當從機只有1臺HF智能變送器,即智能變送器工作在點-點方式下時,可繼續使用傳統的4~20mA信號進行模擬傳輸,而測量､調整和測試數據用數字方式傳輸;當從機為多臺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,調整和測試數據均用數字方式傳輸｡由于每臺HF變送器有惟一的編號,所以主機能對每一臺變送器進行操作｡HART提供設備描述語言(DDL),以確保互操作性｡應該指出,HART被認為是事實上的工業標準,但它本身并不算現場總線(模擬和數字的混合),只能說是現場總線的雛形,是一種過渡協議｡由于4~20mA模擬信號標準將在今后相當長的時間內存在,所以研究HART協議仍具有重要意義｡本文討論基于HART協議智能變送器的硬件實現的技術問題｡一是要解決微功耗的問題,二是要討論實現HART協議智能變送器通信功能的有效方法｡ 

一､功耗要求

為實現智能變送器的基本功能,如線性化處理､溫度補償､自動零點和量程調整及數字通信等,以下關鍵器件如微控制器､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A/D轉換成數字量后送入單片機,單片機將處理后的數字量通過D/A轉換器,經V/I轉換電路輸出4~20mA標準電流信號｡在數字通信時,微處理器通過通信接口芯片及耦合電路,以4~20mA電流環路為介質傳送和接收數據｡存儲器(memory),用來存儲傳感器的特性參數､現場命令､現場狀態等工作參數｡中心是Bell 202通信標準的HART調制解調器,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,用以加強通信的可靠性｡

1.功耗要求為兼容4~20mA現行標準,HART協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｡在實際應用中,為兼容數字與模擬兩信號,通常將數據頻率信號通過V/I轉換電路的調整管,轉換為幅度為±0.5mA的頻率信號,疊加在兩線的4~20mA電流環上(2200Hz表示"0",1200Hz表示"1")｡由于對特性,此信號的平均值為0,因此模擬和數字兩種信號互不干擾｡但環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,將導致數字信號負半周失真｡考慮到調節量所需的余量,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供電主要有兩種方式:一是直接將輸入電壓穩壓成所需電壓(5V或3.3V)后向系統供電,這種方法總電流必須控制在4mA以內,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定性因素可能帶來的負面影響｡由于目前微功耗､高性價比的集成電路出現,采用方法一的優越性更多,因為在供電方式上,2種方法都有需考慮對供電電壓的適應問題｡一般工業現場多為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

1.通信芯片

SMAR公司生產的HT2012為貝爾202標準的單片機CMOS微功耗FSK調制解調器｡它是為設計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､解調器､調制器､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調制解調器的半雙工的｡當一個運轉時,調制器和解調器中的另一個會被停止｡工作在Bell 202標準,發送､傳送和接收調制位速率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備進行載波發送,改進了通信的實時性和靈活性｡另外,19.2kHz時鐘信號輸出,也為應用提供了方便｡

2.D/A及V/I轉換器

為將數字頻率信號轉換為±0.5mA的頻率信號,疊加在兩線的4~20mA電流環上,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公司的產品AD421[2],是專為HART協議智能儀表設計的,包括4~20mA電流環的16位D/A轉換器｡它與HART協議兼容,其開關電流源和濾波器功能塊,可HART電壓信號向±0.5mA電流信號的轉換,為應用帶來方便｡

AD421基本性能:

(1)4~20mA輸出;

(2)HART協議兼容,能用于標準HARTFSK協議通信;

(3)16位分辨率;

(4)±0.01%積分的非線性;

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

(6)Vcc=5V供電時,750μA最大靜態電流,典型值為575μA;

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

(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｡