HART协议智能变送器是HART协议在智能设备方面的重要应用。那么本文将要以此为例，讲解一下这部分的原理。首先我们需要了解一下智能变送器的概念和HART协议的油罐基础知识。现场总线技术是当前自动检测技术的热点之一｡从现场总线技术形成来看,它是控制､计算机､通信､网络等技术发展的必然结果;而智能仪表则为现场总线的出现和应用奠定了基础｡自1983年Honeywell推出智能仪表--Smar变送器之后,世界各厂家都相继推出各有特色的智能仪表｡为解决开放性资源的共享问题,从用户到厂商都强烈要求形成统一标准,促进现场总线技术的形成｡
目前,几种有影响的现场总线技术有:基金会现场总线､LonWorks､Profibus､CAN､HART,除HART外,均为全数字化现场总线协议｡全数字化意味着将取消传统的模拟信号的传送方式,而要求每一个现场设备都具有智能及数字通信能力,使得操作人员或其他设备(传感器､执行器等)向现场发送指令(如设定值､量程､报警值等),同时也能实时地得到现场设备各方面的情况(如测量值､环境参数､设备运行情况及设备校准､自诊断情况､报警信息､故障数据等)｡
此外,原来由主控制器完成的控制运算也分散到了各个现场设备上,大大提高了系统的可靠性和灵活性｡现场总线技术关键之处在于系统的开放性,强调对标准的共识与遵从,打破了传统生产厂家各自独立标准的局面,保证了来自不同厂家的产品可以集成到同一个现场总线系统中,并且可以通过网关与其他系统共享资源｡
目前,一方面现场总线标准正处在完善和发展阶段,另一方面传统的基于4~20mA的模拟设备还在广泛应用于工业控制信各个领域｡因此,马上全数字化是不现实的｡为满足从模拟到全数字的过渡,HART协议应运而生｡HART采用频移键控(FSK)技术｡它基于Bell202通信标准,在4~20mA模拟信号上叠加不同的频率信号(2200Hz表示"0",1200Hz表示"1")来传送数字信号｡HART协议的数据传输速率为1200bps(位/秒)｡
HART现场总线(简称HF)系统采用主从工作方式:主机为1台IBM-PC机;从机为1台或多台遵守HART协议的HF智能变送器｡当从机只有1台HF智能变送器,即智能变送器工作在点-点方式下时,可继续使用传统的4~20mA信号进行模拟传输,而测量､调整和测试数据用数字方式传输;当从机为多台HF智能变送器时,即智能变送器工作在多站方式下时,4~20mA信号作废,每台变送器工作电流为4mA左右｡所有测量,调整和测试数据均用数字方式传输｡由于每台HF变送器有惟一的编号,所以主机能对每一台变送器进行操作｡HART提供设备描述语言(DDL),以确保互操作性｡应该指出,HART被认为是事实上的工业标准,但它本身并不算现场总线(模拟和数字的混合),只能说是现场总线的雏形,是一种过渡协议｡由于4~20mA模拟信号标准将在今后相当长的时间内存在,所以研究HART协议仍具有重要意义｡本文讨论基于HART协议智能变送器的硬件实现的技术问题｡一是要解决微功耗的问题,二是要讨论实现HART协议智能变送器通信功能的有效方法｡
一､功耗要求
为实现智能变送器的基本功能,如线性化处理､温度补偿､自动零点和量程调整及数字通信等,以下关键器件如微控制器､A/D､D/A､通信芯片及传感器等是所必需的｡传感器模拟量信号经A/D转换成数字量后送入单片机,单片机将处理后的数字量通过D/A转换器,经V/I转换电路输出4~20mA标准电流信号｡在数字通信时,微处理器通过通信接口芯片及耦合电路,以4~20mA电流环路为介质传送和接收数据｡存储器(memory),用来存储传感器的特性参数､现场命令､现场状态等工作参数｡中心是Bell 202通信标准的HART调制解调器,并在信号的输出端和输入端分别加1个波形整形和带通滤波器,用以加强通信的可靠性｡
1.功耗要求为兼容4~20mA现行标准,HART协议智能变送器必须可工作在4~20mA两线回路中｡这就意味可用来为变送器供电的电流不能超过4mA｡在实际应用中,为兼容数字与模拟两信号,通常将数据频率信号通过V/I转换电路的调整管,转换为幅度为±0.5mA的频率信号,叠加在两线的4~20mA电流环上(2200Hz表示"0",1200Hz表示"1")｡由于对特性,此信号的平均值为0,因此模拟和数字两种信号互不干扰｡但环路上电流瞬时最大值I=4.5mA,最小值I=3.5mA,如果向变送器供电过多,超过3.5mA,将导致数字信号负半周失真｡考虑到调节量所需的余量,要求对变送器供电电流一般不要超过3.4mA为好｡
2.供电方式给变送器系统供电主要有两种方式:一是直接将输入电压稳压成所需电压(5V或3.3V)后向系统供电,这种方法总电流必须控制在4mA以内,二是采用DC-DC供电方式,只要DC-DC变换器的效率足够高,在功耗控制上它比第1种方法要宽松得多,但同时还需要考虑变换器的线性稳定性因素可能带来的负面影响｡由于目前微功耗､高性价比的集成电路出现,采用方法一的优越性更多,因为在供电方式上,2种方法都有需考虑对供电电压的适应问题｡一般工业现场多为DC 24V,也有DC36V供电的｡一般要求变送器能在DC12~42V供电电压下稳定､可靠地工作,这一方面直接供电方式要比DC-DC变换方式灵活得多｡ #p#
二､通信系统
1.通信芯片
SMAR公司生产的HT2012为贝尔202标准的单片机CMOS微功耗FSK调制解调器｡它是为设计过程控制仪器检测和其他的低功率装备中提供HART通信功能的专用芯片｡
HT2012由4个主要功能模块组成:时钟频率､解调器､调制器､载波检测｡ HT20l2需要460.8kHz外时钟输入,3~5V供电,低功耗(典型值40μA)[5]｡
HT2012调制解调器的半双工的｡当一个运转时,调制器和解调器中的另一个会被停止｡工作在Bell 202标准,发送､传送和接收调制位速率1200bps｡
HT2012使用1200Hz("1")和2200Hz("0")Bell 202信号频率,CMOS､TTL兼容｡
TH2012具有载波检测输出端OCD,低电平有效,表示对方通信芯片准备进行载波发送,改进了通信的实时性和灵活性｡另外,19.2kHz时钟信号输出,也为应用提供了方便｡
2.D/A及V/I转换器
为将数字频率信号转换为±0.5mA的频率信号,叠加在两线的4~20mA电流环上,还需要附加耦合电路,这样必然会造成更多的功耗开销｡而美国A/D公司的产品AD421[2],是专为HART协议智能仪表设计的,包括4~20mA电流环的16位D/A转换器｡它与HART协议兼容,其开关电流源和滤波器功能块,可HART电压信号向±0.5mA电流信号的转换,为应用带来方便｡
AD421基本性能:
(1)4~20mA输出;
(2)HART协议兼容,能用于标准HARTFSK协议通信;
(3)16位分辨率;
(4)±0.01%积分的非线性;
(5)3V､3.3V或5V可调节电压输出及2.5V和1.25V精度参考,用于自身和系统其他器件;
(6)Vcc=5V供电时,750μA最大静态电流,典型值为575μA;
(7)可编程报警电流功能,允许变送器发出电流超范围警报,以表示转换器的故障;
(8)灵活的高速串行接口｡
AD421有2种工作方式:4~20mA输出方式和3.5~24mA报警输出方式｡
