早期的控制系統(tǒng)主要是模擬儀表控制系統(tǒng)，設(shè)備之間傳輸?shù)氖?～5V或4～20mA的模擬信號(hào)，信號(hào)的精度較低且傳輸過程中易受干擾。隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，特別是現(xiàn)場(chǎng)總線的問世，促使新型的全數(shù)字智能儀表逐漸取代傳統(tǒng)的模擬儀表，并且在性能上不斷向高精確度、高可靠性、高環(huán)境適應(yīng)性的方向發(fā)展，采用數(shù)字化智能儀表已是大勢(shì)所趨。然而由于模擬現(xiàn)場(chǎng)儀表大量使用，受原投資保值的限制，從模擬儀表到全數(shù)字智能儀表的更新還需要很長一段時(shí)間，在此期間，開發(fā)出一種能兼容模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)" title="數(shù)字信號(hào)">數(shù)字信號(hào)的智能儀表將具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義^[1]。本文介紹的智能壓力變送器即是在這樣的背景下開發(fā)的。
1 HART協(xié)議簡介^[2～4]
　　HART(Highway Addressable Remote Transducer) 協(xié)議即可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道開放通信協(xié)議，是現(xiàn)場(chǎng)總線的一種，而且是一種過渡性的協(xié)議。其特點(diǎn)是能在現(xiàn)有模擬信號(hào)傳輸線上實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的通信，可對(duì)改進(jìn)儀表間的通信提供無風(fēng)險(xiǎn)解決方案，在模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉(zhuǎn)變的過渡時(shí)期具有較強(qiáng)的市場(chǎng)競爭力。
　　HART協(xié)議采用基于Bell202標(biāo)準(zhǔn)的FSK頻移鍵控信號(hào)，在低頻的 4～20mA模擬信號(hào)上疊加幅度為0.5mA的音頻數(shù)字信號(hào)進(jìn)行雙向數(shù)字通信，數(shù)據(jù)傳輸速率為1.2Mbps。
　　HART協(xié)議參考 ISO/OSI開放系統(tǒng)互連模型，采用了它的簡化三層模型結(jié)構(gòu)，即第一層物理層、第二層數(shù)據(jù)鏈路層和第七層應(yīng)用層。
1．1 物理層
　　物理層規(guī)定了信號(hào)的傳輸方法、傳輸介質(zhì)，為了實(shí)現(xiàn)模擬通信和數(shù)字通信同時(shí)進(jìn)行而又互不干擾，HART協(xié)議采用頻移鍵控技術(shù)(FSK)，即在4～20mA模擬信號(hào)上迭加一個(gè)音頻數(shù)字信號(hào)。頻率信號(hào)采用 Be11202國際標(biāo)準(zhǔn)，
　　1200Hz代表邏輯“1”，2200Hz代表邏輯“0”，信號(hào)幅值為0.5mA，如圖 1所示。數(shù)字信號(hào)的傳送波特率設(shè)定為1200bps。

　　通信介質(zhì)的選擇視傳輸距離長短而定。通常，采用雙絞同軸電纜作為傳輸介質(zhì)時(shí)，最大傳輸距離可達(dá)到1500ｍ，線路總阻抗應(yīng)在230～1100Ω之間。
1．2 數(shù)據(jù)鏈路層
　　數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定HART幀的格式如圖2所示，實(shí)現(xiàn)建立、維護(hù)、終結(jié)鏈路通信功能。HART協(xié)議根據(jù)冗余檢錯(cuò)碼信息，采用自動(dòng)重復(fù)請(qǐng)求發(fā)送機(jī)制，消除了由于線路噪音或其他干擾引起的數(shù)據(jù)通信出錯(cuò)，實(shí)現(xiàn)了通信數(shù)據(jù)無差錯(cuò)傳送。

　　現(xiàn)場(chǎng)儀表要執(zhí)行HART指令，操作數(shù)必須合乎指定的大小。每個(gè)獨(dú)立的字符包括一個(gè)起始位、八個(gè)數(shù)據(jù)位、一個(gè)奇偶校驗(yàn)位和一個(gè)停止位。由于數(shù)據(jù)的有無和長短并不恒定，所以HART數(shù)據(jù)的長度也不一樣，最長的HART數(shù)據(jù)包含33個(gè)字節(jié)。
1．3 應(yīng)用層
　　應(yīng)用層為HART命令集，用于實(shí)現(xiàn)HART指令。命令分為三類，即通用命令、普通命令和專用命令。
　　通用命令是通用的，對(duì)所有遵從HART協(xié)議的智能設(shè)備(無論什么公司的產(chǎn)品)都適用。例如讀取制造廠商和產(chǎn)品型號(hào)信息、讀取過程變量及其單位、讀取電流百分比輸出等。
　　普通命令對(duì)大多數(shù)智能設(shè)備都適用，但各個(gè)產(chǎn)品可視自身需要有所取舍。它用于常用的操作，如設(shè)置量程、設(shè)置過程變量單位、寫阻尼時(shí)間常數(shù)等。
　　專用命令則是針對(duì)具體設(shè)備的特殊性設(shè)立的，以實(shí)現(xiàn)前兩類命令沒有包含而自身又需要的特殊功能。
　　在HART協(xié)議通信中，主要的變量和控制信息以4～20mA的形式傳送，在需要的情況下，另外的測(cè)量、過程參數(shù)、設(shè)備組態(tài)、校準(zhǔn)、診斷信息通過HART協(xié)議訪問。
2 基于HART協(xié)議智能壓力變送器的硬件設(shè)計(jì)
　　本文基于HART協(xié)議開發(fā)了適用于半導(dǎo)體壓力傳感器的智能變送器" title="智能變送器">智能變送器，該變送器的硬件部分主要包括以下幾個(gè)模塊：MCU模塊、LCD顯示模塊、HART通信模塊、傳感器模塊和供電模塊等。系統(tǒng)硬件框圖如圖3所示。智能壓力變送器的供電電壓選為3.3V，由穩(wěn)壓電源模塊MAX6129AEUK33-T提供。

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　　傳感器模塊主要包括傳感器橋路，如圖4所示，其中，電阻R20的溫度系數(shù)應(yīng)不大于50PPM/℃。
　　MCU模塊主要由微處理器XE8A8LC05A和非易失性存儲(chǔ)器EEPROM93AA76C組成，其中，XE8A8LC05A內(nèi)置12位A/D" title="A/D">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(hào)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(gè)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(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)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)。
　　HART通信模塊即為HART協(xié)議物理層的硬件實(shí)現(xiàn)。它采用微集成電路HT2012作為HART調(diào)制解調(diào)器。HT2012的工作頻率為460.8kHz，由獨(dú)立的微功耗震蕩器HT7210提供。從HART總線接收到的HART信號(hào)經(jīng)過放大、濾波、比較后送到HT2012，被解調(diào)成邏輯1或邏輯0的數(shù)字信號(hào)傳送給微處理器。同樣，微處理器送出的數(shù)字信號(hào)由調(diào)制解調(diào)器調(diào)制成相應(yīng)的1200Hz或2200Hz的FSK頻移鍵控信號(hào)后疊加在環(huán)路發(fā)送到HART總線上。HART通信方式為半雙工方式。
　　LCD顯示模塊通過HT1620芯片驅(qū)動(dòng)和控制有關(guān)數(shù)據(jù)的顯示。由于采用了電容型偏置電壓充電泵，HT1620的操作電流非常小，能夠滿足本系統(tǒng)低功耗的要求。
　　智能變送器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于如何實(shí)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)路上吸收直流且還要對(duì)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(shí)際應(yīng)用中，為了兼容數(shù)字和模擬兩種信號(hào)，通常將數(shù)字信號(hào)通過V/I轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成幅度為±0.5mA的音頻數(shù)字信號(hào)(1200Hz表示“1”，2200Hz表示“0”)，疊加在4～20mA電流環(huán)上。由于對(duì)稱性，此信號(hào)的平均值為0，因此模擬和數(shù)字信號(hào)互不干擾。但是，環(huán)路上的最大電流瞬時(shí)值Imax=4.5mA，最小值Imin=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(hào)負(fù)半周失真，考慮一定的余量，要求對(duì)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。
　　本方案中，由于大量選用低功耗器件，比較好地解決了這個(gè)問題。數(shù)字電路工作在3.3V，在此條件下，XE88LC05A在12位的ADC和10位的DAC同時(shí)工作并且保證CPU達(dá)到每秒二百萬條指令的處理量的情況下，其工作電流為670μA，HT2012的典型工作電流為40μA，93AA76C 的讀電流為500μA，HT7210在輸出為1MHz的情況下工作電流也不過130μA，而HT1620的工作電流小于3μA，另外整形電路、帶通濾波及其他模擬部分電路的電流不大于1.2mA。因此整個(gè)電路的總工作電流不大于2.1mA,遠(yuǎn)小于3.4mA。這樣變送器可以給傳感器模塊提供的最大電流為1.3mA，這對(duì)許多傳感器來說已經(jīng)足夠了。
3 基于HART協(xié)議的智能壓力變送器的軟件設(shè)計(jì)
　　HART智能變送器的軟件主要包括兩大部分：測(cè)控程序和HART通信程序。
　　測(cè)控程序主要包括數(shù)據(jù)采集、非線性補(bǔ)償、量程轉(zhuǎn)換、線性或開方輸出程序以及阻尼程序等。其中，線性化處理采用最小二乘法原理對(duì)傳感器的特性曲面進(jìn)行曲面擬合，從而得到高精度的溫度和非線性補(bǔ)償。其特性曲面方程如下：
　　N_p=(a₀+a₁×T+a₂×T²)+(b₀+b₁×T+b₂×T²)×P_r+c₀×P_r²
　　通過采集九組或九組以上的壓力和溫度信號(hào)，運(yùn)用最小二乘法對(duì)上式進(jìn)行回歸算法，就可以得到各種類型傳感器的特性曲面的擬合多項(xiàng)式。
　　HART通信程序即微HART協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層的軟件實(shí)現(xiàn)。在上電或看門狗復(fù)位時(shí)，主程序?qū)νㄐ挪糠诌M(jìn)行初始化，主要包括串口工作方式設(shè)定、波特率設(shè)定、清通信緩沖區(qū)、清通信標(biāo)志字和開中斷等。由于HART通信采用的是主從方式，而像變送器這類現(xiàn)場(chǎng)儀表都是從機(jī)，因此在初始化和每次應(yīng)答完主機(jī)命令后都要把接收中斷打開并且一直等候主機(jī)命令。通信中斷程序框圖如圖5所示。