摘 要：介紹了基于HART協(xié)議的以微處理器XEMICS為核心的智能壓力變送器的開發(fā)。該智能壓力變送器可用于現(xiàn)場壓力實時監(jiān)測，具有溫度和非線性補償、低功耗并且具有兼容數(shù)字和模擬通信的能力。 關(guān)鍵詞：HART協(xié)議 智能壓力變送器 數(shù)字通信 低功耗 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.信號的精度較低且傳輸過程中易受干擾。隨著電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，特別是現(xiàn)場總線的問世，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所趨。然而由于模擬現(xiàn)場儀表大量使用，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間，在此期間，開發(fā)出一種能兼容模擬信號和數(shù)字信號的智能儀表將具有十分重要的現(xiàn)實意義。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 　　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)場總線的一種，而且是一種過渡性的協(xié)議。其特點是能在現(xiàn)有模擬信號傳輸線上實現(xiàn)數(shù)字信號的通信，可對改進(jìn)儀表間的通信提供無風(fēng)險解決方案，在模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉(zhuǎn)變的過渡時期具有較強的市場競爭力。 　　HART協(xié)議采用基于Bell202標(biāo)準(zhǔn)的FSK頗移鍵控信號，在低頻的4～20mA模擬信號上疊加幅度為0.5mA的音頻數(shù)字信號進(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)定了信號的傳輸方法、傳輸介質(zhì)，為了實現(xiàn)模擬通信和數(shù)字通信同時進(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模擬信號上迭加一個音頻數(shù)字信號。頻率信號采用Bell202國際標(biāo)準(zhǔn)，1200Hz代表邏輯“l(fā)”，2200Hz代表邏輯“0”，信號幅值為0.5mA，如圖l所示。數(shù)字信號的傳送波特率設(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，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)冗余檢錯碼信息，采用自動重復(fù)請求發(fā)送機制，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，實現(xiàn)了通信數(shù)據(jù)無差錯傳送。 　　現(xiàn)場儀表要執(zhí)行HART指令，操作數(shù)必須合乎指定的大小。每個獨立的字符包括一個起始位、八個數(shù)據(jù)位、一個奇偶校驗位和一個停止位。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個字節(jié)。 　　1.3 應(yīng)用層 　　應(yīng)用層為HART命令集，用于實現(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。 　　普通命令對大多數(shù)智能設(shè)備都適用，但各個產(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、寫阻尼時間常數(shù)等。 　　專用命令則是針對具體設(shè)備的特殊性設(shè)立的，以實現(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 　　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，該變送器的硬件部分主要包括以下幾個模塊：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。 　　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和非易失性存儲器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)。 　　HART通信模塊即為HART協(xié)議物理層的硬件實現(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，由獨立的微功耗震蕩器HT7210提供。從HART總線接收到的HART信號經(jīng)過放大、濾波、比較后送到HT2012，被解調(diào)成邏輯1或邏輯O的數(shù)字信號傳送給微處理器。同樣，微處理器送出的數(shù)字信號由調(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HTl620芯片驅(qū)動和控制有關(guān)數(shù)據(jù)的顯示。由于采用了電容型偏置電壓充電泵，HTl620的操作電流非常小，能夠滿足本系統(tǒng)低功耗的要求。 　　本方案中.由于大量選用低功耗器件，比較好地解決了這個問題。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HTl620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，這對許多傳感器來說已經(jīng)足夠了。