一种基于HART协议的多通道数据测量智能变送器

传统的HART（高速可寻址远程传感器）变送器的功能相对简单。 它只测量温度、压力、位移、电磁流量等单一物理量。 传感器输出微弱的电压或电流信号。 由于这些传感器的负载阻抗、激励方式、输入信号灵敏度、补偿方式等各不相同，以往的变送器需要设计不同的配套电路来配合相应的传感器，给制造和采购部门带来了很多不便。 。 ，这也延长了交货周期。 本文研究的智能HART通用变送器不仅保留了传统仪表的4mA~20mA模拟信号输出，而且通过HART协议实现了双向数字通信。 可与任何符合HART协议的手持终端或控制系统互联； 变送器类型、供电方式（恒压源供电或恒流源供电）、零位、测量范围、工程单位、阻尼时间等基本信息和参数。

1 系统硬件电路设计

微处理器是HART智能变送器的核心枢纽，协调各模块正确、有序地工作。 目前市场上多采用51系列单片机，但51系列单片机大部分仍采用8位中央处理器。 对于HART通信等对运算速度要求比较高的硬件系统来说，8位处理器已经不能满足要求。 另外，51单片机内部硬件资源也比较少。 单片机需要与液晶显示模块、A/D转换模块、D/A转换模块、UART通信模块等外围电路进行通信，51单片机的外围扩展端口有限。 显然，不符合要求。 本硬件系统中的MCU采用Motorola公司生产的MC9S12E64[3]。 该芯片比普通微处理器芯片具有更多的优点。 MC9S12E64采用模块化结构，采用16位中央处理器CPU，最高总线速度为8 MHz，大大提高了运算速度和精度。

1.1 系统方案设计

为了满足多通道数据测量和低功耗，硬件电路主要包括：MCU微处理器模块； A/D转换模块； HART通讯模块； 电源模块； 恒压/恒流励磁电路。

为了实现多通道模拟信号的测量，本硬件系统采用24位多通道ADC（AD7714）来实现，其中两个构成差分电压V1输入，另外两个测量单端分别为电压V2和电流I。 如图1所示，通过在电流输入端加一个电阻，电流的测量实际上就是电压的测量。 这样，对应的测量电压值就转换为实际电流值。

为了克服输入电压、电流信号对AD7714测量的影响，硬件电路设计中采用了数字开关芯片ADG733，通过MCU控制ADG733间接“打开”或“关闭”输入通道并消除外部信号对AD转换的影响。 另一方面，也有利于多通道测量。 在每个通道前面添加由运算放大器组成的驱动电路，可以形成模拟滤波器和放大网络，以提高测量精度。 UART输入信号直接连接到MCU空闲引脚，实现数字测量。 考虑到功耗，实际使用中不可能使用所有测量通道。 根据需要配置1~2个通道用于测量和转换。

1.2 分层电源网络和低功耗设计

1.2.1 分层电力网络设计

考虑到单电源供电的情况（如图2所示），由于MCU、D/A、HART等模块需要使用近2mA的电流，因此信号采样部分的功率非常有限，只有1mA左右。 除去A/D、运算放大器等消耗的电流，实际提供给传感器的电流只有0.5mA左右。 功耗只能通过降低励磁电压/电流来降低。 同时在软件中进行控制，一次只能对一个测量通道进行采样并转换输出。 该方案的优点是结构简单，但用途有限。 只有数字通信才能实现多个参数的测量。

另一种解决方案是采用分层电力网络模式。 模拟信号的测量和转换采用上3V电源网络（通过TL431调节，可提供2mA左右的电流）。 同时，这个稳定的3V可以直接作为恒压源进行传感器激励。 数字信号（频率和UART）的测量使用较低的供电网络来实现与MCU的简单连接。 这种方案的优点是解决了功耗问题，但电路变得复杂，而且输入接口侧的模拟信号和数字信号不共用同一个“地”，所以要注意将它们分开。 图3显示了分层电源网络的设计。

1.2.2 电平转换模块设计

上层电路如AD7714使用的电源为VDD=+6V，GND=+3V。对于AD714来说，+3V代表0，+6V代表1。MCU使用下层电源，即VDD =3V，GND=0V。对于MCU来说，0V代表0，+3V代表1。如果AD7714想通过SPI与MCU通信，显然两个端口不能简单连接，需要设计合适的电平转换电路来满足数字通信的要求。

图4中，将MCU的MOSI的0V~3V电压转换为3V~6V电压，供AD7714进行SPI数字通信。 当单片机输出为0，即输入为0V时，则三极管Vbe=0V

1.3 HART通讯模块设计

HART协议通信模块主要由现场仪表中的A5191HRT和AD421 DAC组成。 其中，AD421接收MCU发送的数字信号，转换为4mA~20mA电流输出，并发送测量结果：A5191HART[1]接收叠加在4mA-20mA环路上的FSK信号。 解调后传输给MCU，或者将MCU产生的响应帧信息调制成FSK信号然后由AD421将波形叠加在4mA~20mA环路上进行传输，如图6所示。

A5191HRT内部包括发送数据调制器和波形整形电路、载波检测电路、接收滤波器和解调电路、控制逻辑和时钟振荡电路。 调制器接收不归零码并将其调制为FSK信号。 1 200 Hz代表逻辑“l”，2200 Hz代表逻辑“0”，数据速率为1 200 b/s，然后波形整形电路将FSK信号整形为兼容HART协议要求的信号并发送出去。

2 系统软件设计

HART通用智能变送器的软件按其功能分为四个部分：监视程序、测控程序、HART通讯程序和辅助程序。 监控程序是整个系统软件的中心环节，也称主程序。 它接收并分析各种命令，管理和协调所有程序的执行，包括系统初始化、系统自检等部分； 测控程序主要包括数据采集、数据处理、输出控制和自诊断。 通过采样中断子程序实现数据采集，并在主程序中调用数据处理、输出控制和自诊断。 HART通讯程序是HART协议数据链路层和应用层的软件实现。 它是整个智能变送器软件设计的关键。 仪器的互操作性也体现在这里。 数据链路层软件主要是串口接收/发送中断子程序，属于中断处理（服务）程序； 应用层软件对接收到的命令帧进行翻译处理，并在主程序中调用。

2.1 HART通讯程序设计

HART通讯程序是HART协议数据链路层和应用层的软件实现。 它利用串口中断来实现通信接收和发送服务。 所有符合HART协议的通信工作均在该程序中完成，如图7所示。

进入串口中断服务程序后，首先要确定是发送请求还是接收请求。 如果发送请求标志为l，则转向发送服务程序； 如果接收请求标志为l，则转向接收服务程序。 HART应用层软件对接收到的命令帧进行翻译和处理，如：字节流与浮点数、整数、字符串之间的转换，然后根据各自的命令号进行相应的命令处理，如：改变范围、改变范围等。最后将响应帧按照一定的格式放入发送缓冲区，并通过串口中断发送回来。 如果存在通信错误或命令错误，则会发回报告错误的响应帧。 发送服务程序在程序运行过程中向主机发送信息。 需要设置发送请求标志位，将要发送的数据信息存储到串口发送缓冲区中，并计算垂直校验。 这里要发送的数据信息格式为：前导码2B、分隔符1B、地址码1或5B、命令号1B、字节长度1B、响应码2字节、数据0~25B、校验和1 B. 发送时，首先要开始发送载波，初始化物理层，建立通信链路与另一个对等通信实体进行通信，发送响应帧，发送完毕后停止发送载波，初始化物理层，并终止物理层链路通信。 发送服务首先发送前导码，每发送一个前导码，计数器就减1，然后发送HART协议的响应帧。 发送完成后，载波停止。

目前，HART智能仪表的市场份额接近50%，但仍有约40%的仪表采用模拟或非标准数字协议进行输出。 这些仪表将逐渐被HART协议或其他数字总线协议所取代。 为了将这些特殊规格的产品升级为HART智能仪表，一般需要定制配套的电子元件或HART转换模块。 这些复合多参数传感器也是由普通压力、差压、温度等传感器组成。 为了将这些特殊规格的仪表或传感器升级为HART型智能变送器，需要设计通用电子元件来提供多种测量通道，不仅可以与市场上常见的传感器相匹配，还可以与复合多路传感器相匹配。 -参数传感器匹配。 本文根据当前行业的实际需求，设计了一款基于HART协议的多通道数据测量智能变送器，以满足多参数测量。 在电路设计方面，为了降低硬件电路的功耗，提出了双层供电网络结构来满足电路设计要求。