《机电一体化毕业设计论文HART 协议智能差压变送器设计.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机电一体化毕业设计论文HART 协议智能差压变送器设计.doc（33页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、湖南冶金职业技术学院（毕业设计）湖南冶金职业技术学院（2010届）专科毕业设计（论文）HART 协议智能差压变送器设计学 院（部）： 电气与信息工程学院 专 业： 机电一体化 学 生 姓 名： 班 级：机电0723 学号 13 指导教师姓名： 职称 讲师 职称 最终评定成绩 2010 年 6 月目 录摘要3第一章 绪论511现场总线的发展512 智能变送器的发展613目的与意义714本论文主要内容7第二章 HART 协议总体剖析821 HART 协议概述822 HART通信结构模型10221 HART 协议物理层10222 HART 数据链路层11223 应用层12224 各层间的功能关系12
2、23 HART 协议在智能变送器中的应用12第三章 智能差压变送器的硬件设计1631 系统设计方案1632 HART通信模块17321 HART 的优良特性17322 HT2012 芯片的功能模块1733传感器模块1834 MCU模块18341 D/A转换器19342 A/D转换器1935基于HART协议智能差压变送器的电路设计20第四章 HART 协议差压变送器的软件设计2441 变送器的测控程序流程图24411 用户测控程序总体流程图24412 参数设置流程图2642 HART 数据与发送通讯流程图27421 上位机数据采集一次数据的程序流程图27422 变送器数据发送流程图29结论31致
3、谢32参考文献33摘要国家“十五”计划的全面启动，给仪器仪表行业带来新的增长点。据有关方面分析，仅西气东输第一期工程就需要各种类型的流量、压力、温度仪表、调节控制仪表、分析仪器、执行机构和主控系统，估计达100亿左右； 目前对仪器仪表行业产品综合水平评价：达到国际八十年代中期水平，微电子技术和计算机技术在仪器仪表产品中普遍采用，约15的产品实现了智能化，达到国际九十年代水平；30的产品实现了数字化，达到国际八十年代末期水平，整体技术水平不高，综合差距在15年左右。随着国际上“四化”(数字化、智能化、网络化、微型化)产品逐渐成为主流，差距还在拉大。主要表现：产品可靠性、稳定性差的问题依然突出；重
4、大工程项目产品成套率下降(由“八五”的80下降到50左)，高档产品主要被国外产品占领，中档产品面临强烈冲击，加入WT0以后，形势将更加严峻。因此，研究出有自主知识产权的仪器仪表成为当务之急。HART协议的智能变送器作为模拟仪表向数字仪表的过渡产品，由于它在目前己成为事实上的工业标准，符合中国国情，加之它可为开发FF总线产品积累经验，因此仍具有开发价值。两线制HART智能差压变送器的技术难点： 自身的电流不能超过35mA，这是典型的低功耗要求；数字信号在回路中的幅值要求，为1mA(峰峰值)：变送器与手操器的通信。在我国研制出的第一台HART智能变送器，已达到了国际先进水平。关键词: HART协议
5、； 智能变送器； 现场总线ABSTRACTState 15 program into full swing, to the instrumentation industry to bring new growth. According to relevant analysis, only the first phase of the project on natural gas needs of various types of flow, pressure, temperature instrument, regulation and control instruments, analyti
6、cal instruments, actuators and main control system, estimated at 10 billion or so; current device Comprehensive Evaluation Instrument industry products: the mid-eighties to the international level, microelectronics and computer technology in instrumentation products commonly used, about 15% of the p
7、roduct to achieve an intelligent, nineties to meet international standards; 30% of the product is digitized, the late eighties to the international level, the overall technical level is not high and the overall gap of 15 years. As the international community four modernizations (digital, intelligent
8、, network, miniaturization) products become mainstream, the gap is widening. Mainly: product reliability, poor stability of the problem is still outstanding; product sets the rate of major construction projects decreased (from August 5 80% to 50% left), high-end products are mainly occupied by forei
9、gn products, is facing a strong impact on mid-range products join WT0 after, the situation will become more severe. Therefore, developed with independent intellectual property instrument become a top priority. Smart HART protocol analog instrument transmitter as the transition to digital instrumenta
10、tion products, because of its current de facto industry standard has become, in line with Chinas national conditions, coupled with its products can be accumulated for the development of FF bus experience, still has a development value.2-wire HART Smart Transmitter technical difficulties: their curre
11、nt can not exceed 3.5mA, which is a typical low power requirements; digital signal amplitude in the loop requirements for 1mA (peak - peak): transmitter device with the manual operator of the communication. Through the efforts developed the HART Smart Transmitter one to reach the domestic advanced l
12、evel.Keywords: HART protocol; Intelligent transmitter; Field bus 第一章 绪论随着科学技术的迅猛发展，非物理量的测试与控制技术，已越来越广泛地应用于航天、航空、交通运输、冶金、机械制造、石化、轻工、技术监督与测试等技术领域，而且也正逐步引入人们的日常生活中去。可以说，检测技术与自动控制水平的高低，是衡量一个国家科学技术现代化程度的重要标志。加之计算机、控制、通信、网络等技术的迅猛发展，这些不同方面、不同层次的发展，使得作为工业控制数字化、智能化与网络化典型代表的现场总线技术也得到了迅速发展，使计算机控制系统逐步从集散控制系统走向以
13、现场总线为基础的分布式现场总线控制系统，被誉为工业自动化领域具有革命性的新技术。现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一。我们要进行HART变送器的研究，就要必须对现场总线的发展进行初步了解。11现场总线的发展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：
14、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，
15、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420mA的模拟设备还在广泛应用于工业控制各个领域。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420mA模拟信号上叠加不同的频率信号来传送数字信号。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
16、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420mA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，420mA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420mA模拟信号标准将在今后相当长的时间内存在，所以研究
17、HART协议仍具有重要意义。12 智能变送器的发展HART 协议广泛应用在现代检测技术中，而变送器的发展直接影响到HART协议的发展。变送器是工业生产过程中的重要检测设备，广泛用于工业中的压力、差压、流量、液位等工艺的检测，是工业自动化控制的基本数据来源。50年代工业企业开始使用气动变送器，60年代使用电I型变送器，70年代使用电II型变送器，80年代使用电III型变送器。到目前为止，大量使用的智能变送器。经过这么多年的发展，变送器已达到高精度，高可靠性、小型化，并且具有完善自诊断和通信功能。智能变送器具有检测某种变量如压力、温度等，以及把检测结果传送出去的功能。自1983年Honeywell
18、推出智能仪表Smar变送器之后，世界各厂家相继推出各有特色的智能仪表，如Rosemount的1151Smart，Moore产品公司的Mycro XTC,LeeEengineering公司的Smar LD301等产品。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的标准，促使现场总线技术的形成。智能仪表则为现场总线的出现和应用奠定了基础。经过近20年的发展，智能变送器的发展更趋完善，功能增强和多样化，它们具有变送、控制、故障诊断及过程报警灯功能。随着单片机、集成电路等各项电子和通讯行业的发展，智能变送器将向着更智能化、小型化的方向发展。13目的与意义随着微处理技术的飞速发展以及现场总
19、线技术的不断完善，现场总线产品以其完善的功能和突出的特点必将为市场接受，现场总线差压变送器取代传统的差压变送器已成必然。但目前占主导地位的分散型控制系统（DCS）要转化为现场控制总线控制系统（FCS），仪表制造商和用户均需要一个过渡期。HART协议作为过渡协议，具有极强的市场竞争能力和生命力。因此对制造商来说，根据HERT协议的要求，对现在的模拟现场仪表进行智能化改造，在技术上是可行的，经济上节省了开发投入，在商品化所需时间上是较短的。对于用户来说，采用此类产品及改造的控制系统，技术上易于掌握，经济上有利于充分利用已有装备潜在价值。此外，FF协议产品的全面运用，也尚需时日。首先开发采用HART
20、协议的智能差压变送器，推动国产HART差压变送器尽快投放市场，并为开发采用FF协议的智能差压变送器及现场总线控制系统提供实践经验和赢得时间。HART协议智能差压变送器的研究必将取得开发成功将为我们在技术上赶上发达国家技术水平提供可能，也能为我们在WTO的框架下，产品竞争能力的提高提供有效地手段。同时也能为我国自动化领域提供最新的高技术产品，满足我国对现场总线产品的需求。14本论文主要内容课题的主要任务是将微处理技术和HART协议通讯技术引入差压变送器中，实现高精度、多功能的的可编程两线制HART协议智能差压变送器，利用微处理器强大的功能实现变送器的线性补偿，自适应校正、自诊断、通信等智能化功能
21、；远程监控、远程调试，从而使它运行更加可靠，使用更灵活，维护更方便。采用通信数字信号、420mA模拟信号、电源同线传送而互不干扰，使安装、布线更为方便节约。其中要解决的主要问题有：核心芯片的选取，整个系统方案的确定，各个模块之间的连接对系统进行可行性分析，功耗等问题的解决。论文整体分为四章，具体如下：第一章绪论，综述了现场总线的发展、智能变送器的发展和各自的特点。第二章详细介绍了HART通信协议及其应用，它的体系结构以及物理层、数据链路层、应用层的技术规范和各个层所完成的功能及在变送器中的应用。第三章论述了差压变送器的硬件原理。第四章涉及到软件的思路及设计。最后是我对整个设计的体会和总结。第二
22、章 HART 协议总体剖析21 HART 协议概述HART协议，即Highway Addressable Remote Transducer Protocol,可寻址远程传感器高速公路的简称，其定义一句话慨括是在420mA的模拟信号上叠加FSK数字信号，可以传输模拟和数字两种信号。对与日益增加的智能化现场仪表的模拟数字混合通信来说，HART协议已经成为事实上的工业标准。HART通信不需要增加布线，可以通过现存的连线进行，由于允许模拟信号和数字信号的并存，所以当在数字通信上花费时间而增加测量延迟的时侯，HART通信可以用模拟信号来实现控制。在纯数字通信的情况下，HART协议允许采用多点模式，即将
23、多个现场仪表连接到一对导线上，通过智能仪表分别读取各个变送器的数据。很多年以来，传统420mA信号一直成为现场信号传输的标准，在自动化设备之间信息通信受到了极大地限制，仅能的到与过程变量成正比的电流信号，而HART是将1200波特率的频移键控FSK信号加载在420MA的模拟信号以进行通信，它的均值为0，并且这个FSK信号对模拟信号毫无影响，如图2.1所示。在纯数字通信中，HART最多可以允许加载15个现场设，HART协议为了在信号衰减的情况下继续通信，面对接收器和发送器的灵敏度做了特别的规定，这样也减少了干扰和码间串扰的可能性。图2.1 HART数字通信HART协议的显著特性之一就是它可以同时
24、进行模拟和数字两种通讯。许多年以来，设备使用的现场通讯标准是420mA模拟电流信号。在大多数应用中，它们用420mA之间的值成比例的来表示参数。而HART协议不仅传输过程参量。还利用模拟信号上叠加的数字信号来传输控制信号。这样，HART协议就可以支持大多数智能设备和大量存在的模拟设备。从图中我们可以看到，HART协议使用bell202频移键控标准，在420mA基础叠加低电平的数字信号。数字FSK信号的平均值为0。图中的逻辑“1”由1200Hz频率代表，逻辑“0”由2200Hz代表。信息传输速率是1200波特率。HART属于模拟系统向数字系统转变过程中的过渡产品，因此在当前的过渡时期具有较强的市
25、场竞争能力，得到了较快的发展。HART协议提供相对较低的带宽和中等响应时间的通信，其典型应用包括远程过程变量查询、参数设定和对话。为满足工业过程对HART协议的日益需求，1990年成立HART通讯基金会，它是一个独立的、非盈利机构。主要职责是制定、维护升级HART协议标准。登记注册会员、提供对应用HART技术在全球范围内的技术支持和培训。作为一个开放式协议，HART已成为智能仪表事实上的现场总线工业标准，并得到了广泛的应用。目前，世界上已有100多家公司采纳了这一协议，其中有许多如Rosement,Foxboro,Smar,ABB,Moore,Honeywell等等，共生产了近600种HART
26、协议设备，几乎覆盖了所有种类的过程测量仪表和执行设备。HART协议的优良特性表现在以下两个方面：（1） 先进的通信协议随着工业现场总线的出现，各种支持现场总线的传输协议广泛的被用到工业生产的各个方面，HART协议的智能过程中采用的一种先进通信技术，兼容模拟与数字信号传输，现在，越来越多的智能设备的通信都采用HART协议。(2)适应于当今的独特的通信方式HART协议是一种过渡时期的协议，这个过渡时期是指由模拟向数字通信的转变时期，过去存在的大量的现存的模拟传输线路和设备不可能立即取消，而大量的数字化的仪表又不断出现。HART协议为今天大量存在的传统的模式设备对今后数字设备的兼容性提出了独特的通信
27、方案，这种方案确保了现场的基于模拟的电缆设备和电流控制策略还可以很好的应用于将来的数字设备。HART协议之所有适应于当今，是因为它在进行双向数字通信的同时传输420mA的模拟信号，数字通信提供了现场智能设备的需要，而420MaA的模拟信号又支持着传统的仪器设备。HART协议独特的通信方式是基于对420mA模拟信号的充分考虑，向过程测量和控制设备提供了两种数字通信方式。它的应用包括远距离过程变量查询、过程数据的循环接入、参数设置和诊断。22 HART通信结构模型HART 通信结构模型是以国际化组织的开放式互连模型为参照，为分三层，即对应于OSI的应用层、数据链路层和物理层（见图2.2）分层OSI
28、层次HART层次7应用层HART命令6表示层未使用5会晤层未使用4传输层未使用3网络层未使用2数据链路层协议规范1物理层Bell 202图2.2 HART通信结构模型HART 协议规定了对实体之间的通信规则，并通过上下层的接口服务，实现HART 通信模式，以这样的模式，可以在主设备与现场设备之间建立通信连接。221 HART 协议物理层物理层规定了信号的传输方法、信号电平、设备阻抗和传输介质。HART 信号传输时基于Bell 202通信标准，采用FSC 方法，数字信号的传送波特率设为1200bps，数字信号“0”和“1”分别用2200Hz和1200Hz的正弦波表示，这些频率的正弦波叠加在模拟信
29、号上一起传送。如图2.3。由于正弦信号的平均值为0，对模拟信号不会产生影响。HART信号要被智能设备检出，必须具有0.25V（峰-峰值）以上的电平，因此两线制智能设备与电源之间至少要有250 以上的电阻，以免这一信号被电源的低阻抗所短路。多数现有电缆都可以用于HART通信，但最好采用直径大于0.5mm的电缆。限制信号传输距离的主要因素是电阻、电感与分布电容对信号的衰减。通常采用双绞线同轴电缆作为传输介质，单台距离可达3000m，而多台互连最大传输距离可达1500m。这应该能满足大部分用户的需求了。 图2.3 HART 调制频率信号222 HART 数据链路层HART采用异步传行通信，数据链路层
30、规定了通信数据的结构，每个字符由11位组成，其中包括：1 bit 起始位8 bit 数据位1 bit 奇偶校验位1 bit 停止位不仅每个字节有奇偶校验，每个完整的数据帧还用一个字节进行纵向校验。HART数据帧格式如下图2.4所示，其中HART数据项长短并不恒定，最多可包括25个字节，数据形式可为无符号整型数、符点数或ASCII字符串。图2.4 HART 协议数据帧格式223 应用层HART应用层规定了HART命令，智能设备从这些命令中辨识对方信息的含义。这些命令分为三类：通用命令（Universal Commands），普通应用命令（Common-Practice Commands）及专用命
31、令（Device-Specific Commands）。第一类命令是通用的，对所有遵从HART协议的智能设备都适用。例如，读制造厂名及产品型号，读过程变量及单位等。第二类命令对大多数智能设备都适用，但不要求完全一样；适用于常用的操作，如写时间数量、量程标定等。第三类命令是针对各种具体设备的特殊性而设立的，因而，它不要求统一。HART通信协议允许两种通信模式：第一种是“问答式” ，即主设备向从设备发出命令，从设备给予回答，每秒钟可以变换两次数据；第二种是“成组模式” ，即无需主设备发出请求而从设备自动地连续发出数据，传输速率提高到每秒3.7次，但只适用于“点对点”的连接方式，而不适用于多站连接方
32、式。224 各层间的功能关系物理层的基本任务是为数据传输提供合格的物理信号波形，且直接与传输介质连接。物理层作为电气接口，一方面接受来自数据链路层的信息，把它转换为物理信号，并且传送到现场总线的传输媒体上，起到发送驱动器的作用；另一方面把来自总线传输媒体的物理信号转换为信号送往数据链路层，起到接收器的作用，当它收到来自数据链路层的数据信息时，需按照HART 协议规范对数据帧加上前导码与定界符等，并对其实行数据编码，在经过发送驱动器，把所产生的物理信号传送到总线的传输媒体上。；另一方面，它又从总线上接收来自其他设备的物理信号，对其去除前导码、定界符，并进行解码，把数据信息送往数据链路层。而数据链
33、路层规定了物理层和应用层之间的接口，该层还控制对传输介质的访问，决定是否可以访问、何时可以访问。23 HART 协议在智能变送器中的应用HART 作为一种协议应用在智能差压变送器中，其作用是将客户端可以将采集的数据进行分析，计算得到有用的数值，发送回下位机，或者将下位机采集的数据进行分析，发送回上位机。下面就智能差压变送器的命令采集及发送进行说明。命令及命令的格式标准的HART协议命令格式如下表所示：读设备序号命令格式说明如下：起始位序文定界符地址命令数据长度校验位结束符由于要确保待发的命令完整的发送，我们特意在标准命令格式序文前加了一个起始位“23”和在校验位后加了一个结束符“40”。例如：
34、发送读取设备序号命令 23 FF FF FF FF FF 02 80 00 00 82 40命令注解如下表所示：起始位23序文FF FF FF FF FF定界符02地址80命令00数据长度00校验位82结束符40返回的命令格式如下表所示：序文定界符地址命令数据长度数据校验位返回的数据为： FF FF FF FF FF 06 80 00 0E 00 40 FE 50 7F 06 05 01 01 08 00 6B 73 3A 30返回数据命令注解如下表所示：序文FF FF FF FF FF定界符06地址80命令00数据长度0E数据00 40 FE 50 7F 06 05 01 01 08 00
35、6B 73 3A校验位30返回数据6B 73 3A就是这台设备的序号。起始位和结束符只在发送命令时确定命令的完整发送，它不改变命令本身，更不会影响数据的转换。发送读取压力动态变量命令命令格式说明如下表所示：（AT100）82 90 7F固定6B 73 3A设备序号03为命令返回的数据为： FF FF FF FF FF 86 90 7F 6B 73 3A 03 15 00 40 40 D4 E0 00 2D 3E 09 1C 2D 2D 3E 92 E3 9E 返回数据命令注解如下表所示：电流40 D4 E0 00压力3E 09 1C 2D界面3E 92 E3 9E返回数据计算经过反复实验和推理
36、论证而推导出了基于HART协议数据的计算公式。下面以电流为例加以说明。电流值的计算：dlH=(parseddataHart13+parseddataHart12*256.0+(parseddataHart11 & 127) * 65536.0)/8388608.0 +1);dlD=(parseddataHart10*1) & 127) * 256 + (parseddataHart11*1) & 128) / 128127）;启动串口调试程序或者由上位机发送相关的命令进行数据转换，客户端可以将采集的数据进行分析，计算得到有用的数值。将计算所得的数据送到相应的存储区，客户可以根据自己的需要来处理
37、这些数据。也可以根据自己的需要来提取有用的数据量，具体的读取命令，需参阅相关的技术书籍。第三章 智能差压变送器的硬件设计31 系统设计方案 图3.1系统总体设计图本设计的采用模块设计，整个过程包括5个部分：供电模块、HART通信模块、传感器模块、MCU模块、LED模块。变送器种类繁多所涉及的领域十分广，而且技术更新也层出不穷，结构各有千秋，本章要重点介绍的是基于HART协议的差压变送器的硬件设计。该变送器可以完成多个参数检测。采用抗干扰能力强，通信速率高，传输数据精度高的HART协议模块电路完成变送器的数据输出，它既有总线通信的抗干扰力强的特点，又具有变送器输出信号为二线制420mA的工业标准
38、。智能变送器的总体设计要实现低功耗。由于接入HART总线420mA环路中的智能变送器是从HART总线420mA电流环路上吸收直流且还要对网络提供工作电源的A类设备，因此意味着智能仪表供电的电流不能超过4mA。在实际应用中，为了兼容数字和模拟两种信号，通常将数字信号通过V/I转换电路转换成幅度为O.5mA的音频数字信号(1200Hz表示“1”，2200Hz表示“O”)，叠加在420mA电流环上。由于对称性，此信号的平均值为O，因此模拟和数字信号互不干扰。但是，环路上的最大电流瞬时值Imax=4.5mA，最小值Imin=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
39、，考虑一定的余量，要求对变送器的供电电流不超过3.4mA。所以在元器件的选择上要充分考虑如何降低功耗。32 HART通信模块通信模块是本设计的一个重点。SMAR公司生产的一款HART信号调制解调器专用芯片HT2012是一款符合Bell 202标准的单片COMS 低功耗FSK调制解调器，同类产品还有HT2013,SYM20C15等。 321 HART 的优良特性SMAR 公司生产的 HT2012 是一种工作在 Bell202 标准下的半双工 HERT Modem,是采用FSC 技术的 CMOS 低功耗调制解调器。HT2012 芯片用来实现 HART 协议中通信信号的调制过程，为过程仪表和其他低功
40、耗设备提供 HART 通信能力。 HT2012的传输速率1200bit/s, 工作频率为1200Hz和2200Hz，HT2012的特性为：工作在Bell 202标准下，通信率为1200bit/s;工作频率为12002200Hz；低功耗（最大为40uA）；载波监听功能；频移键控技术（FSK）；1200波特率的接受和发送频率；35V的工作电压；与CMOS 和DTL 电路相兼容；最优良的伏安特性；使用CMOS 技术制作，16和28脚封装。322 HT2012 芯片的功能模块 T2012的主要功能可以分为4个模块：时钟模块、解调器模块、调制器模块、载体检测模块。图3.2给出了是HT2012中所有的功能
41、模块和它们之间的控制关系。HT20l2需要460.8kHz外时钟输入，35V供电，低功耗（典型值40A）。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。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。 460.8 K19.2 K图3.2 HT2012的功能模块33传感器模块传感器模块主要包括传感器桥路，如图3.3所示，其中，电阻R20的温度系数应不大于50PPM。图3.3
42、传感器模块34 MCU模块 MCU模块主要由微处理器XE8A8LC05A和非易失性存储EEPROM93AA76C组成，其中，XE8A8LC05A内置12位A/D转换器和 10位D/A转换器。传感器模块输出的压力和温度信号经整形和带通滤波电路后，分别接至微处理器内置的A/D转换器的两个通道，并且使用传感器电桥供电电压作为A/D转换器的参考电压，以排除电桥不稳定所造成的误差。在进行A/D转换后，再由CPU进行线性化处理、量程转换、阻尼处理等运算，最后通过微处理器内置的D/A转换器把数字信号转换成电流信号输出。EEPROM用来保存所有组态、特征化和数字微调数据。341 D/A转换器为将数字频率信号转
43、换为0.5mA的频率信号，叠加在两线的420mA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，是专为HART协议智能仪表设计的，包括420mA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）420mA输出（2）HART兼容，能用于标准HART FSK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，7
44、50A最大静态电流，典型值为575A；（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：420mA输出方式和3.524mA报警输出方式342 A/D转换器为实现智能变送器的功能，在电路硬件设计上，需要1个增益可调的仪表放大器和1个分辨率至少在14位的A/D转换器，来实现对传感器信号的放大和模数转换。这样才能达到智能变送器的高精度、自动调节量程、大量程比的设计要求。对智能差压变送器，还需要对静压和温度进行采样，从而实现对静压和温度的补偿，提高全范围的测量精度。这样，还需要1个多路转换器实现通道间的切换。如果选用分立元件，
45、必然会有相当大的功耗引入，难以满足HART协议智能变送器功耗要求。某些大公司为兼容420mA的智能变送器设计了专用A/D转换器，如MAXIM公司的MAX1400和AD公司的AD7714。其共同点是将增益可调的仪表放大器、多路转换器和A/D转换器集成在1个芯片中，功耗在几百A左右，为实现HART协议智能变送顺提供了方便。MAX1400基本性能：（1）MAX1400为低功耗、多通道、带SPI同步串行口的/ A/D转换器；（2）18位分辨率；（3）3个全差分或5个准差分信号输入通道；（4）可编程PGA，选定增益分别为（1，2，4，8，16，32，64或128）；（5）AIN1AIN6可组成3个全差分
46、输入通道，也可以组合成5个准差输入通道；（6）2个额外的全差分系统校正通道CALOFF和CALGAIN用来作为失调和增益误差的校正；（7）MAX1400内的2个漂移补偿缓冲器，用于隔离所选输入和PGA及调制器的电容性负载的联系。当V+为5V供电时，MAX1400的参考输入为2.5V，模拟输入的变化范围为-Vimax+Vimax。Vimax=5（2GAIN）。35基于HART协议智能差压变送器的电路设计图3.4为HART协议智能差压变送器的电路原理图。电路所用集成电路为上面所提及的，其特点为：集成度高、性/价比好、功耗低、功能强。片间的数据通信采用MOTOROLA公司推出的同步串行外围接口SPI（Serial Peripheral Interface），同优点是占用MCU资源小，可根据系统的大小随着扩充。在实际应用中，单片机可方便地与带SPI接口的集成电路芯片如A/D、D/A、数据存储器等连接。由于单片机PIC16C73带有SPI串行总线
