【摘要】 HART协议是由模拟系统向数字系统转变过程中唯一向后兼容的智能仪表解决方案 ,它在提供现场总线的好处时 ,保留对现有 4～20mA 系统的兼容性。对于一个典型的 HART 智能仪表 ,其电路组成一般包括电源模块、传感器接口电路、 A/D转换、 MCU、 D/A 输出等。 关键词: HART协议 智能仪表 现场总线
1 前言
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70 年代中期 ,工业过程控制仪表发展成为统一的两线制 4～20mA标准信号 ,促进了工业过程控制系统的发展。但是从 80 年代开始 ,随着微电子学的发展 ,大量含有微处理器的智能变送器、控制器和集散系统(DCS)得到了普遍应用。现场设备与控制室自动化设备间需要传输的信息量也急剧增加。由于原有的 4～20mA模拟电流回路 ,只能在一根两芯电缆中单向传输一个参数 ,已经不能适应这种要求 ,所以在现场设备和控制系统之间 ,迫切需要一种全数字化的、双向、多变量的通信规程 ,来代替现有的 4～20mA模拟传输方式。在这种需求的推动下 ,随着计算机网络技术的不断进步 ,现场总线技术得到了迅速发展。
HART ( HIGHWAY如何采集数据 ADDRESSABLE REMOTE TRANSDUCER,可寻址远程传感器通路)是用于现场智能仪表和控制室设备间通信的一种工业标准通信协议 ,它并不是严格意义上的现场总线协议 ,而只是一种过度性的现场总线标准。
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2 HART协议简介
虽然 HART 协议只是一种由模拟系统向数字系统转变过程中的过渡协议 ,但是由于 HART 协议是唯一向后兼容的智能仪表解决方案 ,即它可以在提供现场总线的优越性的同时 ,保留对现有 4-20mA 系统的兼容性。而且与模拟仪表相比 ,HART 智能仪表在成本不增加太大的前提下 ,具有易于调试维护和更高的精度的优点 ,因而在当前的过渡时期具有较强市场竞争力 ,在目前智能仪表市场上占有很大的份额。
HART协议使用了 ISO/OSI模型的第 1、 2、 7 层 ,即物理层、数据链路层和应用层。HART 通信可以有点对点或多点连接模式。下面将对这三层分别进行简单的介绍。
HART协议在物理层使用了Bell202标准的频移键控(FSK)信号 ,在 4～20mA 信号过程测量模拟信号上叠加了低电平的数字信号。数字FSK信号相位连续 ,平均值为0,不影响4～20mA模拟信号 ,从而使模拟信号和数字双向通信能同时进行 ,而不相互干扰。在 HART协议中物理层中 ,规定通信传输速率为1200波特 ,逻辑“1”由一个周期的 1200Hz 频率代表 , 逻辑 “0”由近似两个周期的 2200Hz代表 ,见图 1 和图 2。
图1 HART使用 FSK技术对数字信息编码 图2 HART数字通讯信号叠加在4～20mA模拟信号上
HART的数据链路层规定了通信数据的结构、通信模式、用户接口原语等。比如规定了在
HART通信中 ,每个字符由11位组成 ,包括1bit 起始位、8bit 数据位、 1bit 奇偶校验位、1bit 停止位。HART数据链路层规定了HART通信基于主/从(Master/Slave) 协议原理 ,这意味着只有在主站呼叫时,现场设备才传送信息。在一个HART总线上,可以同时存在两个主设备,第2主设备通常为手持器,如图3所示。在这种模式下,由于每次数据的传送都必须由主设备发起,所以数据更新速率比较低。当需要更高的数据更新速率时,可以使从设备工作在突发(Burst )模式。当从设备进入突发模式后,将不断的发送指定的 HART响应信息 ,直到主站发送命令使其退出突发模式。
图3 HART协议允许总线上存在两个主设备
HART协议也支持在一对双绞线上挂接多台HART协议从设备。将HART协议智能仪表的轮询地址设为非0,将使其工作在多点模式。在多点模式下,4～20mA模拟信号作废,流经从设备的回路电流固定在 4mA。由于每个HART协议从设备具有唯一的长设备地址，所以主设备可以对每一个从设备进行操作,此时通讯方式只能是主/从模式。
HART协议在应用层规定了强大的命令集。HART通讯基于命令,也就是主站发送命令,从站作出相应的响应。HART命令可以分为通用命令、普通常用命令、设备特殊命令三类。通用命令对于所有符合HART协议的智能设备都适用,目的是确保在大量并不断增长的来自不同供应商的符合HART 协议的设备间可互操作,并在日常工厂操作中访问数据,即读取过程测量值,上限、下限范围,和其他一些信息,诸如生产厂家、型号、位号及描述等。普通常用命令访问那些大多数但并非全部设备所具有的功能。这些命令可选,但如果实现,必须被特殊说明,这些命令用于常用的操作如写阻尼时间常数等。设备特殊命令是针对各种具体设备的特殊性而设立的,不要求设备之间统一,大多数用于设备参数组态、标校等。在每一个HART命令响应中包含设备状态信息,指出设备失效或其他问题,例如模拟输出饱和、变量超限或通讯错误等。一些 HART协议兼容设备可以连续检查设备状态位 ,在发现问题时 ,发出警报或停车。
为了确保互操作性,在通用和普通常用命令的基础上,HART协议规定了设备描述(DD)并通过设备描述语言(DLL)表达。DD把主设备操作从设备所需的所有信息都放在了一起,并且对现场设备给出了一种清楚的、无二义性的、一致的描述。HART 从设备生产商使用DD建立相关设备特性的软件 ,因而有识别DD能力的主站可以完全访问该设备。一个针对所有HART兼容设备描述的中央数据库由 HART 通讯基金会管理。
3 HART智能仪表的组成原理
对于一个典型的HART智能仪表,其电路组成一般包括电源模块、传感器接口电路、 A/D 转换电路、MCU、D/A 输出电路和HART通信电路等,如图 4 所示。
图4 HART智能仪表电路结构示意图
具体来说,电源模块的功能是将环路24V电压转换为+3V或者+5V供电电压,供仪表使用;传感器接口用于向传感器提供激励,例如恒压或者恒流驱动,并且将传感器的输出电压经适当的滤波后引入到 A/D转换器的模拟输入接口;A/D 转换部分对传感器输出的信号放大后,转换为数字量供MCU使用;存储器中可以存放各种组态信息、校准参数等;D/A输出部分完成电压到环路电流的转换;HART通信模块用于实现 HART协议物理层的实现;单片机(MCU)则是整个智能仪表的核心,协调其余部分的运行,完成运算、通信等功能。
在HART协议智能仪表的设计中,关键性的问题是必须解决低功耗问题。由于HART通讯协议规定,有±0.5mA的电流叠加在环路4～20mA上,并且在许多智能仪表中,都要求报警电流至少可以低至3.9mA,所以整个仪表的工作电流必须限制在3.4mA 以下。因此在电路设计中,各个部分均要选用高集成度、低功耗器件。例如可以选用LINEAR公司的LTC1665L或者MAXIM公司的MAX5441系列,实现D/A输出功能;选择LTC1521系列等线性稳压器实现电源模块的功能; 而在A/D部分, 则选择MAX1400、 LTC2415等低功耗、高精度的A/D转换芯片等。下面我将根据以上的分析,给出一种 HART智能变送器的设计方案,并对各部分电路功能进行简单的说明。
4 HART智能仪表的实现
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根据以上的分析,提出了一种HART智能变送器电路的实现方案。在这个方案中,MCU选择TI公司的超低功耗16位RISC结构的单片机MSP430F147,A/D 转换芯片选择LINEAR公司的LTC2415,D/A转换芯片选择MAXIM公司的MAX5443。图5是使用这些芯片设计的HART 协议智能变送器的简单的电路原理示意图,给出了主要部分的电路及各个功能块之间的连接。因为各种变送器需要的传感器是不同的,所以在这个设计方案中没有给出具体的传感器部分接口电路,使用时根据不同的传感器设计相应的接口电路即可。
免清洗焊锡丝图5 HART协议智能仪表电路示意图
在这个设计方案中,使用线性稳压器TLC1521-3从4～20mA环路中转换出3V电源供整个系统使用。TLC1521 —3是LINEAR公司生产的低压差线性稳压器 ,其输出电流可以达到300mA,静态电流只12 μA,完全可以满足供电要求。
程控步进衰减器系统 MSP430F147主要特点是:超低功耗(300μA@3V、1MHz)、32KB的FLASH程序存储器、1KB的内部SRAM、256字节用于记录需要掉电保护的数据的信息存储器、两个可分别配置为SPI接口或者UART接口的通用同步异步串行接口、两个带有多组捕捉/比较寄存器的16位定时路、多通道12位A/D转换器、48个I/O端口。丰富的资源、强大的功能、超低的功耗使得 MSP430F147非常适用于GART总线现场仪表。MSP430F147具有SPI接口,可以方便的与具有SFI接口的LTC2415和MAX5443连接。MSP430F147内部具有上电复位和看门狗电路,所以无需外接复位电路和看门狗电路。
对于多数传感器,其输出信号的幅值都比较小,满量程一般在几个毫伏或者几十个毫伏。因此为了对模拟信号进行采集,通常需要增益可调的仪表放大器和高分辨率的A/D转换器。如果采用分立元件实现小信号的放大,则功耗比较大,而且要满足14 位以上精度A/D转换器
的需要也比较困难。许多公司为了低功耗、小信号采集的应用,专门设计了一些仪表用A/D转换器,例如MAXIM公司的MAX1400系列、 LIN2EAR公司的LTC2400系列等。这些A/D转换器的特点是内置了仪表放大器,采用∑-Δ技术,直接对小信号进行采集,以很小的功耗实现非常高的采集精度。设计方案中采用的LTC2415为全差分输入、24位∑-ΔA/D转换器,与MCU采用SPI接口进行数据传送。
D/A输出和V / I (电压/电流) 变换部分由MAX5443和MAX478实现,MAX5443是MAXIM公司的 16位电压输出型模数转换器。它具有8引脚的小型封装,+3V供电时功耗仅有120μA,而且建立时间只需 1μs,非常适合于低功耗的应用。MAX5443的电压经过MAX478可以实现电压到电流的变换,从而控制 4～20mA电流回路。MAX5443和LTC2415需要的+215V基准参考电压由MAX6166提供。
HART通信模块由HT2012、波形整形电路和滤波器电路等组成。HT2012是SMAR公司生产的单片CMOS微功耗FSK调制解调专用芯片。HT2012可以实现调制器、解调器和载波检测的功能 ,为此需要一个频率为46018kHz的外部时钟输入 ,此时钟可以同时提供给MSP430F147作为外部时钟输入。由于HART协议通讯工作于半双工方式,所以每个设备在
发送数据前必须保证总线处于空闲状态,HT2012的载波检测功能可以随时监测总线的状态。具体的说,HT2012在IRXA端口的载波频率处于1000～2575Hz之间时,载波检测输出端OCD输出有效低电平,MCU可以根据OCD的状态判断总线是否处于空闲状态。整形电路由74HC126 (4 三态输出缓冲器) 组成 ,整形后的 HART协议电压信号经过2个750Ω电阻和 212μF的耦合电容输入到MAX478的同相输入端,可以实现HART电压信号向±015mA回路电流信号的转换。滤波器电路由运算放大器和电阻电容等组成,可以有效的滤除总线上的噪声,并且对信号进行适当的放大处理后,送入HT2012进行信号的解调处理。
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