智能電流變送器中HART調(diào)制解調(diào)器的實(shí)現(xiàn)方法

　　引 言

　　先進(jìn)的智能變送器是工業(yè)過程控制技術(shù)發(fā)展的需要，也是工藝過程實(shí)現(xiàn)高精度控制的必需，具有很好的市場(chǎng)前景。現(xiàn)場(chǎng)總線是目前國(guó)際上過程控制領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)，通過現(xiàn)場(chǎng)總線，數(shù)字通信技術(shù)可以延伸到現(xiàn)場(chǎng)儀表，給控制體系帶來(lái)一場(chǎng)革命。HART協(xié)議作為一個(gè)開放性的協(xié)議，現(xiàn)已成為智能儀表的事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)在，國(guó)際及國(guó)內(nèi)使用的智能變送器基本是帶有HART通信功能的智能變送器(簡(jiǎn)稱為“HF智能變送器”)，是一種將標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)(4～20 mA)與數(shù)字信號(hào)技術(shù)結(jié)合在一起用于傳送過程參數(shù)的變送器。傳統(tǒng)變送器傳輸傳感器數(shù)據(jù)的同時(shí)，不能傳輸控制信號(hào)與診斷信號(hào)。同時(shí)為了滿足智能現(xiàn)場(chǎng)通信器對(duì)信號(hào)實(shí)時(shí)處理的需要，在HART智能現(xiàn)場(chǎng)通信器軟件總體設(shè)計(jì)中采用實(shí)時(shí)嵌入式控制系統(tǒng)。為此，筆者設(shè)計(jì)了一種基于MAXQ2000嵌入式微處理器的增強(qiáng)型智能變送器，采用HART協(xié)議進(jìn)行信號(hào)的調(diào)制解調(diào)，所提供的通信通道在傳輸傳感器數(shù)據(jù)的同時(shí)，還可傳輸控制和診斷信號(hào)。

　　1 HART智能儀表的特點(diǎn)

　　HART協(xié)議遵循ISO制訂的OSI開放式系統(tǒng)互連參考模型，采用了OSI模型的第1層、第2層和第7層，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層?，F(xiàn)場(chǎng)總線(field bus)是一種數(shù)字化的串行雙向通信系統(tǒng)，能將所有的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、傳感器、執(zhí)行器等與控制器用1根電纜(光纜或無(wú)線)連接在一起，形成現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)、車間級(jí)的數(shù)字化通信網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)控制遠(yuǎn)程傳送等功能。HART現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)采用主從工作方式，主機(jī)一般為1臺(tái)PC機(jī)，從機(jī)可為1臺(tái)或多臺(tái)具有HART通信功能的智能變送器。

　　HART智能儀表具有如下特點(diǎn)：

　?、賹?shí)現(xiàn)了傳感器信號(hào)的數(shù)字化，提高了測(cè)量精度。

　?、趯?shí)現(xiàn)了傳感器信號(hào)的智能化，能方便地修整擬合曲線并進(jìn)行各種補(bǔ)償。

　?、壑悄軆x表實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化，在控制站內(nèi)可直接觀察數(shù)千臺(tái)儀表。

　?、芡ㄐ艂鬏敳捎?～20 mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)加數(shù)字信號(hào)方式，可直接替換模擬儀表。

　?、萃ㄟ^數(shù)字信息能讀出儀表各種管理信息，如生產(chǎn)廠家、儀表型號(hào)、生產(chǎn)序號(hào)、維修時(shí)間等。

　?、蘅裳b入算法，直接構(gòu)成控制回路。

　?、吖ぷ髟?～20 mA現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的兩線制回路中。在應(yīng)用時(shí)，其兼容模擬與數(shù)字信號(hào)，而頻率信號(hào)經(jīng)過V／I轉(zhuǎn)換電路的轉(zhuǎn)換管，轉(zhuǎn)換為幅度為0.5 mA的頻率信號(hào)，疊加在兩線制4～20 mA的電流環(huán)上。由于對(duì)稱性，此信號(hào)的平均值為0，所以模擬、數(shù)字兩信號(hào)互不干擾。

　　⑧具有線性化處理功能、溫度補(bǔ)償功能、零點(diǎn)自動(dòng)調(diào)整功能、量程自動(dòng)調(diào)整功能、數(shù)字化通信功能等。

　　2 電流變送器

　　最簡(jiǎn)單的電流變送器是采用簡(jiǎn)單的電流環(huán)路進(jìn)行信號(hào)傳遞的。在環(huán)路中，傳感器的輸出電壓首先按比例轉(zhuǎn)換成電流，遠(yuǎn)端接收器將4～20 mA的電流又轉(zhuǎn)換為電壓，利用計(jì)算機(jī)或顯示模塊做進(jìn)一步處理。典型的4～20 mA電流環(huán)電路包括4個(gè)部分：傳感器／變送器、電壓—電流轉(zhuǎn)換器、環(huán)路電源和接收器／監(jiān)視器。為適應(yīng)工業(yè)需求，出現(xiàn)了稱作“智能型變送器”的第2代4～20 mA變送器，這種變送器采用微控制器(μC)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器調(diào)理遠(yuǎn)端信號(hào)。智能型變送器可以對(duì)增益和失調(diào)進(jìn)行校準(zhǔn)，通過將傳感器模擬信號(hào)數(shù)字化(如電阻式溫度檢測(cè)器RTD和熱電偶)實(shí)現(xiàn)線性化處理，用駐留在μC內(nèi)部的數(shù)學(xué)算法處理信號(hào)，再將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換回模擬信號(hào)，結(jié)果以標(biāo)準(zhǔn)電流的形式沿環(huán)路傳輸。最新的第3代4～20 mA變送器被認(rèn)為是“增強(qiáng)型智能”變送器。它們?cè)黾恿伺c4～20 mA信號(hào)共享雙絞線的數(shù)字通信功能。所提供的通信通道在傳輸傳感器數(shù)據(jù)的同時(shí)，還可傳輸控制和診斷信號(hào)。設(shè)計(jì)的增強(qiáng)型智能變送器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC、數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC、MAXQ2000微控制器、電壓調(diào)節(jié)器、信號(hào)調(diào)理、HART調(diào)制解調(diào)器、I／O通道、雙絞傳輸線組成。

　　智能型變送器所使用的通信標(biāo)準(zhǔn)是HART協(xié)議，HART協(xié)議采用美國(guó)電話通信系統(tǒng)Bell202頻移鍵控(FSK)標(biāo)準(zhǔn)。如圖2所示，在4～20 mA的模擬信號(hào)上疊加0.5 mA的正弦波數(shù)字信號(hào)，其數(shù)字信號(hào)1和0分別由1 200 Hz和2 200 Hz頻率表示。這些頻率的正弦波疊加在傳感器的直流模擬信號(hào)上，同時(shí)提供模擬和數(shù)字通信。因?yàn)镕SK信號(hào)的平均值始終為零，所以數(shù)字通信信號(hào)不會(huì)影響4～20 mA的模擬信號(hào)。數(shù)字狀態(tài)每秒鐘可以轉(zhuǎn)換2～3次，而不會(huì)妨礙模擬信號(hào)。允許的最小環(huán)路阻抗為23 Ω。

　　在該智能電流變送器中，μC必須具備3種特定性能：

　?、俅薪涌冢B接用于數(shù)據(jù)采集的ADC和用于設(shè)置環(huán)路電流的DAC。

　　②因?yàn)轭A(yù)算電流為4 mA，所以要求低功耗。

　?、鄢朔?累加單元(MAC)，既完成輸入信號(hào)的數(shù)字濾波，在HART協(xié)議中又同時(shí)進(jìn)行編碼和解碼。

　　μC選用MAXQ2000。低功耗的MAXQ2000是Maxim／Dallas公司的新產(chǎn)品，是一種高性能、16位的RISC器件。