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

　　引 言

　　先進的智能變送器是工業(yè)過程控制技術(shù)發(fā)展的需要，也是工藝過程實現(xiàn)高精度控制的必需，具有很好的市場前景。現(xiàn)場總線是目前國際上過程控制領(lǐng)域的一個熱點，通過現(xiàn)場總線，數(shù)字通信技術(shù)可以延伸到現(xiàn)場儀表，給控制體系帶來一場革命。HART協(xié)議作為一個開放性的協(xié)議，現(xiàn)已成為智能儀表的事實上的標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)在，國際及國內(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(簡稱為“HF智能變送器”)，是一種將標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(4～20 mA)與數(shù)字信號技術(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，不能傳輸控制信號與診斷信號。同時為了滿足智能現(xiàn)場通信器對信號實時處理的需要，在HART智能現(xiàn)場通信器軟件總體設(shè)計中采用實時嵌入式控制系統(tǒng)。為此，筆者設(shè)計了一種基于MAXQ2000嵌入式微處理器的增強型智能變送器，采用HART協(xié)議進行信號的調(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，還可傳輸控制和診斷信號。

　　1 HART智能儀表的特點

　　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。現(xiàn)場總線(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)場設(shè)備、傳感器、執(zhí)行器等與控制器用1根電纜(光纜或無線)連接在一起，形成現(xiàn)場設(shè)備級、車間級的數(shù)字化通信網(wǎng)絡(luò)，可實現(xiàn)現(xiàn)場狀態(tài)控制遠(yuǎn)程傳送等功能。HART現(xiàn)場總線系統(tǒng)采用主從工作方式，主機一般為1臺PC機，從機可為1臺或多臺具有HART通信功能的智能變送器。

　　HART智能儀表具有如下特點：

　　①實現(xiàn)了傳感器信號的數(shù)字化，提高了測量精度。

　?、趯崿F(xiàn)了傳感器信號的智能化，能方便地修整擬合曲線并進行各種補償。

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

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

　　⑤通過數(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、生產(chǎn)序號、維修時間等。

　?、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，其兼容模擬與數(shù)字信號，而頻率信號經(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，疊加在兩線制4～20 mA的電流環(huán)上。由于對稱性，此信號的平均值為0，所以模擬、數(shù)字兩信號互不干擾。

　?、嗑哂芯€性化處理功能、溫度補償功能、零點自動調(diào)整功能、量程自動調(diào)整功能、數(shù)字化通信功能等。

　　2 電流變送器

　　最簡單的電流變送器是采用簡單的電流環(huán)路進行信號傳遞的。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，利用計算機或顯示模塊做進一步處理。典型的4～20 mA電流環(huán)電路包括4個部分：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。智能型變送器可以對增益和失調(diào)進行校準(zhǔn)，通過將傳感器模擬信號數(shù)字化(如電阻式溫度檢測器RTD和熱電偶)實現(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，再將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換回模擬信號，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“增強型智能”變送器。它們增加了與4～20 mA信號共享雙絞線的數(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，還可傳輸控制和診斷信號。設(shè)計的增強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的模擬信號上疊加0.5 mA的正弦波數(shù)字信號，其數(shù)字信號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上，同時提供模擬和數(shù)字通信。因為FSK信號的平均值始終為零，所以數(shù)字通信信號不會影響4～20 mA的模擬信號。數(shù)字狀態(tài)每秒鐘可以轉(zhuǎn)換2～3次，而不會妨礙模擬信號。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：

　　①串行接口，連接用于數(shù)據(jù)采集的ADC和用于設(shè)置環(huán)路電流的DAC。

　　②因為預(yù)算電流為4 mA，所以要求低功耗。

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

　　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。