智能电流变送器中HART调制解调器的实现方法

　　引 言

　　先进的智能变送器是工业过程控制技术发展的需要，也是工艺过程实现高精度控制的必需，具有很好的市场前景。现场总线是目前国际上过程控制领域的一个热点，通过现场总线，数字通信技术可以延伸到现场仪表，给控制体系带来一场革命。HART协议作为一个开放性的协议，现已成为智能仪表的事实上的标准。现在，国际及国内使用的智能变送器基本是带有HART通信功能的智能变送器(简称为“HF智能变送器”)，是一种将标准模拟信号(4～20 mA)与数字信号技术结合在一起用于传送过程参数的变送器。传统变送器传输传感器数据的同时，不能传输控制信号与诊断信号。同时为了满足智能现场通信器对信号实时处理的需要，在HART智能现场通信器软件总体设计中采用实时嵌入式控制系统。为此，笔者设计了一种基于MAXQ2000嵌入式微处理器的增强型智能变送器，采用HART协议进行信号的调制解调，所提供的通信通道在传输传感器数据的同时，还可传输控制和诊断信号。

　　1 HART智能仪表的特点

　　HART协议遵循ISO制订的OSI开放式系统互连参考模型，采用了OSI模型的第1层、第2层和第7层，即物理层、数据链路层和应用层。现场总线(field bus)是一种数字化的串行双向通信系统，能将所有的现场设备、传感器、执行器等与控制器用1根电缆(光缆或无线)连接在一起，形成现场设备级、车间级的数字化通信网络，可实现现场状态控制远程传送等功能。HART现场总线系统采用主从工作方式，主机一般为1台PC机，从机可为1台或多台具有HART通信功能的智能变送器。

　　HART智能仪表具有如下特点：

　　①实现了传感器信号的数字化，提高了测量精度。

　　②实现了传感器信号的智能化，能方便地修整拟合曲线并进行各种补偿。

　　③智能仪表实现了网络化，在控制站内可直接观察数千台仪表。

　　④通信传输采用4～20 mA标准信号加数字信号方式，可直接替换模拟仪表。

　　⑤通过数字信息能读出仪表各种管理信息，如生产厂家、仪表型号、生产序号、维修时间等。

　　⑥可装入算法，直接构成控制回路。

　　⑦工作在4～20 mA现行标准的两线制回路中。在应用时，其兼容模拟与数字信号，而频率信号经过V／I转换电路的转换管，转换为幅度为0.5 mA的频率信号，叠加在两线制4～20 mA的电流环上。由于对称性，此信号的平均值为0，所以模拟、数字两信号互不干扰。

　　⑧具有线性化处理功能、温度补偿功能、零点自动调整功能、量程自动调整功能、数字化通信功能等。

　　2 电流变送器

　　最简单的电流变送器是采用简单的电流环路进行信号传递的。在环路中，传感器的输出电压首先按比例转换成电流，远端接收器将4～20 mA的电流又转换为电压，利用计算机或显示模块做进一步处理。典型的4～20 mA电流环电路包括4个部分：传感器／变送器、电压—电流转换器、环路电源和接收器／监视器。为适应工业需求，出现了称作“智能型变送器”的第2代4～20 mA变送器，这种变送器采用微控制器(μC)和数据转换器调理远端信号。智能型变送器可以对增益和失调进行校准，通过将传感器模拟信号数字化(如电阻式温度检测器RTD和热电偶)实现线性化处理，用驻留在μC内部的数学算法处理信号，再将数字信号转换回模拟信号，结果以标准电流的形式沿环路传输。最新的第3代4～20 mA变送器被认为是“增强型智能”变送器。它们增加了与4～20 mA信号共享双绞线的数字通信功能。所提供的通信通道在传输传感器数据的同时，还可传输控制和诊断信号。设计的增强型智能变送器的基本结构如图1所示，主要由模数转换器ADC、数模转换器DAC、MAXQ2000微控制器、电压调节器、信号调理、HART调制解调器、I／O通道、双绞传输线组成。

　　智能型变送器所使用的通信标准是HART协议，HART协议采用美国电话通信系统Bell202频移键控(FSK)标准。如图2所示，在4～20 mA的模拟信号上叠加0.5 mA的正弦波数字信号，其数字信号1和0分别由1 200 Hz和2 200 Hz频率表示。这些频率的正弦波叠加在传感器的直流模拟信号上，同时提供模拟和数字通信。因为FSK信号的平均值始终为零，所以数字通信信号不会影响4～20 mA的模拟信号。数字状态每秒钟可以转换2～3次，而不会妨碍模拟信号。允许的最小环路阻抗为23 Ω。

　　在该智能电流变送器中，μC必须具备3种特定性能：

　　①串行接口，连接用于数据采集的ADC和用于设置环路电流的DAC。

　　②因为预算电流为4 mA，所以要求低功耗。

　　③乘法-累加单元(MAC)，既完成输入信号的数字滤波，在HART协议中又同时进行编码和解码。

　　μC选用MAXQ2000。低功耗的MAXQ2000是Maxim／Dallas公司的新产品，是一种高性能、16位的RISC器件。