【正文】 T 協(xié)議在智能變送器中的應(yīng)用HART 作為一種協(xié)議應(yīng)用在智能差壓變送器中，其作用是將客戶端可以將采集的數(shù)據(jù)進行分析，計算得到有用的數(shù)值，發(fā)送回下位機，或者將下位機采集的數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)送回上位機。起始位和結(jié)束符只在發(fā)送命令時確定命令的完整發(fā)送，它不改變命令本身，更不會影響數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。 127) * ))/ +1)。啟動串口調(diào)試程序或者由上位機發(fā)送相關(guān)的命令進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，客戶端可以將采集的數(shù)據(jù)進行分析，計算得到有用的數(shù)值。1 系統(tǒng)設(shè)計方案 圖 系統(tǒng)總體設(shè)計圖本設(shè)計的采用模塊設(shè)計，整個過程包括 5 個部分：供電模塊、HART 通信模塊、傳感器模塊、MCU 模塊、LED 模塊。智能變送器的總體設(shè)計要實現(xiàn)低功耗。由于對稱性，此信號的平均值為 O，因此模擬和數(shù)字信號互不干擾。2 HART 通信模塊通信模塊是本設(shè)計的一個重點。1 HART 的優(yōu)良特性SMAR 公司生產(chǎn)的 HT2022 是一種工作在 Bell202 標準下的半雙工 HERT Modem,是采用 FSC 技術(shù)的 CMOS 低功耗調(diào)制解調(diào)器。3HT20l2 需要 外時鐘輸入，3～5V 供電，低功耗（典型值 40μA） 。TH2022 具有載波檢測輸出端 OCD，低電平有效，表示對方通信芯片準備進行載波發(fā)送，改進了通信的實時性和靈活性。圖 傳感器模塊3EEPROM 用來保存所有組態(tài)、特征化和數(shù)字載 波 檢 測 器時 鐘 調(diào) 制 器解 調(diào) 器 OTXAITXDINRIRXA K?微調(diào)數(shù)據(jù)。 的頻率信號，疊加在兩線的 4～20mA 電流環(huán)上，還需要附加耦合電路，這樣必然會造成更多的功耗開銷。AD421 基本性能：（1）4～20mA 輸出（2）HART 兼容，能用于標準 HART FSK 協(xié)議通信；（3）16 位分辨率；（4）177。2 A/D 轉(zhuǎn)換器為實現(xiàn)智能變送器的功能，在電路硬件設(shè)計上，需要 1 個增益可調(diào)的儀表放大器和 1 個分辨率至少在 14 位的 A/D 轉(zhuǎn)換器，來實現(xiàn)對傳感器信號的放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換。如果選用分立元件，必然會有相當大的功耗引入，難以滿足HART 協(xié)議智能變送器功耗要求。當 V+為 5V 供電時，MAX1400 的參考輸入為，模擬輸入的變化范圍為Vimax ～+Vimax。5 基于 HART 協(xié)議智能差壓變送器的電路設(shè)計圖 為 HART 協(xié)議智能差壓變送器的電路原理圖。由于單片機 PIC16C73 帶有 SPI 串行總線硬件接口，使數(shù)據(jù)通信速度更高，使用更靈活。采用恒流供電，可以進一步減小傳感器的非線性和溫度對傳感器輸出靈敏度的影響。整形電阻由74HC126（4 個三態(tài)輸出緩沖器）組成，并能通過 2 個 750Ω 電阻及 的耦合電容，將整形后的 HT2022 發(fā)出的電壓信號輸入到 AD421 的開關(guān)電流源和濾波器功能塊中，可實現(xiàn) HART 電壓信號由177。 HART 電流信號轉(zhuǎn)換為 HART 電壓信號，經(jīng) HT2022 解調(diào)，再送入單片機串行通信接口中，從而完成數(shù)據(jù)的接收任務(wù)。用來存放傳感器特性參數(shù)及現(xiàn)場組態(tài)命令、工作參數(shù)、通信數(shù)據(jù)。AD421 由 4～20mA 環(huán)路主電源供電，轉(zhuǎn)換的 5V 電源為自己和 24LC65 及MAX1400 的模擬電路部分供電，設(shè)計時須留下功耗余量。3CRC 恒流原理是：其內(nèi)部提供一穩(wěn)定的 從兩管腳引出，在這兩管腳上接 1 個電阻即可中輸出恒流。它的穩(wěn)壓值為 ，最小工作電流為 20μA，最大吸收電流達 5mA，溫度系數(shù) 50ppm 是比較理想的器件?？梢娺m當降低單片機工作頻率可使其功耗大幅度下降。本電路采用 1 片 PIC16C58A 單片機，外接 晶振，經(jīng)單片機 4 分頻后，正好輸出 的時鐘，直接供 HT2022 使用。PIC16C58A 的功耗指標為 32kHz 時鐘，VDD=3V 時典型值小于15μA。24LC65 一定要接在 4～20mA 主電源中。一般一幀數(shù)據(jù)最長為 33 個字節(jié)左右，在HART 通訊過程中，通常由主機先發(fā)送命令幀。當變送器檢測到接收數(shù)據(jù)有錯時，則等到主機命令幀發(fā)完后，變送器發(fā)回置有相應(yīng)錯誤狀態(tài)的應(yīng)答幀，通過主機數(shù)據(jù)接收有誤。如果有通訊錯誤或命令錯誤時，則發(fā)回報告錯誤的應(yīng)答幀，下面分別簡單介紹一下軟件流程圖。1 用戶測控程序總體流程圖要實現(xiàn)溫度變送器的智能化，必須實現(xiàn)以下基本功能： A 軟件組態(tài):實現(xiàn)不同傳感器要求的組態(tài)；B 參數(shù)設(shè)定:不同傳感器測量參數(shù)進行設(shè)定；C 自校正和自診斷:根據(jù)實時工況可進行某些參數(shù)的自動校正；D 顯示功能:實現(xiàn)各種診斷碼瞬時溫度平均溫度和溫差等參數(shù)的各種顯示；E 可提供非測量用的管理參數(shù)，如制造商代碼設(shè)備類型代碼設(shè)備軟件版本號等， 開始是否首次上電初始化從EEPOM 讀出數(shù)據(jù)送到相應(yīng)的參數(shù)單元給必要的參數(shù)單元賦最原始的數(shù)值開中斷A/D采樣( 脈沖采樣）差壓的計算及顯示進入?yún)?shù)的設(shè)置模式進行參數(shù)設(shè)置是否返回一般模式NNNYY圖 用戶程序總體流程圖差壓變送器的測控程序主要包括:A/D 采樣程序非線性補償程序阻尼程序信號輸出程序參數(shù)設(shè)定程序等。 設(shè)計中采用了 MSP430/148 單片機，對于該單片機每一個來自外部中斷的標準方波信號將觸發(fā)采用下降沿觸發(fā)中斷，在中斷服務(wù)程序中計算差壓信號，為輸出電流信號準備。參數(shù)號用來具體指明某一個參數(shù)，以便于區(qū)分當設(shè)置完參數(shù)項后，程序就根據(jù)已設(shè)置的參數(shù)和參數(shù)號跳轉(zhuǎn)至相應(yīng)的處理模塊，執(zhí)行相應(yīng)的功能，其流程圖如圖 所示開始重復(fù)上次設(shè)置的參數(shù)類名和參數(shù)的個位部分Shift鍵按下并釋放否？Set鍵按下否？保存參數(shù)類名重置上次設(shè)置的過的參數(shù)的十位部分按inc 鍵設(shè)置參數(shù)類名（可選）Shift鍵按下否？保存參數(shù)的十位部分準備設(shè)置參數(shù)的個位部分按inc 鍵設(shè)置參數(shù)的十位部分（可選）Shift按下否？保存新設(shè)置的參數(shù)類名并查表轉(zhuǎn)至相應(yīng)的模塊 按inc 鍵設(shè)置參數(shù)的個位部分（可選）進行參數(shù)設(shè)置直至參數(shù)設(shè)置完畢YYNYNYNN圖 參數(shù)設(shè)置流程圖42) 追加校驗和：采用異或邏輯求校驗和，追加字節(jié)數(shù)后，形成完整命令。7) 從回答的信息中提取變送器的瞬時溫度或溫差值。2 變送器數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖變送器數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖見圖 開始接受命令幀CPU進行命令處理校驗是否有錯準備應(yīng)答幀送入數(shù)儲緩沖區(qū)初始化端口開中斷校驗是否有錯結(jié)束YNYN發(fā)送應(yīng)答幀并校驗數(shù)據(jù)圖 變送器數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖HART 數(shù)據(jù)鏈路層的軟件主要就是串行口接收/發(fā)送中斷子程序。由于通訊距離較長或各種環(huán)境干擾，傳送的數(shù)據(jù)有可能發(fā)生差錯。主機則重發(fā)命令幀，從而保證通訊的準確可靠。當變送器檢測到數(shù)據(jù)有錯時，則等到主機命令幀發(fā)完以后，變送器發(fā)回置有相應(yīng)錯誤狀態(tài)的應(yīng)答幀；4）應(yīng)答幀送入數(shù)儲緩沖區(qū)：把要發(fā)回的應(yīng)答幀內(nèi)容放入發(fā)送緩沖區(qū)；5）發(fā)送應(yīng)答幀并校驗數(shù)據(jù)：由CPU觸發(fā)發(fā)送中斷并檢驗數(shù)據(jù)，再發(fā)回應(yīng)答幀，從而完成一次命令交換。HART 協(xié)議雖然具有與現(xiàn)場總線類似的體系結(jié)構(gòu)，但它不是真正的現(xiàn)場總線，與日前流行的 FF 協(xié)議相比，它們的物理層是完全不兼容的，HART 的通信速率為 1200 波特率，比 FF 慢的多，從長遠來看，不能滿足工業(yè)生產(chǎn)的需求，它必須被 FF 所取代。在我的學(xué)業(yè)和課題研究中無不傾注曾老師的汗水，在此我由衷地感謝曾紅兵老師在我畢業(yè)設(shè)計期間所給予的指導(dǎo)和培養(yǎng)，同時感謝冶金職院的教師以淵博的知識和無私的精神，在我的學(xué)習(xí)期間耐心指導(dǎo)和幫助，使我不僅學(xué)到扎實、寬廣的專業(yè)知識，也學(xué)會了做人的道理。安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2022 年第 6 期 [6] 呂明新。北京：化學(xué)化工出版社 [8] 馬西泰，自動檢測技術(shù)。 《計量與測控技術(shù)》2022年第 32 卷第一期 [7] 王永紅。在此向所有關(guān)心幫助過我的人表示由衷的謝意！參考文獻　[1] 董勝等（北體大學(xué)）.MSP430F149 單體機在基于現(xiàn)場總線智能差壓變送,2022(3):910,22　[2] 鄭貴林等（武漢大學(xué)）.基于 MODBUS 傳感器,2022(4),5053 [3] 陽憲章，現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用，北京：清華大學(xué)出版社，2022 [4] 朱艷萍 ，基于 HART 協(xié)議智能壓力變送器的研究和開發(fā)。在應(yīng)用界面上，HART 和 FF 是相互兼容的，DDL （設(shè)備描述語言）和功能模塊是兩者共用的，因此從現(xiàn)場儀表從 HART 向 FF 轉(zhuǎn)變，是比較簡單的；同時，它的通信和 I 型信號和傳輸也是兼容的，先進的HART 儀表在老裝置上直接應(yīng)用而不會影響其他設(shè)備的工作，這是用戶最樂意接受的，HART 協(xié)議作為由傳統(tǒng)儀表向現(xiàn)場總線儀表過渡的技術(shù)，在目前還是具有相當?shù)纳?。如何把握機遇，趕上世界工業(yè)控制領(lǐng)域的潮流是我們面臨的任務(wù)。如果有通訊錯誤或命令錯誤時，則發(fā)回報告錯誤的應(yīng)答幀。當變送器檢測到數(shù)據(jù)有錯時，則等到主機命令幀發(fā)完以后，變送器發(fā)回置有相應(yīng)錯誤狀態(tài)的應(yīng)答幀。一般一幀數(shù)據(jù)最長為 33 個字節(jié)左右。44) 從回答的信息中提取變送器標識5) 形成讀儀器數(shù)據(jù)命令：序文：5 個全 1 字節(jié)起始字符：130，采用長幀格式時，主機給變送器信息的起始字符地址：變送器標識命令字：33 讀變送器數(shù)據(jù)命令字節(jié)數(shù)：04；后跟 0 個數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)：01020304；取變送器中 4 個變量值校驗和：采用異或邏輯運算求校驗和，追加在字節(jié)數(shù)后，形成完整命令。21寄存器區(qū)的選擇，定時器及其工作方式的選擇，定時器的初始化等。1 變送器的測控程序流程圖4HART 應(yīng)用層的軟件對收到的命令幀進行翻譯和處理，如：字節(jié)流與浮點數(shù)。由于通訊距離較長或各種環(huán)境干擾，傳送器的數(shù)據(jù)信息的可能發(fā)生差錯。測控程序主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、控制運算、輸出控制和自我診斷等部分程序通過組態(tài)信息判別采樣類型，自動設(shè)置采樣放大倍數(shù)；針對不同傳感器的類型選擇相應(yīng)的非線性補償；一些簡單的控制模塊，如 PID 等，實現(xiàn)儀表的控制運算；輸出控制完成 4—20mA 的環(huán)路電流，能實現(xiàn)阻尼輸出，并可結(jié)合自我診斷程序?qū)崿F(xiàn)高報警輸出或低報警輸出HART 數(shù)據(jù)鏈路層的軟件主要就是串口接收/發(fā)送中斷子程序。因此，PIC16C58A 在 的時鐘下工作，其功耗不會超過 。由于電路由增加了 1 片單片機，整個電路的功耗將超出允許范圍。本設(shè)計單片機采用 1MHz 工作頻率，其功耗的實驗數(shù)據(jù)小于 1mA。整形電路的 74HC126 工作于低頻下最大電流 500μA 左右，剩下 電流供單片機消耗。只要保證 3CRC 的工作電壓略大于 即可正常工作。具體分配如下：傳感器由恒流二極管 3CRC 供電 ，剩下 電流由另一支 3CRC 恒流后供電路的其他部分使用。HT2022 的 OCD 信號，送入 PIC16C73 的 RB7 端。它的 參考電壓供自己和 MAX1400 使用。帶通濾波器由圖 4 中細線框中的 2 個運算放大器及電阻、電容組成。為提高變送器的測量精度，須對靜壓給差壓帶來的誤差進行補償，所以電路中設(shè)計了全差分通道 AINAIN4 對靜壓傳感器 TRS2 進行監(jiān)測，從而可實現(xiàn)對靜壓的補償。AIN5 和 AIN6 組成準差分輸入通道對 TRS1 的恒流輸入進行監(jiān)測。片間的數(shù)據(jù)通信采用 MOTOROLA 公司推出的同步串行外圍接口 SPI（Serial Peripheral Interface） ，同優(yōu)點是占用 MCU 資源小，可根據(jù)系統(tǒng)的大小隨著擴充。（2GAIN） 。其共同點是