智能電流變送器中HART調制解調器的實現方法

　　引 言

　　先進的智能變送器是工業過程控制技術發展的需要，也是工藝過程實現高精度控制的必需，具有很好的市場前景?，F場總線是目前國際上過程控制領域的一個熱點，通過現場總線，數字通信技術可以延伸到現場儀表，給控制體系帶來一場革命。HART協議作為一個開放性的協議，現已成為智能儀表的事實上的標準?，F在，國際及國內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”)，是一種將標準模擬信號(4～20 mA)與數字信號技術結合在一起用于傳送過程參數的變送器。傳統變送器傳輸傳感器數據的同時，不能傳輸控制信號與診斷信號。同時為了滿足智能現場通信器對信號實時處理的需要，在HART智能現場通信器軟件總體設計中采用實時嵌入式控制系統。為此，筆者設計了一種基于MAXQ2000嵌入式微處理器的增強型智能變送器，采用HART協議進行信號的調制解調，所提供的通信通道在傳輸傳感器數據的同時，還可傳輸控制和診斷信號。

　　1 HART智能儀表的特點

　　HART協議遵循ISO制訂的OSI開放式系統互連參考模型，采用了OSI模型的第1層、第2層和第7層，即物理層、數據鏈路層和應用層?，F場總線(field bus)是一種數字化的串行雙向通信系統，能將所有的現場設備、傳感器、執行器等與控制器用1根電纜(光纜或無線)連接在一起，形成現場設備級、車間級的數字化通信網絡，可實現現場狀態控制遠程傳送等功能。HART現場總線系統采用主從工作方式，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：

　?、賹崿F了傳感器信號的數字化，提高了測量精度。

　　②實現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表實現了網絡化，在控制站內可直接觀察數千臺儀表。

　?、芡ㄐ艂鬏敳捎?～20 mA標準信號加數字信號方式，可直接替換模擬儀表。

　　⑤通過數字信息能讀出儀表各種管理信息，如生產廠家、儀表型號、生產序號、維修時間等。

　?、蘅裳b入算法，直接構成控制回路。

　?、吖ぷ髟?～20 mA現行標準的兩線制回路中。在應用時，其兼容模擬與數字信號，而頻率信號經過V／I轉換電路的轉換管，轉換為幅度為0.5 mA的頻率信號，疊加在兩線制4～20 mA的電流環上。由于對稱性，此信號的平均值為0，所以模擬、數字兩信號互不干擾。

　?、嗑哂芯€性化處理功能、溫度補償功能、零點自動調整功能、量程自動調整功能、數字化通信功能等。

　　2 電流變送器

　　最簡單的電流變送器是采用簡單的電流環路進行信號傳遞的。在環路中，傳感器的輸出電壓首先按比例轉換成電流，遠端接收器將4～20 mA的電流又轉換為電壓，利用計算機或顯示模塊做進一步處理。典型的4～20 mA電流環電路包括4個部分：傳感器／變送器、電壓—電流轉換器、環路電源和接收器／監視器。為適應工業需求，出現了稱作“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)和數據轉換器調理遠端信號。智能型變送器可以對增益和失調進行校準，通過將傳感器模擬信號數字化(如電阻式溫度檢測器RTD和熱電偶)實現線性化處理，用駐留在μC內部的數學算法處理信號，再將數字信號轉換回模擬信號，結果以標準電流的形式沿環路傳輸。最新的第3代4～20 mA變送器被認為是“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字通信功能。所提供的通信通道在傳輸傳感器數據的同時，還可傳輸控制和診斷信號。設計的增強型智能變送器的基本結構如圖1所示，主要由模數轉換器ADC、數模轉換器DAC、MAXQ2000微控制器、電壓調節器、信號調理、HART調制解調器、I／O通道、雙絞傳輸線組成。

　　智能型變送器所使用的通信標準是HART協議，HART協議采用美國電話通信系統Bell202頻移鍵控(FSK)標準。如圖2所示，在4～20 mA的模擬信號上疊加0.5 mA的正弦波數字信號，其數字信號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，同時提供模擬和數字通信。因為FSK信號的平均值始終為零，所以數字通信信號不會影響4～20 mA的模擬信號。數字狀態每秒鐘可以轉換2～3次，而不會妨礙模擬信號。允許的最小環路阻抗為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接用于數據采集的ADC和用于設置環路電流的DAC。

　?、谝驗轭A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字濾波，在HART協議中又同時進行編碼和解碼。

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