基于HART协议的智能型压力变送器的设计

曹 伟 顾丽

（哈尔滨理工大学 测控技术与通信工程学院，黑龙江 哈尔滨150040）

1 引言

压力变送器作为工业过程检测和控制的基础仪器使用广泛，其发展总趋势是数字化、智能化、高精度、高适应性和高安全性。目前数字智能式变送器正在主导压力变送器的发展方向，然而由于模拟现场仪表的大量使用，受原投资保值的限制，从传统的压力变送器到全数字智能压力变送器的更新还需要很长一段时间[1]。为解决这一问题，本设计将引进HART协议，在不改变原有设施的基础上，实现模拟信号和数字信号兼容通信。

2 HART协议的简介

HART (Highway Addressable Remote Transducer)协议即可寻址远程传感器高速通道开放通信协议，是美国Rosement公司于1985年推出的一种用于现场智能仪表和控制室设备之间的通信协议。HART协议采用半双工通讯，参考“ISO/OSI”的模型标准，简化并应用其中三层即：物理层，数据链路层和应用层，它能在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信，实现模拟信号和数字信号兼容[2]。

第一层：物理层。这层规定了信号的传输方法和传输介质。HART协议采用BELL202标准的频移键控技术FSK，即在4～20mA模拟信号上叠加幅度为0.5mA的正弦调制波，数字信号的传送波特率设定为 1200bps，1200Hz代表逻辑“1”，2200Hz代表逻辑“0”。由于FSK信号的平均值为0，所以数字通信信号不会干扰4~20mA的模拟信号，保证了与现有模拟系统的兼容性。

HART信号叠加原理如图1所示。

图1 HART信号叠加原理

通信介质的选择以传输距离长短而定。通常采用双绞同轴电缆作为传输介质时，最大传输距离可达到1.5Km。

第二层：数据链路层。规定了HART帧的格式，实现建立、维护、终结链路通讯的功能。HART协议根据冗余检错码信息，采用自动重复请求发送机制，消除由于线路噪音或其他干扰引起的数据通讯出错，实现通讯数据无差错传送。

第三层：应用层。为HART命令集，用于实现HART指令。命令分为三类，即通用命令、普通命令和专用命令。

3 系统硬件设计

变送器的硬件部分主要由以下几部分组成：传感器模块、AD模块、MCU模块、通信模块、键盘和显示模块。传感器采集的压力信号通过AD模块、MCU模块、通信模块进行处理后，输送到HART总线上或通过显示模块显示。变送器的总体构成如图2所示。

本设计采用片上静电电容型传感器，当有两压力作用于传感器的两侧时，传感器内部电容将随压力的大小而变化，通过测量电容变化便可知道压力的大小。

传感器电容变化信号通过震荡电路，转化为与压力有关的电信号，该信号通过放大，调整后送入模数转换器。本设计的模数转换芯片采用AD7799。它是美国AD公司生产的三通道、低功耗、低噪声、高精度模数转换芯片。该芯片具有自动校准、系统校准和背景校准功能，可以消除零点误差、满量程误差及温度漂移的影响[3]。

本设计MCU微处理器采用MSP430F149高性能单片机，MSP430是TI公司生产的超低功耗16位FLASH单片机。AD7799输出的数字信号输入MSP430F149后，进行非线性化补偿和温度补偿，再通过HART通信模块输出到HART总线回路上。

本设计HART通信模块主要由D/A转换电路和Bell202 MODEM及其附属电路来实现。其中，DA转换采用ADI公司推出的16位数字模拟变换器AD421，16位数字信号从其data引脚以串行方式输入，4～20mA模拟电流从其looprtn引脚输出。采用两线路供电，AD421片内有电源调整器。电源调整器可提供+5V、+3.3V或+3V输出电压，还含有+1.25V、+2.5V基准电源，均可为其自身或其它电路选用。本设计中AD421通过LATCH、CLOCK和DATA与MCU进行串口通信[4]。

HT20C15是美国SMAR公司生产的一款HART专用调制解调器，传送速率1200bps，采用半双工工作方式。HT20C15与MCU交换数字信号，同时作为AD421的模拟信号接口。当从4～20mA环路上接收信号时，经过带通滤波、放大整形后提取出FSK信号并解调为数字信号，将1200Hz的信号解调为“1”，将2200Hz的信号解调为“0”，传送给MCU；发送时，从MCU接收数据，进行调制和波形整形后耦合到AD421内部，将“1”调制为1200Hz，将“0”调制为2200Hz，通过AD421叠加到环路上。

显示模块的实现：为满足低功耗的要求，采用了点阵式液晶模块。在MSP430的控制下，配合按键输出相应的信息。

4 智能变送器的软件设计

变送器的软件系统结构分三个部份：主程序、测控程序和通信程序。其中主程序是核心部分，因为整个系统是在主程序的控制下工作的，它直接影响系统的工作和运行，基本组成如图3所示。

主程序是整个仪器软件的核心，上电复位后仪器首先进入主程序，主程序包括对系统中可编程器件输入输出口参数、定时器、异步串行通信口的初始化工作，以及实时中断和处理模块等功能。

测控程序主要是采集温度/压力的A/D信号，在进行非线性和温度补偿后输出到HART总线上。

通信程序是HART协议数据链路层和应用层的软件实现，包括通讯接收和通讯发送。

5 结语

本文设计的基于HART协议的智能压力变送器可单机使用，也可与工业PC、HART手操器一起构成HART网络，具有通信功能，可实现远程实时监控。该变送器具有功耗低、兼容性好、实时性较强、可靠性高、成本较低等优点。

[1]范宽琳．我国压力变送器的产品现状和出路．自动化与仪表，2007.

[2]Smart International Corp．HART技术指南.

[3]刘焕成．基于HART协议的智能变送器设计．单片机与嵌入式系统应用．2001（6）.

[4]汪献忠等.AD421在智能变送器中的应用.仪表技术与传感器，2006，03.