基于HART协议的压力检测通信装置设计

黎会鹏 黄璞

摘 要：作为一种现代工业现场总线，HART协议及相关设备被广泛地应用在工业过程检测系统中。该压力检测系统基于ARM Cortex-M3低功耗32位微处理器STM32F103RBT6为控制核心，使用应变片式压力传感器，传感器输出微小电压信号经高精度的24位A/D转换器HX711放大调理后进行测量。HART协议通信部分由调制解调器DS8500与AD421电流环数模转换器构成。该系统结构简单、采用低功耗设计，可扩展性和重构性强。

关键词：HART协议；应变片；DS8500

中图分类号：TB

文献标识码：A

文章编号：1672-3198（2015）25-0284-02

0 引言

现场总线技术是当前工业自动化和自动检测技术的设计重点，它具有开放性、兼容性和多点通信的特点。HART（Highway Addressable Remote Transducer）可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议是兼顾传统4～20mA模拟和数字两种通信方式的开放性网络协议，HART协议采用Bell202标准的FSK频移键控信号，在低频的4～20mA模拟环路信号上叠加幅度为0.5mA、频率为2200Hz和1200Hz的FSK信号进行双向数字通讯，数据传输率为1200bps。由于FSK信号的在发送阶段平均值为0，不会影响传送现有模拟信号的大小，保证了系统的兼容性，FSK数字调制波形如图1所示。

图1 FSK数字波形图

1 系统介绍

本设计就是以HART协议为通信媒介，设计和探讨基于单片机和压力传感器的压力数据传送系统。系统结构由两大部分组成：主机控制电路和从机控制电路。主机端由电源电路、显示电路、按键电路、数模转换器电路、信号调制解调电路和控制器组成，从机端由压力传感器电路、信号放大调理采样电路、信号调制解调电路和控制器组成。

HART协议参考ISO/OSI（开放系统互连模型），采用了其中简化的三层模型结构，即物理层，数据链路层和应用层。

2 硬件电路设计

主机端主要是通过HART总线采样从机端的数据并进行显示，系统框图如图2所示。

图2 主机功能框图

HART模块是基于HART协议可以完成模拟量和数字量相融合通信的模块，数字通信与模拟信号4～20mA兼容，传输的信号用调制后的正弦信号叠加在4～20mA的模拟信号上。

2.1 控制芯片

控制芯片采用基于ARM Cortex-M3低功耗32位微处理器STM32F103RBT6，该芯片工作于72MHz，运行速度快且性价比高。

2.2 数模转换器

AD421是美国ADI公司最近推出的一种单片高性能数模转换器（DAC）。它由电流环路供电，16位数字信号以串行方式输入，4～20mA电流输出，可实现低成本的远程智能工业控制。AD421与标准HART电路或其它类似FSK协议的电路完全兼容。标准的三线串行接口可在10Mbps下运行，便于与通用微处理器或微控制器相连。

2.3 调制解调器

DS8500是一款用于过程控制的HART调制解调器，提供连续相位的FSK调制和解调。这款具有丰富功能的低功耗调制解调器完全满足HART通信基金会设定的物理层规范。DS8500具有诸多功能，使用户能够方便、高效地设计具备HART调制解调功能的过程控制系统。

2.4 按键和显示电路

显示采用LCD1602液晶显示器，按键采用矩阵键盘模式工作。

分机终端功能与主机在主体结构上类似，如图3所示。

图3 分机功能框图

2.5 传感器采样

压力传感采用应变式传感器，数据采样基于HX711高精度AD转换芯片，该芯片集成了包括稳压电源、片内时钟振荡器等所需的外围电路，并且其内部集成低噪声可编程放大器，可编程放大增益为64或128倍。

3 软件设计

主机和分机的通信和控制程序采用KEIL MDK-ARM 5.10 uVision5平台进行设计，数据采集分机上电后，系统初始化要包含HART协议通信模块的初始化配置，如设定MCU内部UART模块的工作方式、通信波特率、校验位格式等。主机初始化包括AD421的SPI口配置程序、与从机相匹配的通信口波特率、液晶初始化等。由于HART总线为半双工工作模式，主机与分机间数据通信采取查询方式进行，分机接收到主机命令后，将采集的数据通过HART总线传送给主机。

AD421芯片控驱动程序如下：

void AD421_FunctionCtl（unsigned int ctldata）

{

unsigned char dataloop；

AD421_CLK=0；

AD421_DATA=0；

AD421_LATCH=0；

for（dataloop =0； dataloop <16； dataloop ++）

{

if（（out_ ctldata <

{

AD421_DATA=1；

}

else

{

AD421_DATA=0；

AD421_CLK=1；

AD421_CLK=0；

}

AD421_LATCH=1；

AD421_LATCH=0；

AD421_CLK=0；

AD421_DATA=0；

}

4 注意事项

在AD421基本应用电路中，控制芯片和外围电路电源由电流环供电，供电电压由控制器的工作电压而定，如果Vcc为3.3V，（AD421对应LV管脚应经01uF电容接至Vcc），否则工作电压为5V（此时LV应直接接地）。

5 结束语

系统采用Contex-M3内核低功耗MCU为控制核心，再降低系统功耗的同时，提高了系统的响应速度。基于HART协议的数据通讯保留了传统工业仪表4～20mA模拟量的操作模式，同时，充分利用数字系统便于扩展和添加后续功能的特点，维护更方便、开发更简便，提高了系统的兼容性。系统在实际测量中，计量数据精度高，通信距离远，有较高的推广价值。

参考文献

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