HART协议简介及 HART智能仪表的组成原理
HART,ModBus通信协议
HART,ModBus通信协议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 装置提供具有相对低的带宽，适度响应时间的通信，经过10多年的发展，HART技术在国外已经十分成熟，并已成为全球智能仪表的工业标准。
HART协议采用基于Bell202标准的FSK频移键控信号，在低频的4-20mA模拟信号上叠加幅度为0.5mA的音频数字信号进行双向数字通讯，数据传输率为1.2Mbps。
由于FSK 信号的平均值为0，不影响传送给控制系统模拟信号的大小，保证了与现有模拟系统的兼容性。
在HART协议通信中主要的变量和控制信息由4-20mA传送，在需要的情况下，另外的测量、过程参数、设备组态、校准、诊断信息通过HART协议访问。
HART通信采用的是半双工的通信方式，其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中过渡性产品，因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争能力，得到了较快发展。
HART 规定了一系列命令，按命令方式工作。
它有三类命令，第一类称为通用命令，这是所有设备都理解、都执行的命令；第二类称为一般行为命令，所提供的功能可以在许多现场设备（尽管不是全部）中实现，这类命令包括最常用的的现场设备的功能库；第三类称为特殊设备命令，以便于工作在某些设备中实现特殊功能，这类命令既可以在基金会中开放使用，又可以为开发此命令的公司所独有。
在一个现场设备中通常可发现同时存在这三类命令。
HART采用统一的设备描述语言DDL。
现场设备开发商采用这种标准语言来描述设备特性，由HART基金会负责登记管理这些设备描述并把它们编为设备描述字典，主设备运用DDL技术来理解这些设备的特性参数而不必为这些设备开发专用接口。
但由于这种模拟数字混合信号制，导致难以开发出一种能满足各公司要求的通信接口芯片。
HART协议资料
HART协议1、HART(Highway Addressable Remote Transducer)，可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议，是美国ROSEMOUNT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装置提供具有相对低的带宽，适度响应时间的通信，经过10多年的发展，HART技术在国外已经十分成熟，并已成为全球智能仪表的工业标准。
HART协议采用基于Bell202标准的FSK频移键控信号，在低频的4-20mA 模拟信号上叠加幅度为0.5mA的音频数字信号进行双向数字通讯，数据传输率为1.2Mbps。
由于FSK信号的平均值为0，不影响传送给控制系统模拟信号的大小，保证了与现有模拟系统的兼容性。
在HART协议通信中主要的变量和控制信息由4-20mA传送，在需要的情况下，另外的测量、过程参数、设备组态、校准、诊断信息通过HART协议访问。
HART通信采用的是半双工的通信方式，其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中过渡性产品，因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争能力，得到了较快发展。
HART 规定了一系列命令，按命令方式工作。
它有三类命令，第一类称为通用命令，这是所有设备都理解、都执行的命令；第二类称为一般行为命令，所提供的功能可以在许多现场设备（尽管不是全部）中实现，这类命令包括最常用的的现场设备的功能库；第三类称为特殊设备命令，以便于工作在某些设备中实现特殊功能，这类命令既可以在基金会中开放使用，又可以为开发此命令的公司所独有。
在一个现场设备中通常可发现同时存在这三类命令。
HART采用统一的设备描述语言DDL。
现场设备开发商采用这种标准语言来描述设备特性，由HART基金会负责登记管理这些设备描述并把它们编为设备描述字典，主设备运用DDL技术来理解这些设备的特性参数而不必为这些设备开发专用接口。
但由于这种模拟数字混合信号制，导致难以开发出一种能满足各公司要求的通信接口芯片。
09_HART 通讯协议
第一种“问答式” 第一种“问答式”：2 次/秒， 适用点对点、 适用点对点、多站连接
14
第二种“成组模式” 第二种“成组模式”：3.7 次/秒， 只适用点对点连接
HART协议特点和优点 HART协议特点和优点
15
模拟信号带有过程控制信息，数字信号允许双向通信。 1、模拟信号带有过程控制信息，数字信号允许双向通信。 智能化现场仪表+模拟仪表、记录仪及控制器) 2、(智能化现场仪表+模拟仪表、记录仪及控制器)混合 系统 3、支持多主站数字通信，节省导线，减少安装费 支持多主站数字通信，节省导线， 通过租用电话线连接仪表， 4、通过租用电话线连接仪表，使远方的现场仪表使用相 对便宜的接口设备。 对便宜的接口设备。 允许“问答式” 成组模式”通信方式。 5、允许“问答式”及 “成组模式”通信方式。 报文结构灵活、规范、一次通信可携带4 6、报文结构灵活、规范、一次通信可携带4个过程变量
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应 用 层
特殊命令： 特殊命令： 仅适用于某种具体的现场设备。 仅适用于某种具体的现场设备。这是 各家公司的产品自己所特有的命令， 各家公司的产品自己所特有的命令， 不互相兼容，如特征化， 不互相兼容，如特征化，微调传感头 校正等。 校正等。 ：
读出或写入开方小流量截断值； 读出或写入开方小流量截断值； 启动、停止或清除累积器； 启动、停止或清除累积器； 选择主变量（质量流量或密度）； 选择主变量（质量流量或密度）； 读出或写入组态信息资料； 读出或写入组态信息资料； 微调传感器的标定； 微调传感器的标定；
HART协议硬件、数据链路层、 HART协议硬件、数据链路层、物理层之间的关系 协议硬件
应用层 微处理器 链路层 协议 数据信息 错误控制
HART通信协议在现场仪表远程通信中的实现
HART通信协议在现场仪表远程通信中的实现(图)1 HART协议简介HART(Highway Addressable Remote Transducer)，可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议，是美国Rosemen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装置提供具有相对低的带宽，适度响应时间的通信，经过10多年的发展，HART技术在国外已经十分成熟，并已成为全球智能仪表的工业标准。
HART协议采用基于Bell202标准的FSK频移键控信号，在低频的 4～20mA 模拟信号上叠加幅度为0.5mA的音频数字信号进行双向数字通讯，数据传输率为1.2Mbps。
由于FSK信号的平均值为0，不影响传送给控制系统模拟信号的大小，保证了与现有模拟系统的兼容性。
在HART协议通信中，主要的变量和控制信息由4～20mA传送，在需要的情况下，另外的测量、过程参数、设备组态、校准、诊断信息通过HART协议访问。
HART通信采用的是半双工的通信方式。
HART协议参考 ISO/OSI(开放系统互连模型 )，采用了它的简化三层模型结构，即第一层物理层，第二层数据链路层和第七层应用层。
第一层：物理层。
规定了信号的传输方法、传输介质，为了实现模拟通信和数字通信同时进行而又互不干扰，HART协议采用频移键控技术 FSK，即在4～20mA模拟信号上迭加一个频率信号，频率信号采用 Be11202国际标准，数字信号的传送波特率设定为 1200bps，1200Hz代表逻辑“0”，2200Hz代表逻辑“1”，信号幅值0.5A，如图 1所示。
通信介质的选择视传输距离长短而定。
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1500ｍ。
线路总阻抗应在230～1100Ω之间。
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。
HART协议简介及HART智能仪表的组成原理
HART协议简介及HART智能仪表的组成原理
马小永;汪宝兵
【期刊名称】《仪表技术与传感器》
【年(卷),期】2002(000)004
【摘要】HART协议是由模拟系统向数字系统转变过程中唯一向后兼容的智能仪表解决方案,它在提供现场总线的好处时,保留对现有4～20mA系统的兼容性.对于一个典型的HART智能仪表,其电路组成一般包括电源模块、传感器接口电路、A/D转换、MCU、D/A输出等.
【总页数】4页(P45-48)
【作者】马小永;汪宝兵
【作者单位】北京华控技术有限责任公司,北京市,100085;北京华控技术有限责任公司,北京市,100085
【正文语种】中文
【中图分类】TP274
【相关文献】
1.基于HART协议的智能仪表通信电路设计 [J], 李春丽;李巍
2.基于HART协议的智能仪表辅助教学设备的开发 [J], 丁明亮;张娟;李坤
3.HART协议智能仪表在线管理系统的设计与实现 [J], 盖之华;施连敏
4.HART协议设备描述语言简介及HART协议设备互操作 [J], 阮薇; 汪宝兵
5.基于HART协议的475手操器在智能仪表中的应用 [J], 胡林红;孔令敏;李涛
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HART技术及原理
HART技术一、HART概述目前在世界各地所安装的大多数智能现场设备均具有HART功能。
但是，初次接触自动化领域的一些朋友可能需要重温这项强有力的技术。
简而言之，HART（高速可寻址远程传感器）协议是在智能设备与控制或监测系统之间的模拟线缆上发送和接收数字信息的全球标准。
更具体地说，HART是一个双向通信协议，提供智能现场仪表和主机系统之间的数据访问。
主机可以是任何软件应用程序，从技术人员的手持设备或笔记本电脑，到工厂中使用任何控制平台的过程控制、资产管理、安全或其他系统。
为现有工厂提供数字化升级HART技术为下述这些工厂的运营者提供了一项可靠的、长远的解决方案，他们努力寻求发挥拥有数字通信功能的智能设备的优势–该数字通信功能在大多数安装设备中都已存在。
然而在许多情况下，大多数应用程序无法为其现有的自动化系统加装能够接受HART协议所提供数字数据的系统。
由于目前运行的大多数自动化网络，均基于传统的4 - 20mA模拟线路，从而HART技术便可以发挥重要的作用，因为数字信息是与4 - 20mA信号同步通信的。
没有它，就不会有数字通信。
重要的、数字化作用当用于智能设备的调试投产和校准以及连续在线诊断时，HART技术易于使用且非常可靠。
有几个原因使得我们需要拥有可与智能设备通信的主机。
包括：∙设备的配置或重新配置∙设备诊断∙设备故障排除∙读取设备所提供的额外测量值∙设备状况和状态∙其它原因：使用HART技术拥有诸多好处，而且不断有更多的用户在他们的项目中报告其所带来的好处。
欲了解更多信息，请访问成功故事利用这些优势的成功经验解释了为什么HART技术能够成为所有通信协议中最大的协议，并安装于世界各地3千多万台设备之中。
如果您曾经使用座机电话，通过观察来电显示来了解打电话的是谁，您已经知道了HART协议所做的一半工作，即它告诉“谁”在打电话。
在工业自动化网络中，这个“谁”便是基于微处理器的智能现场设备。
除了让这种智能现场设备“给家打电话”之外，HART通信还让主机系统向智能仪表发送数据。
HART协议传输原理和特点
HART协议传输原理和特点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装置提供具有相对低的带宽，适度响应时间的通信，经过10多年的发展，HART技术在国外已经十分成熟，并已成为全球智能仪表的工业标准。
1、HART协议的传输原理HART协议采用基于Be11202标准的FSK频移键控信号，在低频的4-20mA模拟信号上叠加幅度为0.5mA的音频数字信号进行双向数字通信，数据传输率为1.2Mbps。
由于FSK信号的平均值为O，不影响传送给控制系统模拟信号的大小，保证了与现有模拟系统的兼容性。
在HART协议通信中主要的变量和控制信息由4-20mA模拟信号传送，在需要的情况下，另外的测量、过程参数、设备组态、校准、诊断信息通过HART协议访问。
图1 HART协议的传输原理2、HART协议的三类命令HART通信采用的是半双工的通信方式，其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中过渡性产品，因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争能力，得到了较快发展。
HART规定了一系列命令，按命令方式工作。
它有三类命令，第一类称为通用命令，这是所有设备都理解、都执行的命令；第二类称为一般行为命令，所提供的功能可以在许多现场设备(尽管不是全部)中实现，这类命令包括最常用的现场设备的功能库；第三类称为特殊设备命令，以便于工作在某些设备中实现特殊功能，这类命令既可以在基金会中开放使用，又可以为开发此命令的公司所独有。
在一个现场设备中通常可发现同时存在这三类命令。
3、HART协议的优点①HART采用统一的设备描述语言DDL现场设备开发商采用这种标准语言来描述设备特性，由HART基金会负责登记管理这些设备描述并把它们编为设备描述字典，主设备运用DDL技术来理解这些设备的特性参数而不必为这些设备开发专用接口。
HART通信协议 (3)
HART通信协议一、引言HART（Highway Addressable Remote Transducer）通信协议是一种用于工业自动化领域的数字通信协议，旨在实现智能仪表与控制系统之间的双向通信。
本协议旨在确保HART设备之间的互操作性，并提供一致的通信标准。
二、范围本协议适合于使用HART通信协议的仪表和控制系统，包括但不限于以下应用领域：1. 工业过程控制系统中的传感器和执行器；2. 监测和控制系统中的仪表设备；3. 数据采集和监控系统中的仪表设备。
三、术语和定义以下术语和定义适合于本协议：1. HART主站：指能够发送和接收HART通信协议消息的设备，通常是控制系统或者监测系统中的中央处理单元。
2. HART从站：指能够响应HART通信协议消息的设备，通常是工业仪表设备。
3. HART通信：指通过HART通信协议进行的双向数字通信。
4. HART命令：指HART通信协议中用于发送和接收数据的指令。
5. HART变量：指通过HART通信协议传输的数据或者参数。
四、通信协议规范1. 物理层规范a. HART通信协议使用标准的4-20mA摹拟电流回路进行通信。
b. 通信电缆应符合工业标准，以确保信号传输的可靠性和稳定性。
c. 通信距离应根据具体应用需求进行设计和配置。
2. 数据帧格式a. HART通信协议使用数据帧进行信息传输。
b. 数据帧由起始字符、命令字节、校验字节和住手字符组成。
c. 起始字符和住手字符用于标识数据帧的开始和结束。
d. 命令字节用于指示数据帧的类型和目的。
e. 校验字节用于验证数据帧的完整性和准确性。
3. HART命令集a. HART通信协议定义了一套标准的HART命令集，用于实现不同类型的数据传输和设备配置。
b. HART命令集包括读取变量、写入变量、配置设备等功能。
c. HART从站应支持协议规定的必要命令，并根据具体设备的功能需求实现相应的扩展命令。
4. HART变量定义a. HART通信协议定义了一套标准的HART变量，用于描述和传输不同类型的数据。
hart协议概述
hart协议概述概述：HART（Highway Addressable Remote Transducer）协议是一种用于智能仪表和控制系统之间进行数字通信的通信协议。
它是一种混合协议，可以同时传输模拟和数字信号。
HART协议是由美国HART通信基金会（HART Communication Foundation）开发和推广的。
该协议为工业自动化领域提供了一种可靠且灵活的通信方式，广泛应用于流量计、压力变送器、温度传感器等各种过程控制仪表。
1. 目的：本协议的目的是为了定义HART协议的基本规范和标准格式，以确保各种智能仪表和控制系统之间的互操作性和兼容性。
本协议旨在提供一个统一的通信框架，使各种设备能够通过数字通信实现数据传输、参数配置和诊断功能。
2. 适用范围：本协议适用于使用HART协议进行数字通信的智能仪表和控制系统。
它涵盖了HART协议的基本概念、通信方式、数据格式、命令集以及错误处理等方面的内容。
3. 基本概念：3.1 主站（Master）：主站是指能够发送和接收HART命令的设备，通常是控制系统或监控系统。
3.2 从站（Slave）：从站是指能够响应主站命令的设备，通常是智能仪表或传感器。
3.3 HART命令（Command）：HART命令是主站发送给从站的指令，用于获取数据、配置参数或进行诊断。
3.4 HART响应（Response）：HART响应是从站对主站命令的回应，包含所请求的数据、参数配置或诊断结果。
4. 通信方式：HART协议采用了一种双向通信方式，即数字信号通过模拟信号进行传输。
它利用4-20mA的模拟信号作为载体，同时在该信号上叠加了数字信号。
主站通过改变模拟信号的频率来传输数字信号，从站则通过改变模拟信号的幅度来回应主站命令。
5. 数据格式：HART协议定义了一种特定的数据格式，用于在主站和从站之间进行数据传输。
数据格式包括了起始字符、命令字节、校验字节和结束字符等部分。
hart协议概述
hart协议概述协议概述：HART（Highway Addressable Remote Transducer）协议是一种用于工业自动化领域的数字通信协议。
它允许在4-20mA模拟信号传输线上同时传输数字和模拟信号，为现场设备提供了双向通信的能力。
HART协议的设计目标是提供一种灵活、可靠和成本效益高的通信方式，以满足工业自动化系统对数据传输和设备控制的需求。
协议结构：HART协议采用主从结构，其中主设备通常是控制系统或监控系统，而从设备通常是现场仪表。
协议使用频率偏移键控（FSK）调制技术，将数字信号叠加在4-20mA模拟信号上进行传输。
从设备可以通过模拟信号传输模式向主设备发送模拟量测量值，也可以通过数字信号传输模式向主设备发送数字量、报警信息、设备状态等。
协议功能：1. 双向通信：HART协议允许主设备向从设备发送命令，从设备可以响应并返回数据。
这种双向通信的能力使得主设备可以对从设备进行配置、校准和故障诊断等操作。
2. 多点通信：HART协议支持多个从设备连接到同一条通信线路上，主设备可以逐个访问每个从设备。
这种多点通信的能力使得主设备可以同时监控和控制多个现场仪表，提高了系统的灵活性和可扩展性。
3. 高可靠性：HART协议具有自动错误检测和纠正机制，可以在通信过程中检测和纠正传输错误，确保数据的可靠性。
此外，协议还支持冗余路径和冗余设备，提高了系统的可靠性和容错性。
4. 设备管理：HART协议定义了一套标准的命令和响应格式，用于设备的配置、校准、故障诊断和设备状态监测等管理操作。
这种设备管理的功能使得主设备可以对现场仪表进行全面管理和控制，提高了系统的维护效率和可靠性。
5. 兼容性：HART协议与现有的4-20mA模拟信号传输系统兼容，可以在不改变现场仪表硬件的情况下实现数字通信。
此外，HART协议还支持与其他现场总线协议（如FOUNDATION Fieldbus和Profibus）的互联互通，提供了更广泛的应用和集成能力。
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HART协议简介及HART智能仪表的组成原理【摘要】HART协议是由模拟系统向数字系统转变过程中唯一向后兼容的智能仪表解决方案,它在提供现场总线的好处时,保留对现有4～20mA 系统的兼容性。
对于一个典型的HART 智能仪表,其电路组成一般包括电源模块、传感器接口电路、A/D转换、MCU、D/A 输出等。
关键词: HART协议智能仪表现场总线1 前言70 年代中期,工业过程控制仪表发展成为统一的两线制4～20mA标准信号,促进了工业过程控制系统的发展。
但是从80 年代开始,随着微电子学的发展,大量含有微处理器的智能变送器、控制器和集散系统(DCS)得到了普遍应用。
现场设备与控制室自动化设备间需要传输的信息量也急剧增加。
由于原有的4～20mA模拟电流回路,只能在一根两芯电缆中单向传输一个参数,已经不能适应这种要求,所以在现场设备和控制系统之间,迫切需要一种全数字化的、双向、多变量的通信规程,来代替现有的4～20mA模拟传输方式。
在这种需求的推动下,随着计算机网络技术的不断进步,现场总线技术得到了迅速发展。
HART ( HIGHWAY ADDRESSABLE REMOTE TRANSDUCER,可寻址远程传感器通路)是用于现场智能仪表和控制室设备间通信的一种工业标准通信协议,它并不是严格意义上的现场总线协议,而只是一种过度性的现场总线标准。
2 HART协议简介虽然HART 协议只是一种由模拟系统向数字系统转变过程中的过渡协议,但是由于HART 协议是唯一向后兼容的智能仪表解决方案,即它可以在提供现场总线的优越性的同时,保留对现有4-20mA 系统的兼容性。
而且与模拟仪表相比,HART 智能仪表在成本不增加太大的前提下,具有易于调试维护和更高的精度的优点,因而在当前的过渡时期具有较强市场竞争力,在目前智能仪表市场上占有很大的份额。
HART协议使用了ISO/OSI模型的第1、2、7 层,即物理层、数据链路层和应用层。
HART 通信可以有点对点或多点连接模式。
下面将对这三层分别进行简单的介绍。
HART协议在物理层使用了Bell202标准的频移键控(FSK)信号,在4～20mA 信号过程测量模拟信号上叠加了低电平的数字信号。
数字FSK信号相位连续,平均值为0,不影响4～20mA模拟信号,从而使模拟信号和数字双向通信能同时进行,而不相互干扰。
在HART协议中物理层中,规定通信传输速率为1200波特,逻辑“1”由一个周期的1200Hz 频率代表,逻辑“0”由近似两个周期的2200Hz代表,见图 1 和图2。
图1HART使用FSK技术对数字信息编码图 2 HART数字通讯信号叠加在4～20mA模拟信号上HART的数据链路层规定了通信数据的结构、通信模式、用户接口原语等。
比如规定了在HART通信中,每个字符由11位组成,包括1bit 起始位、8bit 数据位、1bit 奇偶校验位、1bit 停止位。
HART数据链路层规定了HART通信基于主/从(Master/Slave) 协议原理,这意味着只有在主站呼叫时,现场设备才传送信息。
在一个HART总线上,可以同时存在两个主设备,第2主设备通常为手持器,如图3所示。
在这种模式下,由于每次数据的传送都必须由主设备发起,所以数据更新速率比较低。
当需要更高的数据更新速率时,可以使从设备工作在突发(Burst )模式。
当从设备进入突发模式后,将不断的发送指定的HART响应信息,直到主站发送命令使其退出突发模式。
图3 HART协议允许总线上存在两个主设备HART协议也支持在一对双绞线上挂接多台HART协议从设备。
将HART协议智能仪表的轮询地址设为非0,将使其工作在多点模式。
在多点模式下,4～20mA模拟信号作废,流经从设备的回路电流固定在4mA。
由于每个HART协议从设备具有唯一的长设备地址，所以主设备可以对每一个从设备进行操作,此时通讯方式只能是主/从模式。
HART协议在应用层规定了强大的命令集。
HART通讯基于命令,也就是主站发送命令,从站作出相应的响应。
HART命令可以分为通用命令、普通常用命令、设备特殊命令三类。
通用命令对于所有符合HART协议的智能设备都适用,目的是确保在大量并不断增长的来自不同供应商的符合HART 协议的设备间可互操作,并在日常工厂操作中访问数据,即读取过程测量值,上限、下限范围,和其他一些信息,诸如生产厂家、型号、位号及描述等。
普通常用命令访问那些大多数但并非全部设备所具有的功能。
这些命令可选,但如果实现,必须被特殊说明,这些命令用于常用的操作如写阻尼时间常数等。
设备特殊命令是针对各种具体设备的特殊性而设立的,不要求设备之间统一,大多数用于设备参数组态、标校等。
在每一个HART 命令响应中包含设备状态信息,指出设备失效或其他问题,例如模拟输出饱和、变量超限或通讯错误等。
一些HART协议兼容设备可以连续检查设备状态位,在发现问题时,发出警报或停车。
为了确保互操作性,在通用和普通常用命令的基础上,HART协议规定了设备描述(DD)并通过设备描述语言(DLL)表达。
DD把主设备操作从设备所需的所有信息都放在了一起,并且对现场设备给出了一种清楚的、无二义性的、一致的描述。
HART 从设备生产商使用DD建立相关设备特性的软件,因而有识别DD能力的主站可以完全访问该设备。
一个针对所有HART兼容设备描述的中央数据库由HART 通讯基金会管理。
3 HART智能仪表的组成原理对于一个典型的HART智能仪表,其电路组成一般包括电源模块、传感器接口电路、A/D 转换电路、MCU、D/A 输出电路和HART通信电路等,如图4 所示。
图4 HART智能仪表电路结构示意图具体来说,电源模块的功能是将环路24V电压转换为+3V或者+5V供电电压,供仪表使用;传感器接口用于向传感器提供激励,例如恒压或者恒流驱动,并且将传感器的输出电压经适当的滤波后引入到A/D转换器的模拟输入接口;A/D 转换部分对传感器输出的信号放大后,转换为数字量供MCU使用;存储器中可以存放各种组态信息、校准参数等;D/A输出部分完成电压到环路电流的转换;HART通信模块用于实现HART协议物理层的实现;单片机(MCU)则是整个智能仪表的核心,协调其余部分的运行,完成运算、通信等功能。
在HART协议智能仪表的设计中,关键性的问题是必须解决低功耗问题。
由于HART通讯协议规定,有±0.5mA的电流叠加在环路4～20mA上,并且在许多智能仪表中,都要求报警电流至少可以低至3.9mA,所以整个仪表的工作电流必须限制在3.4mA 以下。
因此在电路设计中,各个部分均要选用高集成度、低功耗器件。
例如可以选用LINEAR公司的LTC1665L 或者MAXIM公司的MAX5441系列,实现D/A输出功能;选择LTC1521系列等线性稳压器实现电源模块的功能; 而在A/D部分, 则选择MAX1400、LTC2415等低功耗、高精度的A/D转换芯片等。
下面我将根据以上的分析,给出一种HART智能变送器的设计方案,并对各部分电路功能进行简单的说明。
4 HART智能仪表的实现根据以上的分析,提出了一种HART智能变送器电路的实现方案。
在这个方案中,MCU 选择TI公司的超低功耗16位RISC结构的单片机MSP430F147,A/D 转换芯片选择LINEAR 公司的LTC2415,D/A转换芯片选择MAXIM公司的MAX5443。
图5是使用这些芯片设计的HART 协议智能变送器的简单的电路原理示意图,给出了主要部分的电路及各个功能块之间的连接。
因为各种变送器需要的传感器是不同的,所以在这个设计方案中没有给出具体的传感器部分接口电路,使用时根据不同的传感器设计相应的接口电路即可。
图5 HART协议智能仪表电路示意图在这个设计方案中,使用线性稳压器TLC1521-3从4～20mA环路中转换出3V电源供整个系统使用。
TLC1521 —3是LINEAR公司生产的低压差线性稳压器,其输出电流可以达到300mA,静态电流只12 μA,完全可以满足供电要求。
MSP430F147主要特点是:超低功耗(300μA@3V、1MHz)、32KB的FLASH程序存储器、1KB的内部SRAM、256字节用于记录需要掉电保护的数据的信息存储器、两个可分别配置为SPI接口或者UART接口的通用同步异步串行接口、两个带有多组捕捉/比较寄存器的16位定时路、多通道12位A/D转换器、48个I/O端口。
丰富的资源、强大的功能、超低的功耗使得MSP430F147非常适用于GART总线现场仪表。
MSP430F147具有SPI接口,可以方便的与具有SFI接口的LTC2415和MAX5443连接。
MSP430F147内部具有上电复位和看门狗电路,所以无需外接复位电路和看门狗电路。
对于多数传感器,其输出信号的幅值都比较小,满量程一般在几个毫伏或者几十个毫伏。
因此为了对模拟信号进行采集,通常需要增益可调的仪表放大器和高分辨率的A/D转换器。
如果采用分立元件实现小信号的放大,则功耗比较大,而且要满足14 位以上精度A/D转换器的需要也比较困难。
许多公司为了低功耗、小信号采集的应用,专门设计了一些仪表用A/D 转换器,例如MAXIM公司的MAX1400系列、LIN2EAR公司的LTC2400系列等。
这些A/D 转换器的特点是内置了仪表放大器,采用∑-Δ技术,直接对小信号进行采集,以很小的功耗实现非常高的采集精度。
设计方案中采用的LTC2415为全差分输入、24位∑-ΔA/D转换器,与MCU采用SPI接口进行数据传送。
D/A输出和V / I (电压/电流) 变换部分由MAX5443和MAX478实现,MAX5443是MAXIM公司的16位电压输出型模数转换器。
它具有8引脚的小型封装,+3V供电时功耗仅有120μA,而且建立时间只需1μs,非常适合于低功耗的应用。
MAX5443的电压经过MAX478可以实现电压到电流的变换,从而控制4～20mA电流回路。
MAX5443和LTC2415需要的+215V基准参考电压由MAX6166提供。
HART通信模块由HT2012、波形整形电路和滤波器电路等组成。
HT2012是SMAR公司生产的单片CMOS微功耗FSK调制解调专用芯片。
HT2012可以实现调制器、解调器和载波检测的功能,为此需要一个频率为46018kHz的外部时钟输入,此时钟可以同时提供给MSP430F147作为外部时钟输入。
由于HART协议通讯工作于半双工方式,所以每个设备在发送数据前必须保证总线处于空闲状态,HT2012的载波检测功能可以随时监测总线的状态。
具体的说,HT2012在IRXA端口的载波频率处于1000～2575Hz之间时,载波检测输出端OCD 输出有效低电平,MCU可以根据OCD的状态判断总线是否处于空闲状态。