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基于HART协议的智能变送器设计

时间:2007-1-20栏目:电子通信论文

  摘要:从HART协议智能变磅器的功能和协议要求出发,在详细讨论、分析HART协议智能变送器的设计重点、难点和技术关键的基础上,设计完整的HART协议智能压力/差压变送器的实用电路。它可以实现HART协议智能变送器的基本功能。
  关键词:HART协议智能变送器现场总线数字数据通信
  
  概述
  
  现场总线技术是当前自动检测技术的热点之一。从现场总线技术形成来看,它是控制、计算机、通信、网络等技术发展的必然结果;而智能仪表则为现场总线的出现和应用奠定了基础。自1983年Honeywell推出智能仪表--Smar变送器之后,世界各厂家都相继推出各有特色的智能仪表。为解决开放性资源的共享问题,从用户到厂商都强烈要求形成统一标准,促进现场总线技术的形成。目前,几种有影响的现场总线技术有:基金会现场总线、LonWorks、PROFIBUS、CAN、HART,除HART外,均为全数字化现场总线协议。
  
  全数字化意味着将取消传统的模拟信号的传送方式,而要求每一个现场设备都具有智能及数字通信能力,使得操作人员或其他设备(传感器、执行器等)向现场发送指令(如设定值、量程、报警值等),同时也能实时地得到现场设备各方面的情况(如测量值、环境参数、设备运行情况及设备校准、自诊断情况、报警信息、故障数据等)。此外,原来由主控制器完成的控制运算也分散到了各个现场设备上,大大提高了系统的可靠性和灵活性。现场总线技术关键之处在于系统的开放性,强调对标准的共识与遵从,打破了传统生产厂家各自独立标准的局面,保证了来自不同厂家的产品可以集成到同一个现场总线系统中,并且可以通过网关与其他系统共享资源。
  
  目前,一方面现场总线标准正处在完善和发展阶段,另一方面传统的基于4~20mA的模拟设备还在广泛应用于工业控制信各个领域。因此,马上全数字化是不现实的。为满足从模拟到全数字的过渡,HART协议应运而生。HART采用频移键控(FSK)技术。它基于Bell202通信标准,在4~20mA模拟信号上叠加不同的频率信号(2200Hz表示"0",1200Hz表示"1")来传送数字信号(见图3)。HART协议的数据传输速率为1200bps(位/秒)。HART现场总线(简称HF)系统采用主从工作方式:主机为1台IBM-PC机;从机为1台或多台遵守HART协议的HF智能变送器。当从机只有1台HF智能变送器,即智能变送器工作在点-点方式下时,可继续使用传统的4~20mA信号进行模拟传输,而测量、调整和测试数据用数字方式传输;当从机为多台HF智能变送器时,即智能变送器工作在多站方式下时,4~20mA信号作废,每台变送器工作电流为4mA左右。所有测量,调整和测试数据均用数字方式传输。由于每台HF变送器有惟一的编号,所以主机能对每一台变送器进行操作。HART提供设备描述语言(DDL),以确保互操作性。应该指出,HART被认为是事实上的工业标准,但它本身并不算现场总线(模拟和数字的混合),只能说是现场总线的雏形,是一种过渡协议。由于4~20mA模拟信号标准将在今后相当长的时间内存在,所以研究HART协议仍具有重要意义。
  
  本文讨论基于HART协议智能变送器的硬件实现的技术问题。一是要解决微功耗的问题,二是要讨论实现HART协议智能变送器通信功能的有效方法。
  
  一、功耗要求
  
  为实现智能变送器的基本功能,如线性化处

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