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。現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。現在，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。現場總線(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：

　　①實現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。

　　③智能儀表實現了網絡化，在控制站內可直接觀察數千臺儀表。

　　④通信傳輸采用4～20 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。

　　⑥可裝入算法，直接構成控制回路。

　　⑦工作在4～20 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。

　　⑧具有線性化處理功能、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：

　　①串行接口，連接用于數據采集的ADC和用于設置環路電流的DAC。

　　②因為預算電流為4 mA，所以要求低功耗。

　　③乘法-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。

　　3 HART調制解調器的實現

　　3.1 HART調制解調器的基本組成

　　以MAXQ2000微處理器為核心的增強型智能4～20mA變送器的HART調制解調器如圖3所示。在MAXQ2000中，實現軟件濾波和頻率編碼／解碼等功能；低功耗的MAX1407實現A／D轉換，低功耗的MAX1102實現D／A轉換。

　　如果系統包含1 200 Hz和2 200 Hz(分別代表1和0)頻率編碼器，同時要對這些頻率進行檢測，可以采用MAXQμC內部的MAC實現HART調制解調器要求的這些功能。

　　3.2 頻率編碼器的實現

　　要產生所需的正弦波形，可以利用下述差分方程描述的兩極點濾波器形式實現遞歸數字式諧振器：

　　式中，常數k等于2 cos(2π×頻率／采樣率)。可以預先計算k的兩個值，并存在ROM中。例如，要用8 kHz采樣率產生1 200 Hz頻率，該值k=2 cos(2π×1 200／8 000)。必須計算能使振蕩器開始振蕩的初始激勵。如果Xn-1和Xn-2都為0，接下來的每個Xn也都將為0。要啟動振蕩器，將Xn-1設為0，Xn-2設置為：

　　為進一步簡化編碼，首先，初始化兩個中間變量(X1，X2)。X1初始化為0，X2為初始激勵值(上面的計算結果)，以啟動振蕩器。這樣，要產生一個正弦波的采樣，可進行下列運算：

　　每個新的正弦值都需要一次乘法運算和一次減法運算。利用MAXQμC的單周期硬件MAC，可以采用如下操作產生正弦波：

　　因為只需要檢測兩種頻率，所以采用改進的Goertzel算法。這種算法可以用簡單的二階濾波器實現，如圖4所示。

　　要使用Goertzel算法檢測特定頻率，編譯時要首先使用下式計算出常數：

　　隨后，將中間變量D0、D1和D2初始化為0，并對每個收到的采樣X進行下列計算：

　　得到足夠多的采樣值以后(采用8 kHz的采樣頻率時，通常為205個采樣值)，用最新計算出的D1和D2值進行下列計算：

　　這時，P包含了輸入信號中測試頻率的平方。要對兩種頻率解碼，用兩個濾波器處理每個采樣。每個濾波器都有自己的k值和自己的一組中間變量，每個變量都是16位長，所以，整個算法需要48字節的中間存儲器空間。

　　3.3 HART中斷程序

　　HART通信程序是HART協議數據鏈路層和應用層的軟件實現。由于HART通信采取的是主從方式，而像變送器這類的現場設備都是從機，因此在初始化中和每次回答完主機命令后，都要把接收中斷打開，一直等候主機命令。HART通信采用水平和垂直校驗的方法，當檢測到接收數據有差錯時，要等到主設備命令幀發完后，通知主設備數據接收有誤，主設備則重新發命令幀，從而保證通信的準確可靠。HART中斷子程序流程如圖5所示。由于HART通信為主從方式，HART幀中每個字節在物理層傳輸需要9 ms左右，為了保證通信的實時性，通信程序采用串行口終端接收／發送。該中斷所要完成的通信中的主要任務是，接收和發送幀、幀的拆分和打包。

 

　　結 語

　　HART協議作為一個開放性的協議，現已成為智能儀表事實上的標準，其特點是在現有的模擬信號傳輸上實現數字信號通信；嵌入式系統技術是目前電子產品設計領域最為熱門的技術之一。本文介紹了以MAXQ2000嵌入式處理器為核心的HART智能電流變送器，對HART協議的實現進行了較詳細的敘述。采用嵌入式技術的HART智能變送器，不僅能解決現場總線兼容原有的DCS(Distribute Control System)問題，而且使系統整體的實時性、穩定性、抗干擾性及低功耗等性能有了極大的提高。