引言

　　工業(yè)現(xiàn)場經(jīng)常需要對一些參數(shù)進(jìn)行測量，而傳統(tǒng)變送器大多采用模擬信號實現(xiàn)設(shè)備間通信，信號易受干擾，且功耗過高[1]，不易于遠(yuǎn)距離傳輸。HART協(xié)議作為開放性的協(xié)議，已成為智能儀表的標(biāo)準(zhǔn)，其特點是可在4-20mA模擬電流回路上實現(xiàn)數(shù)字信號的通信。本文設(shè)計了一種基于HART協(xié)議的智能壓力變送系統(tǒng)，支持對壓力傳感器的零點和量程設(shè)置，以及對工業(yè)現(xiàn)場壓力參數(shù)的軟件濾波、數(shù)字溫度補(bǔ)償和數(shù)字線性化，提供4-20mA的模擬輸出和HART協(xié)議的數(shù)字通信，可使用上位機(jī)軟件進(jìn)行傳感器的參數(shù)設(shè)置和現(xiàn)場參數(shù)的數(shù)字顯示，并以文本文件保存壓力傳感器的相關(guān)參數(shù)。

　　1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

　　壓力傳感器，采集工業(yè)現(xiàn)場的壓力參數(shù)，輸出為差分小信號；智能變送器，對傳感器輸出信號進(jìn)行放大和數(shù)字處理，同時監(jiān)測現(xiàn)場溫度，輸出為4-20mA的電流信號和HART協(xié)議的數(shù)字信號；HART/RS232轉(zhuǎn)換器，將HART信號（不同頻率的交流信號）的轉(zhuǎn)換為符合RS232標(biāo)準(zhǔn)電平的數(shù)字信號；PC上位機(jī)，通過HART/RS232轉(zhuǎn)換器與智能變送器進(jìn)行通信，實時顯示壓力和溫度的測量數(shù)據(jù)，可設(shè)置壓力傳感器的相關(guān)參數(shù)，并以文本文件保存。

圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　2系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　2.1智能變送器

　　智能變送器使用標(biāo)準(zhǔn)的24V工業(yè)電源供電，對壓力傳感器輸出的差分小信號進(jìn)行放大、濾波和數(shù)據(jù)處理，實時監(jiān)測工業(yè)現(xiàn)場的溫度數(shù)值，提供標(biāo)準(zhǔn)的4-20mA的電流模擬輸出和基于HART協(xié)議的FSK信號輸出。其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2HART智能變送器硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1.1MSP430F4270

　　MSP430F4270作為智能變送器的核心，其16位的ADC轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)對差分模擬信號的數(shù)字轉(zhuǎn)換；I2C接口讀取LM75A轉(zhuǎn)化的溫度數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)；通過SPI接口寫AD421，控制其輸出4-20mA的電流模擬信號；UART接口用于同DS8500進(jìn)行通信，可通過軟件編程實現(xiàn)HART協(xié)議。

　　2.1.2OPA2333

　　從壓力傳感器獲得的信號為差模小信號，并含有較大共模部分[2]。使用OPA2333設(shè)計儀表放大電路（電路放大差模信號，抑制共模信號，差模放大倍數(shù)數(shù)值愈大，共模抑制比愈高[2]），實現(xiàn)對輸入信號中的共模噪聲的抑制。

　　2.1.3LM75A

　　LM75A是一個高速I2C接口的溫度傳感器，工作范圍（-55～+125）℃，精度0.125℃。微處理器可以通過I2C接口讀取其內(nèi)部寄存器的數(shù)據(jù)，獲得環(huán)境溫度的數(shù)值。

　　2.1.4AD421

　　AD421是美國ADI公司推出的一種單片高性能數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（DAC），可以直接由標(biāo)準(zhǔn)的24V工業(yè)電源電流環(huán)路供電，其主要特征如下：

　　◆4-20mA電流環(huán)路輸出。

　　◆HART兼容型。

　　◆穩(wěn)壓輸出：5V、3.3V、3V。

　　◆2.5V和1.25V精密電壓源。

　　◆16位的數(shù)字串行輸入接口（SPI）。

　　◆靜態(tài)電流：750uA（最大值）。

　　2.1.5DS8500

　　DS8500是一款單芯片、可尋址遠(yuǎn)程傳感器通道(HART)的調(diào)制解調(diào)器，滿足HART協(xié)議物理層規(guī)范要求。該器件集成了1200Hz/2200HzFSK信號調(diào)制、解調(diào)功能，具有極低功耗，由于集成了數(shù)字信號處理功能，只需很少的外圍器件。輸入信號通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)采樣，然后進(jìn)行數(shù)字濾波/解調(diào)。該架構(gòu)確保在干擾環(huán)境下能進(jìn)行可靠的信號檢測。輸出數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)產(chǎn)生正弦波，并提供一路低噪信號，該信號可在1200Hz和2200Hz之間連續(xù)切換。發(fā)送時，通過禁用接收電路實現(xiàn)低功耗，反之亦然。

　　1.2HART/RS232轉(zhuǎn)換器

HART/RS232轉(zhuǎn)換器硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。DS8500通過RS232串行接口與PC進(jìn)行通信，通過編寫上位機(jī)軟件支持HART協(xié)議。DIN從PC的UART接收數(shù)據(jù)，DOUT向PC的UART發(fā)送數(shù)據(jù)。通過PC的UART接口的DTR引腳信號控制DS8500的復(fù)位狀態(tài)，RTS引腳信號控制DS8500的調(diào)制解調(diào)模式。變壓器可選用低頻變壓器（常用的1:1音頻變壓器即可），實現(xiàn)HART協(xié)議的FSK信號（交流信號）的耦合。

圖3HART/RS232轉(zhuǎn)換器硬件結(jié)構(gòu)圖

　　3系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　3.1智能變送器軟件設(shè)計

　　智能變送器的微處理器為MSP430F4270，其軟件設(shè)計如圖4所示。

圖4MSP430F4270軟件設(shè)計

　　通過軟件編程支持HART協(xié)議長幀和短幀格式，實現(xiàn)的通用命令有：0號命令，讀傳感器相關(guān)參數(shù)；1號命令，讀主測量值壓力數(shù)據(jù)；3號命令，讀壓力和溫度數(shù)據(jù)；6號命令，設(shè)置隨機(jī)地址；14號命令，讀傳感器編號；59號命令，設(shè)置所需導(dǎo)言數(shù)；109號命令，進(jìn)入或退出突發(fā)模式。實現(xiàn)的特殊命令有：128號命令，寫零點溫度補(bǔ)償參數(shù)；129號命令，寫滿量程溫度補(bǔ)償參數(shù)；130號命令，讀零點溫度補(bǔ)償參數(shù)；131號命令，讀滿量程溫度補(bǔ)償參數(shù)；132號命令，設(shè)置傳感器零點；133號命令，設(shè)置傳感器滿量程；134號命令。寫傳感器廠商編號。MSP430F4270的用戶FLASH中存儲的傳感器參數(shù)有：隨機(jī)地址、導(dǎo)言數(shù)、零點值、滿量程值、零點溫度補(bǔ)償參數(shù)、滿量程溫度補(bǔ)償參數(shù)和傳感器的廠商編號。

　　3.2上位機(jī)界面設(shè)計

　　上位機(jī)界面采用VC++6.0軟件進(jìn)行編寫，使用MScom控件開發(fā)串口通信協(xié)議，通過軟件編程，實現(xiàn)HART協(xié)議。另外，上位機(jī)軟件還具有以文本文件保存?zhèn)鞲衅鲄?shù)的功能，其文件以傳感器廠商編號命名。

　　上位機(jī)軟件的核心代碼為基于最小二乘法的溫度補(bǔ)償?shù)膮?shù)計算。上位機(jī)在系統(tǒng)溫度范圍內(nèi)選擇五個不同溫度值以及其對應(yīng)的零點壓力值，使用最小二乘法進(jìn)行二次曲線擬合，求得二次曲線方程的參數(shù)即零點溫度補(bǔ)償?shù)膮?shù)值，將參數(shù)值由浮點數(shù)轉(zhuǎn)換為無符號數(shù)（用于串口通信），通過HART命令寫傳感器零點溫度補(bǔ)償參數(shù)。滿量程的溫度補(bǔ)償參數(shù)計算同上。

　　由于上位機(jī)程序使用到VC++6.0的控件，在沒有安裝VC++的計算機(jī)上運行時需注冊控件。第一步，將“MSCOMM32.DEP、MSCOMM32.OCX、MSCOMM.SRG”拷貝到“C:\WINDOWS\system32”子目錄下；第二步，點擊“開始——程序——附件——命令提示符”，輸入“Regsvr32C:\WINDOWS\system32\MSCOMM32.OCX”回車，點擊系統(tǒng)提示的信息框的確定，完成控件的注冊；第三步，退出命令提示符，運行程序。

4結(jié)果分析

　　經(jīng)測試，系統(tǒng)智能變送器的功耗約為3.2mA，小于HART協(xié)議要求的3.5mA；系統(tǒng)的壓力測量精度為0.04%FS，滿足HART產(chǎn)品精度要求。

　　系統(tǒng)的HART上位機(jī)界面如圖5所示。波特率固定為1200bps；地址設(shè)置范圍為0x00-0x0F，同時支持15個HART設(shè)備；導(dǎo)言數(shù)設(shè)置范圍為0x00-0x14；壓力和溫度值顯示設(shè)置為浮點數(shù)格式（IEEE745標(biāo)準(zhǔn)），壓力顯示為4-20mA和百分比兩種方式，溫度顯示單位為℃。

圖5HART上位機(jī)界面

　　5結(jié)束語

　　本文闡述了一種基于HART協(xié)議的智能壓力變送系統(tǒng)的硬件設(shè)計方案以及軟件設(shè)計思想和實現(xiàn)方法，成功實現(xiàn)了應(yīng)用HART協(xié)議對工業(yè)現(xiàn)場壓力和溫度的高精度測量。經(jīng)實驗測試和工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用表明：該系統(tǒng)滿足HART協(xié)議及其產(chǎn)品要求，且運行穩(wěn)定，效果良好。

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　　作者簡介：楊澤（1987—），男，山西運城人，碩士研究生，研究方向為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計和微處理器應(yīng)用。王擊（1968—），男，湖南長沙人，副教授，研究方向為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計和電氣自動化及設(shè)計。

　　第一作者：楊澤，1987-01-20，男，碩士研究生工作單位：中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院

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