基于HART協議的智能壓力變送系統的設計

　引言

　　工業現場經常需要對一些參數進行測量，而傳統變送器大多采用模擬信號實現設備間通信，信號易受干擾，且功耗過高[1]，不易于遠距離傳輸。HART協議作為開放性的協議，已成為智能儀表的標準，其特點是可在4-20mA模擬電流回路上實現數字信號的通信。本文設計了一種基于HART協議的智能壓力變送系統，支持對壓力傳感器的零點和量程設置，以及對工業現場壓力參數的軟件濾波、數字溫度補償和數字線性化，提供4-20mA的模擬輸出和HART協議的數字通信，可使用上位機軟件進行傳感器的參數設置和現場參數的數字顯示，并以文本文件保存壓力傳感器的相關參數。

　　1系統結構框圖

系統結構框圖如圖1所示。

　　壓力傳感器，采集工業現場的壓力參數，輸出為差分小信號；智能變送器，對傳感器輸出信號進行放大和數字處理，同時監測現場溫度，輸出為4-20mA的電流信號和HART協議的數字信號；HART/RS232轉換器，將HART信號（不同頻率的交流信號）的轉換為符合RS232標準電平的數字信號；PC上位機，通過HART/RS232轉換器與智能變送器進行通信，實時顯示壓力和溫度的測量數據，可設置壓力傳感器的相關參數，并以文本文件保存。

圖1系統結構框圖

　　2系統硬件設計

　　2.1智能變送器

　　智能變送器使用標準的24V工業電源供電，對壓力傳感器輸出的差分小信號進行放大、濾波和數據處理，實時監測工業現場的溫度數值，提供標準的4-20mA的電流模擬輸出和基于HART協議的FSK信號輸出。其硬件結構如圖2所示。

圖2HART智能變送器硬件結構圖

2.1.1MSP430F4270

　　MSP430F4270作為智能變送器的核心，其16位的ADC轉換器實現對差分模擬信號的數字轉換；I2C接口讀取LM75A轉化的溫度數字數據；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進行通信，可通過軟件編程實現HART協議。

　　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，差模放大倍數數值愈大，共模抑制比愈高[2]），實現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接口讀取其內部寄存器的數據，獲得環境溫度的數值。

　　2.1.4AD421

　　AD421是美國ADI公司推出的一種單片高性能數/模轉換器（DAC），可以直接由標準的24V工業電源電流環路供電，其主要特征如下：

　　◆4-20mA電流環路輸出。

　　◆HART兼容型。

　　◆穩壓輸出：5V、3.3V、3V。

　　◆2.5V和1.25V精密電壓源。

　　◆16位的數字串行輸入接口（SPI）。

　　◆靜態電流：750uA（最大值）。

　　2.1.5DS8500

　　DS8500是一款單芯片、可尋址遠程傳感器通道(HART)的調制解調器，滿足HART協議物理層規范要求。該器件集成了1200Hz/2200HzFSK信號調制、解調功能，具有極低功耗，由于集成了數字信號處理功能，只需很少的外圍器件。輸入信號通過模/數轉換器(ADC)采樣，然后進行數字濾波/解調。該架構確保在干擾環境下能進行可靠的信號檢測。輸出數字模擬轉換器(DAC)產生正弦波，并提供一路低噪信號，該信號可在1200Hz和2200Hz之間連續切換。發送時，通過禁用接收電路實現低功耗，反之亦然。

　　1.2HART/RS232轉換器

HART/RS232轉換器硬件結構圖如圖3所示。DS8500通過RS232串行接口與PC進行通信，通過編寫上位機軟件支持HART協議。DIN從PC的UART接收數據，DOUT向PC的UART發送數據。通過PC的UART接口的DTR引腳信號控制DS8500的復位狀態，RTS引腳信號控制DS8500的調制解調模式。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HART協議的FSK信號（交流信號）的耦合。

圖3HART/RS232轉換器硬件結構圖

　　3系統軟件設計

　　3.1智能變送器軟件設計

　　智能變送器的微處理器為MSP430F4270，其軟件設計如圖4所示。

圖4MSP430F4270軟件設計

　　通過軟件編程支持HART協議長幀和短幀格式，實現的通用命令有：0號命令，讀傳感器相關參數；1號命令，讀主測量值壓力數據；3號命令，讀壓力和溫度數據；6號命令，設置隨機地址；14號命令，讀傳感器編號；59號命令，設置所需導言數；109號命令，進入或退出突發模式。實現的特殊命令有：128號命令，寫零點溫度補償參數；129號命令，寫滿量程溫度補償參數；130號命令，讀零點溫度補償參數；131號命令，讀滿量程溫度補償參數；132號命令，設置傳感器零點；133號命令，設置傳感器滿量程；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有：隨機地址、導言數、零點值、滿量程值、零點溫度補償參數、滿量程溫度補償參數和傳感器的廠商編號。

　　3.2上位機界面設計

　　上位機界面采用VC++6.0軟件進行編寫，使用MScom控件開發串口通信協議，通過軟件編程，實現HART協議。另外，上位機軟件還具有以文本文件保存傳感器參數的功能，其文件以傳感器廠商編號命名。

　　上位機軟件的核心代碼為基于最小二乘法的溫度補償的參數計算。上位機在系統溫度范圍內選擇五個不同溫度值以及其對應的零點壓力值，使用最小二乘法進行二次曲線擬合，求得二次曲線方程的參數即零點溫度補償的參數值，將參數值由浮點數轉換為無符號數（用于串口通信），通過HART命令寫傳感器零點溫度補償參數。滿量程的溫度補償參數計算同上。

　　由于上位機程序使用到VC++6.0的控件，在沒有安裝VC++的計算機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結果分析

　　經測試，系統智能變送器的功耗約為3.2mA，小于HART協議要求的3.5mA；系統的壓力測量精度為0.04%FS，滿足HART產品精度要求。

　　系統的HART上位機界面如圖5所示。波特率固定為1200bps；地址設置范圍為0x00-0x0F，同時支持15個HART設備；導言數設置范圍為0x00-0x14；壓力和溫度值顯示設置為浮點數格式（IEEE745標準），壓力顯示為4-20mA和百分比兩種方式，溫度顯示單位為℃。

圖5HART上位機界面

　　5結束語

　　本文闡述了一種基于HART協議的智能壓力變送系統的硬件設計方案以及軟件設計思想和實現方法，成功實現了應用HART協議對工業現場壓力和溫度的高精度測量。經實驗測試和工業現場應用表明：該系統滿足HART協議及其產品要求，且運行穩定，效果良好。

　　參考文獻

　　[1]夏曉劍,寧永海,沈森.基于HART協議的低功耗智能變送器研究[J].通信技術,2010(1):105-109.

　　[2]童詩白,華成英主編.模擬電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社,2003(12).

　　[3]StephenPrata著.CPrimerPlus(第五版)中文版[M].北京：人民郵電出版社,2005(2).

　　[4]孫鑫,余安萍編著.VC++深入詳解[M].北京：電子工業出版社,2006(6).

　　[5]張艷鋒,嚴家明.基于最小二乘法的壓力傳感器溫度補償算法[J].計算機測量與控制,2007.15(12).

　　[6]賈伯年,俞樸,宋愛國主編.傳感器技術[M].南京：東南大學出版社,2007(2).

　　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設計和微處理器應用。王擊（1968—），男，湖南長沙人，副教授，研究方向為嵌入式系統設計和電氣自動化及設計。

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

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