基于HART协议的智能变送器设计

微控制器、A/D、D/A、通信芯片及传感器等是所必需的。图1是HART协议智能变送器的原理框图。传感器模拟量信号经A/D转换成数字量后送入单片机，单片机将处理后的数字量通过D/A转换器，经V/I转换电路输出4～20mA标准电流信号。在数字通信时，微处理器通过通信接口芯片及耦合电路，以4～20mA电流环路为介质传送和接收数据。
　　
　　图1中的存储器（memory），用来存储传感器的特性参数、现场命令、现场状态等工作参数。
　　
　　图2是图1中通信系统的详细方框图。中心是Bell202通信标准的HART调制解调器，并在信号的输出端和输入端分别加1个波形整形和带通滤波器，用以加强通信的可靠性。
　　
　　1.功耗要求
　　
　　为兼容4～20mA现行标准，HART协议智能变送器必须可工作在4～20mA两线回路中。这就意味可用来为变送器供电的电流不能超过4mA。在实际应用中，为兼容数字与模拟两信号，通常将数据频率信号通过V/I转换电路的调整管，转换为幅度为±0.5mA的频率信号，叠加在两线的4～20mA电流环上（2200Hz表示"0"，1200Hz表示"1"），如图3所示。由于对特性，此信号的平均值为0，因此模拟和数字两种信号互不干扰。但环路上电流瞬时最大值I=4.5mA，最小值I=3.5mA，如果向变送器供电过多，超过3.5mA，将导致数字信号负半周失真。考虑到调节量所需的余量，要求对变送器供电电流一般不要超过3.4mA为好。
　　
　　2.供电方式
　　
　　
　　
　　
　　给变送器系统供电主要有两种方式：一是直接将输入电压稳压成所需电压（5V或3.3V）后向系统供电，这种方法总电流必须控制在4mA以内，二是采用DC-DC供电方式，只要DC-DC变换器的效率足够高，在功耗控制上它比第1种方法要宽松得多，但同时还需要考虑变换器的线性稳定性因素可能带来的负面影响。由于目前微功耗、高性价比的集成电路出现，采用方法一的优越性更多，因为在供电方式上，2种方法都有需考虑对供电电压的适应问题。一般工业现场多为DC24V，也有DC36V供电的。一般要求变送器能在DC12～42V供电电压下稳定、可靠地工作，这一方面直接供电方式要比DC-DC变换方式灵活得多。
　　
　　二、通信系统
　　
　　1.通信芯片
　　
　　SMAR公司生产的HT2012为贝尔202标准的单片机CMOS微功耗FSK调制解调器。它是为设计过程控制仪器检测和其他的低功率装备中提供HART通信功能的专用芯片。
　　
　　HT2012由4个主要功能模块组成：时钟频率、解调器、调制器、载波检测。
　　
　　HT20l2需要460.8kHz外时钟输入，3～5V供电，低功耗（典型值40μA）[5]。
　　
　　HT2012调制解调器的半双工的。当一个运转时，调制器和解调器中的另一个会被停止。工作在Bell202标准，发送、传送和接收调制位速率1200bps。
　　
　　HT2012使用1200Hz("1")和2200Hz（"0"）Bell202信号频率，CMOS、TTL兼容。
　　
　　TH2012具有载波检测输出端OCD，低电平有效，表示对方通信芯片准备进行载波发送，改进了通信的实时性和灵活性。另外，19.2kHz时钟信号输出，也为应用提供了方便。
　　
　　2.D/A及V/I转换器
　　

《基于HART协议的智能变送器设计(第2页)》