先進(jìn)的智能變送器是工業(yè)過程控制技術(shù)發(fā)展的需要,，也是工藝過程實(shí)現(xiàn)高精度控制的必需,，具有很好的市場(chǎng)前景。現(xiàn)場(chǎng)總線是目前國(guó)際上過程控制領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn),，通過現(xiàn)場(chǎng)總線,，數(shù)字通信技術(shù)可以延伸到現(xiàn)場(chǎng)儀表，給控制體系帶來一場(chǎng)革命,。HART協(xié)議作為一個(gè)開放性的協(xié)議,，現(xiàn)已成為智能儀表的事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)在,，國(guó)際及國(guó)內(nèi)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(jiǎn)稱為“HF智能變送器”),，是一種將標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)(4～20 mA)與數(shù)字信號(hào)技術(shù)結(jié)合在一起用于傳送過程參數(shù)的變送器。傳統(tǒng)變送器傳輸傳感器數(shù)據(jù)的同時(shí),，不能傳輸控制信號(hào)與診斷信號(hào),。同時(shí)為了滿足智能現(xiàn)場(chǎng)通信器對(duì)信號(hào)實(shí)時(shí)處理的需要，在HART智能現(xiàn)場(chǎng)通信器軟件總體設(shè)計(jì)中采用實(shí)時(shí)嵌入式控制系統(tǒng),。為此,，筆者設(shè)計(jì)了一種基于MAXQ2000嵌入式微處理器的增強(qiáng)型智能變送器，采用HART協(xié)議進(jìn)行信號(hào)的調(diào)制解調(diào),，所提供的通信通道在傳輸傳感器數(shù)據(jù)的同時(shí),，還可傳輸控制和診斷信號(hào)。

　　1 HART智能儀表的特點(diǎn)

　　HART協(xié)議遵循ISO制訂的OSI開放式系統(tǒng)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(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層?，F(xiàn)場(chǎng)總線(field bus)是一種數(shù)字化的串行雙向通信系統(tǒng)，能將所有的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備,、傳感器,、執(zhí)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(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí),、車間級(jí)的數(shù)字化通信網(wǎng)絡(luò),，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)控制遠(yuǎn)程傳送等功能。HART現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)采用主從工作方式,，主機(jī)一般為1臺(tái)PC機(jī),，從機(jī)可為1臺(tái)或多臺(tái)具有HART通信功能的智能變送器,。

　　HART智能儀表具有如下特點(diǎn)：

　　①實(shí)現(xiàn)了傳感器信號(hào)的數(shù)字化,，提高了測(cè)量精度,。

　　②實(shí)現(xiàn)了傳感器信號(hào)的智能化,，能方便地修整擬合曲線并進(jìn)行各種補(bǔ)償,。

　　③智能儀表實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化,，在控制站內(nèi)可直接觀察數(shù)千臺(tái)儀表,。

　　④通信傳輸采用4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)加數(shù)字信號(hào)方式,，可直接替換模擬儀表,。

　　⑤通過數(shù)字信息能讀出儀表各種管理信息,，如生產(chǎn)廠家,、儀表型號(hào)、生產(chǎn)序號(hào),、維修時(shí)間等,。

　　⑥可裝入算法,，直接構(gòu)成控制回路,。

　　⑦工作在4～20 mA現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的兩線制回路中,。在應(yīng)用時(shí),，其兼容模擬與數(shù)字信號(hào)，而頻率信號(hào)經(jīng)過V／I轉(zhuǎn)換電路的轉(zhuǎn)換管,，轉(zhuǎn)換為幅度為0.5 mA的頻率信號(hào),，疊加在兩線制4～20 mA的電流環(huán)上。由于對(duì)稱性,，此信號(hào)的平均值為0,，所以模擬、數(shù)字兩信號(hào)互不干擾,。

　?、嗑哂芯€性化處理功能、溫度補(bǔ)償功能,、零點(diǎn)自動(dòng)調(diào)整功能,、量程自動(dòng)調(diào)整功能、數(shù)字化通信功能等,。

　　2 電流變送器

　　最簡(jiǎn)單的電流變送器是采用簡(jiǎn)單的電流環(huán)路進(jìn)行信號(hào)傳遞的,。在環(huán)路中,，傳感器的輸出電壓首先按比例轉(zhuǎn)換成電流,，遠(yuǎn)端接收器將4～20 mA的電流又轉(zhuǎn)換為電壓,，利用計(jì)算機(jī)或顯示模塊做進(jìn)一步處理。典型的4～20 mA電流環(huán)電路包括4個(gè)部分：傳感器／變送器,、電壓—電流轉(zhuǎn)換器,、環(huán)路電源和接收器／監(jiān)視器。為適應(yīng)工業(yè)需求,，出現(xiàn)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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器調(diào)理遠(yuǎn)端信號(hào)。智能型變送器可以對(duì)增益和失調(diào)進(jìn)行校準(zhǔn),，通過將傳感器模擬信號(hào)數(shù)字化(如電阻式溫度檢測(cè)器RTD和熱電偶)實(shí)現(xiàn)線性化處理,，用駐留在μC內(nèi)部的數(shù)學(xué)算法處理信號(hào)，再將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換回模擬信號(hào),，結(jié)果以標(biāo)準(zhǔn)電流的形式沿環(huán)路傳輸,。最新的第3代4～20 mA變送器被認(rèn)為是“增強(qiáng)型智能”變送器。它們?cè)黾恿伺c4～20 mA信號(hào)共享雙絞線的數(shù)字通信功能,。所提供的通信通道在傳輸傳感器數(shù)據(jù)的同時(shí),，還可傳輸控制和診斷信號(hào)。設(shè)計(jì)的增強(qiáng)型智能變送器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示,，主要由模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC,、數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC、MAXQ2000微控制器,、電壓調(diào)節(jié)器,、信號(hào)調(diào)理、HART調(diào)制解調(diào)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(biāo)準(zhǔn)是HART協(xié)議,，HART協(xié)議采用美國(guó)電話通信系統(tǒng)Bell202頻移鍵控(FSK)標(biāo)準(zhǔn),。如圖2所示，在4～20 mA的模擬信號(hào)上疊加0.5 mA的正弦波數(shù)字信號(hào),，其數(shù)字信號(hào)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(hào)上，同時(shí)提供模擬和數(shù)字通信,。因?yàn)镕SK信號(hào)的平均值始終為零,，所以數(shù)字通信信號(hào)不會(huì)影響4～20 mA的模擬信號(hào)。數(shù)字狀態(tài)每秒鐘可以轉(zhuǎn)換2～3次,，而不會(huì)妨礙模擬信號(hào),。允許的最小環(huán)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：

　?、俅?a class="innerlink" href="http://forexkbc.com/tags/接口" title="接口" target="_blank">接口,，連接用于數(shù)據(jù)采集的ADC和用于設(shè)置環(huán)路電流的DAC。

　?、谝?yàn)轭A(yù)算電流為4 mA,，所以要求低功耗。

　?、鄢朔?累加單元(MAC),，既完成輸入信號(hào)的數(shù)字濾波，在HART協(xié)議中又同時(shí)進(jìn)行編碼和解碼,。

　　μC選用MAXQ2000,。低功耗的MAXQ2000是Maxim／Dallas公司的新產(chǎn)品，是一種高性能,、16位的RISC器件,。

　　3 HART調(diào)制解調(diào)器的實(shí)現(xiàn)

　　3.1 HART調(diào)制解調(diào)器的基本組成

　　以MAXQ2000微處理器為核心的增強(qiáng)型智能4～20mA變送器的HART調(diào)制解調(diào)器如圖3所示。在MAXQ2000中,，實(shí)現(xiàn)軟件濾波和頻率編碼／解碼等功能,；低功耗的MAX1407實(shí)現(xiàn)A／D轉(zhuǎn)換，低功耗的MAX1102實(shí)現(xiàn)D／A轉(zhuǎn)換,。

　　如果系統(tǒng)包含1 200 Hz和2 200 Hz(分別代表1和0)頻率編碼器,，同時(shí)要對(duì)這些頻率進(jìn)行檢測(cè)，可以采用MAXQμC內(nèi)部的MAC實(shí)現(xiàn)HART調(diào)制解調(diào)器要求的這些功能,。

　　3.2 頻率編碼器的實(shí)現(xiàn)

　　要產(chǎn)生所需的正弦波形,，可以利用下述差分方程描述的兩極點(diǎn)濾波器形式實(shí)現(xiàn)遞歸數(shù)字式諧振器：

　　式中，常數(shù)k等于2 cos(2π×頻率／采樣率),?？梢灶A(yù)先計(jì)算k的兩個(gè)值，并存在ROM中,。例如,，要用8 kHz采樣率產(chǎn)生1 200 Hz頻率，該值k=2 cos(2π×1 200／8 000),。必須計(jì)算能使振蕩器開始振蕩的初始激勵(lì),。如果Xn-1和Xn-2都為0，接下來的每個(gè)Xn也都將為0,。要啟動(dòng)振蕩器,，將Xn-1設(shè)為0，Xn-2設(shè)置為：

　　為進(jìn)一步簡(jiǎn)化編碼,，首先,，初始化兩個(gè)中間變量(X1,，X2)。X1初始化為0,，X2為初始激勵(lì)值(上面的計(jì)算結(jié)果),，以啟動(dòng)振蕩器。這樣,，要產(chǎn)生一個(gè)正弦波的采樣,，可進(jìn)行下列運(yùn)算：

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

　　因?yàn)橹恍枰獧z測(cè)兩種頻率，所以采用改進(jìn)的Goertzel算法,。這種算法可以用簡(jiǎn)單的二階濾波器實(shí)現(xiàn),，如圖4所示。

　　要使用Goertzel算法檢測(cè)特定頻率,，編譯時(shí)要首先使用下式計(jì)算出常數(shù)：

　　隨后,，將中間變量D0、D1和D2初始化為0,，并對(duì)每個(gè)收到的采樣X進(jìn)行下列計(jì)算：

　　得到足夠多的采樣值以后(采用8 kHz的采樣頻率時(shí),，通常為205個(gè)采樣值)，用最新計(jì)算出的D1和D2值進(jìn)行下列計(jì)算：

　　這時(shí),，P包含了輸入信號(hào)中測(cè)試頻率的平方,。要對(duì)兩種頻率解碼，用兩個(gè)濾波器處理每個(gè)采樣,。每個(gè)濾波器都有自己的k值和自己的一組中間變量,，每個(gè)變量都是16位長(zhǎng)，所以,，整個(gè)算法需要48字節(jié)的中間存儲(chǔ)器空間,。

　　3.3 HART中斷程序

　　HART通信程序是HART協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層的軟件實(shí)現(xiàn)。由于HART通信采取的是主從方式,，而像變送器這類的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備都是從機(jī),，因此在初始化中和每次回答完主機(jī)命令后，都要把接收中斷打開,，一直等候主機(jī)命令,。HART通信采用水平和垂直校驗(yàn)的方法，當(dāng)檢測(cè)到接收數(shù)據(jù)有差錯(cuò)時(shí),，要等到主設(shè)備命令幀發(fā)完后,，通知主設(shè)備數(shù)據(jù)接收有誤，主設(shè)備則重新發(fā)命令幀,，從而保證通信的準(zhǔn)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(gè)字節(jié)在物理層傳輸需要9 ms左右,，為了保證通信的實(shí)時(shí)性,，通信程序采用串行口終端接收／發(fā)送。該中斷所要完成的通信中的主要任務(wù)是,，接收和發(fā)送幀,、幀的拆分和打包。

 

　　結(jié) 語

　　HART協(xié)議作為一個(gè)開放性的協(xié)議,，現(xiàn)已成為智能儀表事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn),，其特點(diǎn)是在現(xiàn)有的模擬信號(hào)傳輸上實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)通信；嵌入式系統(tǒng)技術(shù)是目前電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域最為熱門的技術(shù)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(duì)HART協(xié)議的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了較詳細(xì)的敘述。采用嵌入式技術(shù)的HART智能變送器,，不僅能解決現(xiàn)場(chǎng)總線兼容原有的DCS(Distribute Control System)問題,，而且使系統(tǒng)整體的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性,、抗干擾性及低功耗等性能有了極大的提高,。