智能电流变送器中HART调制解调器的实现方法

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引 言
先进的智能变送器是工业过程控制技术发展的需要，也是工艺过程实现高精度控制的必需，具有很好的市场前景。现场总线是目前国际上过程控制领域的一个热点，通过现场总线，数字通信技术可以延伸到现场仪表，给控制体系带来一场革命。HART协议作为一个开放性的协议，现已成为智能仪表的事实上的标准。现在，国际及国内使用的智能变送器基本是带有HART通信功能的智能变送器(简称为“HF智能变送器”)，是一种将标准模拟信号(4～20 mA)与数字信号技术结合在一起用于传送过程参数的变送器。传统变送器传输传感器数据的同时，不能传输控制信号与诊断信号。同时为了满足智能现场通信器对信号实时处理的需要，在HART智能现场通信器软件总体设计中采用实时嵌入式控制系统。为此，笔者设计了一种基于MAXQ2000嵌入式微处理器的增强型智能变送器，采用HART协议进行信号的调制解调，所提供的通信通道在传输传感器数据的同时，还可传输控制和诊断信号。
1 HART智能仪表的特点
HART协议遵循ISO制订的OSI开放式系统互连参考模型，采用了OSI模型的第1层、第2层和第7层，即物理层、数据链路层和应用层。现场总线(field bus)是一种数字化的串行双向通信系统，能将所有的现场设备、传感器、执行器等与控制器用1根电缆(光缆或无线)连接在一起，形成现场设备级、车间级的数字化通信网络，可实现现场状态控制远程传送等功能。HART现场总线系统采用主从工作方式，主机一般为1台PC机，从机可为1台或多台具有HART通信功能的智能变送器。
HART智能仪表具有如下特点：
①实现了传感器信号的数字化，提高了测量精度。

②实现了传感器信号的智能化，能方便地修整拟合曲线并进行各种补偿。

③智能仪表实现了网络化，在控制站内可直接观察数千台仪表。

④通信传输采用4～20 mA标准信号加数字信号方式，可直接替换模拟仪表。

⑤通过数字信息能读出仪表各种管理信息，如生产厂家、仪表型号、生产序号、维修时间等。
⑥可装入算法，直接构成控制回路。

⑦工作在4～20 mA现行标准的两线制回路中。在应用时，其兼容模拟与数字信号，而频率信号经过V／I转换电路的转换管，转换为幅度为0.5 mA的频率信号，叠加在两线制4～20 mA的电流环上。由于对称性，此信号的平均值为0，所以模拟、数字两信号互不干扰。
⑧具有线性化处理功能、温度补偿功能、零点自动调整功能、量程自动调整功能、数字化通信功能等。
2 电流变送器
最简单的电流变送器是采用简单的电流环路进行信号传递的。在环路中，传感器的输出电压首先按比例转换成电流，远端接收器将4～20 mA的电流又转换为电压，利用计算机或显示模块做进一步处理。典型的4～20 mA电流环电路包括4个部分：传感器／变送器、电压—电流转换器、环路电源和接收器／监视器。为适应工业需求，出现了称作“智能型变送器”的第2代4～20 mA变送器，这种变送器采用微控制器(μC)和数据转换器调理远端信号。智能型变送器可以对增益和失调进行校准，通过将传感器模拟信号数字化(如电阻式温度检测器Rtd和热电偶)实现线性化处理，用驻留在μC内部的数学算法处理信号，再将数字信号转换回模拟信号，结果以标准电流的形式沿环路传输。最新的第3代4～20 mA变送器被认为是“增强型智能”变送器。它们增加了与4～20 mA信号共享双绞线的数字通信功能。所提供的通信通道在传输传感器数据的同时，还可传输控制和诊断信号。设计的增强型智能变送器的基本结构如图1所示，主要由模数转换器ADC、数模转换器DAC、MAXQ2000微控制器、电压调节器、信号调理、HART调制解调器、I／O通道、双绞传输线组成。

智能型变送器所使用的通信标准是HART协议，HART协议采用美国电话通信系统bell202频移键控(FSK)标准。如图2所示，在4～20 mA的模拟信号上叠加0.5 mA的正弦波数字信号，其数字信号1和0分别由1 200 Hz和2 200 Hz频率表示。这些频率的正弦波叠加在传感器的直流模拟信号上，同时提供模拟和数字通信。因为FSK信号的平均值始终为零，所以数字通信信号不会影响4～20 mA的模拟信号。数字状态每秒钟可以转换2～3次，而不会妨碍模拟信号。允许的最小环路阻抗为23 Ω。

在该智能电流变送器中，μC必须具备3种特定性能：
①串行接口，连接用于数据采集的ADC和用于设置环路电流的DAC。

②因为预算电流为4 mA，所以要求低功耗。
③乘法-累加单元(MAC)，既完成输入信号的数字滤波，在HART协议中又同时进行编码和解码。
μC选用MAXQ2000。低功耗的MAXQ2000是Maxim／Dallas公司的新产品，是一种高性能、16位的RISC器件。
3 HART调制解调器的实现
3.1 HART调制解调器的基本组成
以MAXQ2000微处理器为核心的增强型智能4～20mA变送器的HART调制解调器如图3所示。在MAXQ2000中，实现软件滤波和频率编码／解码等功能；低功耗的MAX1407实现A／D转换，低功耗的MAX1102实现D／A转换。

如果系统包含1 200 Hz和2 200 Hz(分别代表1和0)频率编码器，同时要对这些频率进行检测，可以采用MAXQμC内部的MAC实现HART调制解调器要求的这些功能。
3.2 频率编码器的实现
要产生所需的正弦波形，可以利用下述差分方程描述的两极点滤波器形式实现递归数字式谐振器：

式中，常数k等于2 cos(2π×频率／采样率)。可以预先计算k的两个值，并存在ROM中。例如，要用8 kHz采样率产生1 200 Hz频率，该值k=2 cos(2π×1 200／8 000)。必须计算能使振荡器开始振荡的初始激励。如果Xn-1和Xn-2都为0，接下来的每个Xn也都将为0。要启动振荡器，将Xn-1设为0，Xn-2设置为：

为进一步简化编码，首先，初始化两个中间变量(X1，X2)。X1初始化为0，X2为初始激励值(上面的计算结果)，以启动振荡器。这样，要产生一个正弦波的采样，可进行下列运算：

每个新的正弦值都需要一次乘法运算和一次减法运算。利用MAXQμC的单周期硬件MAC，可以采用如下操作产生正弦波：

因为只需要检测两种频率，所以采用改进的Goertzel算法。这种算法可以用简单的二阶滤波器实现，如图4所示。

要使用Goertzel算法检测特定频率，编译时要首先使用下式计算出常数：

随后，将中间变量D0、D1和D2初始化为0，并对每个收到的采样X进行下列计算：

得到足够多的采样值以后(采用8 kHz的采样频率时，通常为205个采样值)，用最新计算出的D1和D2值进行下列计算：

这时，P包含了输入信号中测试频率的平方。要对两种频率解码，用两个滤波器处理每个采样。每个滤波器都有自己的k值和自己的一组中间变量，每个变量都是16位长，所以，整个算法需要48字节的中间存储器空间。
3.3 HART中断程序
HART通信程序是HART协议数据链路层和应用层的软件实现。由于HART通信采取的是主从方式，而像变送器这类的现场设备都是从机，因此在初始化中和每次回答完主机命令后，都要把接收中断打开，一直等候主机命令。HART通信采用水平和垂直校验的方法，当检测到接收数据有差错时，要等到主设备命令帧发完后，通知主设备数据接收有误，主设备则重新发命令帧，从而保证通信的准确可靠。HART中断子程序流程如图5所示。由于HART通信为主从方式，HART帧中每个字节在物理层传输需要9 ms左右，为了保证通信的实时性，通信程序采用串行口终端接收／发送。该中断所要完成的通信中的主要任务是，接收和发送帧、帧的拆分和打包。

结 语
HART协议作为一个开放性的协议，现已成为智能仪表事实上的标准，其特点是在现有的模拟信号传输上实现数字信号通信；嵌入式系统技术是目前电子产品设计领域最为热门的技术之一。本文介绍了以MAXQ2000嵌入式处理器为核心的HART智能电流变送器，对HART协议的实现进行了较详细的叙述。采用嵌入式技术的HART智能变送器，不仅能解决现场总线兼容原有的DCS(Distribute Control System)问题，而且使系统整体的实时性、稳定性、抗干扰性及低功耗等性能有了极大的提高。