基于 HART 协议的压力检测通信装置设计

摘要：作为一种现代工业现场总线，HART 协议及相关设备被广泛地应用在工业过程检测系统中。该压力检测系统基于 ARM Cortex-M3 低功耗 32 位微处理器 STM32F103RBT6 为控制核心，使用应变片式压力传感器，传感器输出微小电压信号经高精度的 24 位 A/D 转换器 HX711 放大调理后进行测量。HART 协议通信部分由调制解调器 DS8500 与 AD421 电流环数模转换器构成。该系统结构简单、采用低功耗设计，可扩展性和重构性强。

关键词：HART 协议；应变片；DS8500

中图分类号：TB

文献标识码：A

文章编号：1672-3198（2015）25-0284-02

0 引言

现场总线技术是当前工业自动化和自动检测技术的设计重点，它具有开放性、兼容性和多点通信的特点。HART（Highway Addressable Remote Transducer）可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议是兼顾传统 4～20mA 模拟和数字两种通信方式的开放性网络协议，HART 协议采用 Bell202 标准的 FSK 频移键控信号，在低频的 4～20mA 模拟环路信号上叠加幅度为 0.5mA、频率为 2200Hz 和 1200Hz 的 FSK 信号进行双向数字通讯，数据传输率为 1200bps。由于 FSK 信号的在发送阶段平均值为 0，不会影响传送现有模拟信号的大小，保证了系统的兼容性，FSK 数字调制波形如图 1 所示。

图 1 FSK 数字波形图

1 系统介绍

本设计就是以 HART 协议为通信媒介，设计和探讨基于单片机和压力传感器的压力数据传送系统。系统结构由两大部分组成：主机控制电路和从机控制电路。主机端由电源电路、显示电路、按键电路、数模转换器电路、信号调制解调电路和控制器组成，从机端由压力传感器电路、信号放大调理采样电路、信号调制解调电路和控制器组成。

HART 协议参考 ISO/OSI（开放系统互连模型），采用了其中简化的三层模型结构，即物理层，数据链路层和应用层。

2 硬件电路设计

主机端主要是通过 HART 总线采样从机端的数据并进行显示，系统框图如图 2 所示。

图 2 主机功能框图

HART 模块是基于 HART 协议可以完成模拟量和数字量相融合通信的模块，数字通信与模拟信号 4～20mA 兼容，传输的信号用调制后的正弦信号叠加在 4～20mA 的模拟信号上。

2.1 控制芯片

控制芯片采用基于 ARM Cortex-M3 低功耗 32 位微处理器 STM32F103RBT6，该芯片工作于 72MHz，运行速度快且性价比高。

2.2 数模转换器

AD421 是美国 ADI 公司最近推出的一种单片高性能数模转换器（DAC）。它由电流环路供电，16 位数字信号以串行方式输入，4～20mA 电流输出，可实现低成本的远程智能工业控制。AD421 与标准 HART 电路或其它类似 FSK 协议的电路完全兼容。标准的三线串行接口可在 10Mbps 下运行，便于与通用微处理器或微控制器相连。

2.3 调制解调器

DS8500 是一款用于过程控制的 HART 调制解调器，提供连续相位的 FSK 调制和解调。这款具有丰富功能的低功耗调制解调器完全满足 HART 通信基金会设定的物理层规范。DS8500 具有诸多功能，使用户能够方便、高效地设计具备 HART 调制解调功能的过程控制系统。

2.4 按键和显示电路

显示采用 LCD1602 液晶显示器，按键采用矩阵键盘模式工作。

分机终端功能与主机在主体结构上类似，如图 3 所示。

图 3 分机功能框图

2.5 传感器采样

压力传感采用应变式传感器，数据采样基于 HX711 高精度 AD 转换芯片，该芯片集成了包括稳压电源、片内时钟振荡器等所需的外围电路，并且其内部集成低噪声可编程放大器，可编程放大增益为 64 或 128 倍。

3 软件设计

主机和分机的通信和控制程序采用 KEIL MDK-ARM 5.10 uVision5 平台进行设计，数据采集分机上电后，系统初始化要包含 HART 协议通信模块的初始化配置，如设定 MCU 内部 UART 模块的工作方式、通信波特率、校验位格式等。主机初始化包括 AD421 的 SPI 口配置程序、与从机相匹配的通信口波特率、液晶初始化等。由于 HART 总线为半双工工作模式，主机与分机间数据通信采取查询方式进行，分机接收到主机命令后，将采集的数据通过 HART 总线传送给主机。

AD421 芯片控驱动程序如下：

void AD421_FunctionCtl（unsigned int ctldata）

{

unsigned char dataloop；

AD421_CLK=0；

AD421_DATA=0；

AD421_LATCH=0；

for（dataloop =0； dataloop <16； dataloop ++）

{

if（（out_ ctldata <

{

AD421_DATA=1；

}

else

{

AD421_DATA=0；

AD421_CLK=1；

AD421_CLK=0；

}

AD421_LATCH=1；

AD421_LATCH=0；

AD421_CLK=0；

AD421_DATA=0；

}

4 注意事项

在 AD421 基本应用电路中，控制芯片和外围电路电源由电流环供电，供电电压由控制器的工作电压而定，如果 Vcc 为 3.3V，（AD421 对应 LV 管脚应经 01uF 电容接至 Vcc），否则工作电压为 5V（此时 LV 应直接接地）。

5 结束语

系统采用 Contex-M3 内核低功耗 MCU 为控制核心，再降低系统功耗的同时，提高了系统的响应速度。基于 HART 协议的数据通讯保留了传统工业仪表 4～20mA 模拟量的操作模式，同时，充分利用数字系统便于扩展和添加后续功能的特点，维护更方便、开发更简便，提高了系统的兼容性。系统在实际测量中，计量数据精度高，通信距离远，有较高的推广价值。

参考文献

[1]曹伟，顾丽.基于 HART 协议的智能型压力变送器的设计[J].中国新技术新产品，2010，（14）.

[2]宋全有.郭彬.基于 HART 协议的无杆泵数据采集仪设计[J].微计算机信息，2011，（1）.

[3]吕少中，赵国志，张丽杰.基于 AT91SAM7X256 的智能分站控制系统[J].微计算机信息，2008.

[4]汪献忠，刘巍.AIM21 在智能变送器中的应用[J].仪表技术与传感器，2006，（9）：49.

[5]孔祥伟，周杏鹏.基于 HART 协议的智能压力变送器的设计与实现[J].仪表技术与传感器，2010.

作者黎会鹏黄璞