HART 协议智能温度变送器设计

目录
总图和总程序
摘要 (I)
Abstract (II)
引言 (1)
第一章绪论 (2)
1.1智能变送器的发展 (2)
1.2现场总线技术发展趋势 (2)
1.3目的和意义 (3)
1.4本论文主要内容 (3)
第二章HART协议总体剖析 (5)
2.1HART协议概述 (5)
2.2HART通信结构模型 (6)
2.2.1 HART协议物理层 (7)
2.2.2 HART数据链路层 (8)
2.2.3 HART协议应用层 (8)
2.2.4 各层间的功能关系 (9)
2.3 HART的消息帧结构 (9)
2.4 HART的操作命令 (12)
第三章智能变送器的硬件设计 (15)
3.1 系统整体设计方案 (15)
3.2 通信模块 (15)
3.2.1 HT2012的优良特性 (16)
3.2.2 HT2012芯片的功能模块 (16)
3.2.3 HT2012在HART协议中的应用 (18)
3.2.4MSP430与HT2012接口设计 (20)
3.2.5 HT2012与外部接口 (20)
3.3 单片机接口 (22)
3.3.1 MSP430F148特性 (22)
3.3.2 MSP430与DA芯片AD421 (22)
第四章智能变送器的软件设计 (24)
4.1变送器的测控程序流程图 (24)
4.1.1用户测控程序总体流程图 (24)
4.1.2参数设置流程图 (25)
4.2HART数据采集与发送通讯流程图 (26)
4.2.1上位机数据采集一次数据的程序流程图 (26)
4.2.2变送器数据发送流程图 (27)
结论 (29)
参考文献 (30)
中文译文 (31)
外文译文 (33)
致谢 (35)
插图清单
图2-1 HART数字通讯信号加在4～20mA模拟信号上 (5)
图2-2图2-2 HART通信结构模型 (6)
图2-3图2-3 HART通信模式 (7)
图2-4 HART调制频率信号 (7)
图2-5 传输流式 (10)
图2-6 HART消息结构 (10)
图2-7短帧地址结构 (11)
图2-8长帧地址结构 (12)
图3-1智能变送器的硬件框图 (17)
图3-2HT2012功能模 (19)
图3-3晶阵模块 (19)
图3-4HT2012在HART设备中的应模 (21)
图3-5HT2012输入输出电路示意图 (22)
图3-6 MSP430与HT2012接口图 (23)
图3-7带通滤波电路图 (24)
图3-8整形电路图 (24)
图3-9HT2012的接口电路 (25)
图3-10AD421的接口电路 (26)
图3-11AD421 操作时序图图 (27)
图4-1用户测控程序的总体流程 (29)
图4-2参数设置流程 (30)
图4-3上位机数据采集一次数据的程序流程 (31)
图4-4变送器数据发送器流程图 (32)
表格清单
表2-1响应命令范围 (12)
表2-2通用命令摘要 (12)
表2-3 普通命令摘要 (13)
HART 协议智能温度变送器的设计
摘要
目前，现场总线已经成为过程控制领域的热点，代表着过程仪表发展的方向。

随着现场总线国际标准的完成，现场总线产品以其完善的功能和突出的特点必将为市场所接受，现场总线温度变送器取代传统的温度变送器已成必然。

HART协议作为模拟到现场总线的过渡协议，以其独有的特点和运用优势，在当今的现场智能仪表中占有较大的份额。

HART 协议智能温度变送器的研究开发具有现实的意义。

本文论述了将微处理技术和 HART 协议通信技术引入温度变送器中，实现温度变送器的信号补偿、自适应校正、自诊断、远程管理、远程校正、远程组态、远程维护、远程监控等功能。

HART 协议作为温度变送器实现HART 通信的重要依据，论文首先对HART协议规范作了全面的分析，介绍了 HART数据链路层、应用层和物理层具体要求。

然后从硬件和软件两个方面分析和论述了 HART 协议智能温度变送器的温度变送电路设计。

关键词：现场总线；HART协议；温度变送器；
HART协议智能温度变送器的设计
The Intelligent Diffusion Silicon Temperture Transmitter
Abstract
At present，Fieldbus has already become the hot spot in process control filed, on behalf of the necessary trend in the development of process instrument. As the International Standard of fieldbus accomplished, the fieldbus product is surely accepted by the market for its consummate function and extrusive characteristics. So it is certain that the fieldbus temperature transducer should take place of traditional temperature transducer. HART Protocol as a transient protocol imitating to field owns a big share in today’s Field smart Instrument for its special characteristics and application priority. The research and development of HART Protocol smart temperature transducer has real connotation.
This thesis discussed something about applying the technology of microprocessor and HART communications Protocol to temperature transducer, to realize temperature transducer’s signal compensating, self-calibration, self-diagnose, remote management, remote calibration, remote configuration, remote maintenance, remote control.
HART Protocol is an important reasoning of HART telecommunication realized by temperature transducer. At first, the thesis gave a comprehensive analysis of HART Protocol Standard, and introduced each request of the data-link layer, application layer and physics layer. Then it analyzed and discussed on circuit design of temperature transmittal.
Keyword：Filedbus; HART Protocol; Temperature transducer;
HART 协议智能温度变送器设计
引言
温度测量系统是对温度数据的测量显示，主要涉及到数据检测技术。

数据检测技术是信息科学的一个重要分支，它研究信息数据的采集、存贮、处理等作业。

在智能仪器、信号处理以及工业自动控制等领域，都存在着数据检测的问题。

将外部世界存在的温度、压力、流量、位移等非电信号转换为模拟量电信号，再转换为数字信号，最终收集到计算机并进一步予以处理、传输、显示这一过程，即称为数据检测，相应的系统即为数据检测系统。

数据检测系统已广泛地应用到测量、监测、控制、诊断、科学实验等各个领域中。

近二十年来，数据检测技术采用了微机等一系列的新技术，得到了飞速的发展，在形式上由原来的专用的测试仪器到现在的使用微机的虚拟仪器。

采样的分辨率从4位、8位到现在的24位分辨率，采样的速率从几KBPS到现在最高速率已达2GBPS，记录设备从原来的手记、纸带的记录或数字记录到磁带记录，到现在的硬盘记录、磁光盘记录。

所有这些都是不断的采用新技术的结果。

由于数字检测系统的应用范围越来越宽，所涉及到的测量信号和信号源的类型越来越多，对测量的要求也越来越高，使得一般的采集模板难以满足各方面的要求，即使能满足这些要求，必然体积庞大、价格高，而且在测量中只需某些功能，无须面面具到，造成不必要的浪费。

为了测量的需要，出现功能单一，形式多样的系列产品。

本设计任务是利用单片机进行温度检测，共分为三个部分，第一部分主要对设计进行规划，并把设计模块化划分；第二部分是设计的硬件设计部分，对系统的各个模块的硬件电路的设计过程进行细致化说明，并对各种参数进行理论计算；第三部分是设计的软件部分；最后小结是对于整个设计的总结和对数据检测技术发展展望。

设计在完成的过程中，由于作者水平所限，不妥之处在所难免，诚恳希望读者提出宝贵意见。

HART协议智能温度变送器的设计
第一章绪论
1.1 智能变送器的发展
变送器是工业生产过程中的重要检测设备，广泛用于工业中压力、差压、流量、液位等工艺参数的检测，是工业自动化控制的基本数据来源。

50年代工业企业开始使用气动变送器，60年代使用电I型变送器，70年代使用电II型变送器，80年代使用电III型变送器。

到目前为止，大量使用的是智能变送器。

经过这么多年的发展，变送器己达到高精度、高可靠性、小型化，并且具有完善的自诊断和通信功能。

智能变送器具有检测某种变量如压力、温度等，以及把检测结果传送出去的功能。

自1983年Honeywell推出智能仪表--Smar变送器之后，世界各厂家都相继推出各有特色的智能仪表。

如Rosemount的1151Smart, Moore产品公司的Mycro XTC, Lee Eengineering公司的Smar LD301等产品。

为解决开放性资源的共享问题，从用户到厂商都强烈要求形成统一标准，促进现场总线技术的形成, 智能仪表则为现场总线的出现和应用奠定了基础。

经过近20年的发展，智能变送器的发展更趋完善，功能增强和多样化，它们具有变送、控制、故障诊断及过程报警等功能。

随着单片机、集成电路等各项电子和通讯行业的发展，智能变送器将向着更智能化、小型化的方向发展。

1.2现场总线技术发展趋势
现场总线以一种串行的数字数据通信链路的形式，在分布于生产及过程现场的基础控制设备之间以及与控制室里较高层的自动化控制设备之间建立联系。

引入现场总线及相关技术，改变了DCS 系统的结构体系，它是全分散式的和开放式的系统。

目前，现场总线智能仪表和新型开放自动化系统，已经成为全世界范围自动化技术发展的热点。

现场总线的智能仪表与传统的模拟仪表相比，具有许多新的特点，概括起来主要为：
(1)仪表功能大为加强，实现了就地控制；
(2)实现了双向通信，提高了精度；
(3)操作更简单，使用更方便；
(4)抗干扰能力更强，使用寿命更长；
(5)布线容易，便于施工，可节约大量电缆，仪表盘和模／数转换器，从而使系统低成本化；
(6)系统自诊断功能增强，维护更加容易。

随着现场总线国际标准的完成，总线仪表已成仪表行业发展的必然趋势。

世界各国基于现场总线的智能仪表的开发速度加快，符合HART、FF 等协议的各种现场总
线智能仪表将大量推向市场，现场总线智能温度变送器等仪表已开始生产、应用，并进入国内市场，如Smar 的TT301、Rosemount 的644 等。

现场总线网络处于企业信息网络的底层,是工业数据通信与控制网络的核心，是企业实现信息化管理的基础,它与工厂控制网络和企业经营管理网络所构成的开放网络系统，是工业过程控制领域的发展方向。

1.3目的和意义
随着微处理技术的飞速发展以及现场总线技术的不断完善，现场总线产品以其完善的功能和突出的特点必将为市场所接受，现场总线温度变送器取代传统的温度变送器已成必然。

但目前占主导地位的分散型控制系统（DCS）要转化为现场总线控制系统（FCS），仪表制造商和用户均需要一个过渡期。

HART 协议作为过渡协议，具有极强的市场竞争能力和生命力。

因为对制造商来说，根据HART 协议的要求，对现有的模拟现场仪表进行智能化改造，在技术上是可行的，在经济上是节省开发投入的，在商品化所需时间上是较短的。

对于用户来说，采用此类产品及改造的控制系统，技术上易于掌握，经济上有利于充分利用已有装备潜在价值。

此外，FF 协议产品的全面运用，也尚需时日。

首先开发采用HART协议的智能温度变送器，推动国产HART 智能温度变送器尽快投放市场，并为开发采用FF 协议的智能温度变送器及现场总线控制系统提供实践经验和赢得时间。

HART 协议智能温度变送器的研制成功必将取得极好的社会效益和经济效益。

现场总线国际标准刚刚完成，现场总线智能温度变送器的开发成功将为我们在技术上赶上发达国家技术水平提供可能，也能为我们在WTO 框架下，产品竞争能力的提高提供有效的手段。

同时也能为我国自动化领域提供最新的高技术产品，满足我国对现场总线产品的需求。

稳定性：传感器的输入输出的单值函数最好不碎时间和温度而变化，受外界其他因素的干扰影响应很小，重复性要好。

灵敏性即要求被测变量较小的变化就可使传感器获得较大的输出信号。

1.4 本论文主要内容
课题的主要任务是将微处理技术和HART 协议通信技术引入温度变送器中，实现高精度、多功能的可编程两线制HART 协议智能温度变送器。

利用微处理器强大的功能实现温度变送器的线性补偿、自适应校正、自诊断、通信等智能化功能；运用HART 协议通信技术，实现对温度变送器的远程管理、远程校正、远程维护、远程监控、远程调试。

从而使它运行更可靠，使用更灵活，维护更方便。

采用通信数字信号、4~20mA 模拟信号、电源同线传送而互不干扰，使安装、布线更为方便节约。

其中要解决的主要问题有：核心芯片的选取，整个系统方案的确定，各个模块之间的连接，对系统进行可行性分析，如电源供电模块、功耗等问题的解决。

论文整体上分为
HART协议智能温度变送器的设计
四章，具体如下：
第一章绪论，综述了智能型变送器、现场总线技术的形成和发展，还有他们各自的特点。

第二章详细介绍了HART通信协议及其应用，它的体系结构以及物理层、数据链路层、应用层的技术规范和各个层所完成的功能。

第三章论述了温湿度变送器的硬件原理。

第四章涉及到软件设计的思路及设计。

最后是我对整个设计的体会和总结。

第二章HART协议总体剖析
2.1 HART协议概述
HART协议，即Highway Addressable Remote Transducer Protocol，可寻址远程传感器高速公路的简称，其定义一句话概括是在4～20mA的模拟信号上叠加FSK 数字信号，可以传输模拟和数字两种信号。

对于日益增加的智能化现场仪表的模拟-数字混合式通信来说，HART协议己经成为事实上的工业标准。

HART通信不需要增加布线，可以通过现存的连线进行。

由于允许模拟信号和数字信号的并存，所以当在数字通信上花费时间而增加测量延迟的时候，HART通信可以用模拟信号来实现控制。

在纯数字通信的情况下，HART协议允许采用多点模式，即将多个现场仪表连接到一对导线上，通过智能仪表分别读取各个变送器的数据。

很多年以来，传统4～20mA信号一直成为现场仪表信号传输的标准，在自动化设备之间信息通信受到了极大的限制，仅能得到与过程变量成正比的电流信号。

而HART 是将1200波特率的频移键控FSK信号加载在4～20mA的模拟信号上以进行通信，它的均值为0，并且这个FSK信号对模拟信号毫无影响，如图2.1所示。

在纯数字通信中，HART最多可以允许加载15个现场设。

HART协议为了在信号衰减的情况下继续通信而对接收器和发送器的灵敏性做了特别的规定，这样也减少了干扰和码间串扰的可能性。

图2-1HART数字通讯信号加在4～20mA模拟信号上
HART协议的显著特性之一就是它可以同时进行模拟和数字两种通讯。

许多年以来，设备使用的现场通讯标准是4～20mA模拟电流信号。

在大多数应用中，它们用4～20mA之间的值成比例的来表示参数。

而HART协议不仅传输过程参量，还利用模拟信号上叠加的数字信号来传输控制信息。

这样，HART协议就可以支持大多数智能设备和大量存在的模拟设备。

从图2-1中我们可以看到，HART协议使用Be11202频移键控标准，在4～20mA基础上叠加低电平的数字信号。

数字FSK信号相位连续，这样就不会影响4～20mA的模拟信号。

也就是说，数字FSK信号的平均值为0。

图中的逻辑“1”由1200 Hz频率代表，逻辑“0”由2200 Hz代表，信息传输速率是1200波特率。

HART协议智能温度变送器的设计
HART属于模拟系统向数字系统转变过程中的过渡性产品，因而，在当前的过渡时期具有较强的市场竞争能力，得到了较快的发展。

HART协议提供相对较低的带宽和中等响应时间的通信，其典型应用包括远程过程变量查询、参数设定和对话。

为满足工业过程对HART协议的日益需求，在1993年成立HART通讯基金会，它是一个独立的、非盈利机构。

主要职责是制定、维护及升级HART协议的标准，登记注册会员、提供对应用HART技术在全球范围内的技术支持和培训。

作为一个开放性协议，HART 已成为智能仪表事实上的现场总线工业标准，并得到了广泛的应用。

目前，世界上己有100多家公司采纳了这一协议，其中有许多著名的公司，如Rosement, Foxboro, Smar, ABB, Moore, Honeywell等等，共生产了近600种HART协议设备，几乎覆盖了所有种类的过程测量仪表和执行设备。

HART协议的优良特性表现在以下两个方面：
(1)先进的通信协议
随着工业现场总线的出现，各种支持现场总线的传输协议广泛的被用到工业生产的各个方面，HART协议是智能过程设备中采用的一种先进的通信技术，兼容模拟与数字信号的传输，现在，越来越多的智能设备的通信都采用HART协议。

(2)适用于当今的独特的通信方式
HART协议是一种过渡时期的协议，这个过渡时期是指由模拟向数字通信的转变时期，过去存在的大量的现存的模拟传输线路和设备不可能立即取消，而大量的数字化的仪器仪表又不断出现。

HART协议为今天还大量存在的传统的模拟设备对今后数字设备的兼容性提出了独特的通信方案，这种方案确保了现存的基于模拟的电缆设备和电流控制策略还可以很好的应用于将来的数字设备。

HART协议之所以适用于当今，是因为它在进行双向数字通信的同时传输4～20mA 的模拟信号，数字通信提供了现场智能设备的需要，而4～20mA的模拟信号又支持着传统的仪器设备。

HART协议独特的通信方式是基于对4～20mA模拟信号的充分考虑，向过程测量和控制设备提供了两种数字通信方式。

它的应用包括远距离过程变量查询、过程数据的循环接入、参数设置和诊断。

2.2 HART通信结构模型
HART 通信结构模型是以国际标准化组织的开放性互连模型为参照，分为三层，即对应于OSI的应用层、数据链路层和物理层（见图2-2）。

图2-2 HART 通信结构模型
HART 协议规定了对等实体之间的通信规则，并通过上下层间的接口服务，实现HART 通信模式，以这样的模式，可在主设备与现场设备之间建立通信连接。

如图2-3所示。

下面就对各层分别作叙述：
2.2.1 HART 协议物理层
物理层规定了信号的传输方法、信号电平、设备阻抗和传输介质。

HART 信号传
输是基于Bell 202通信标准，采用FSK 方法，数字信号的传送波特率设定为1200bps ，数字信号的“0”和“1”分别用2200Hz 和1200Hz 的正弦波表示，这些频率的正弦波叠加在模拟信号上一起传送。

如图2.4。

由于正弦信号的平均值为0，对模拟信号不会产生任何影响。

通常采用双绞同轴电缆作为传输介质，单台距离可达3000m ，而多台互连最大传输距离可达15OOm 。

+0.5mA
-0.5mA 1200Hz "1"
2200Hz "0"1200Hz "1"1200Hz "1"
BELL202标准是电话线上进行数字通信的标准，这样似乎就可以利用电话线来发送数字信号，HART 信号的调制解调也就可以采用一些满足BELL202标准集成电路芯片来实现。

此时似乎让我们对HART 调制解调部分的设计变为不必要。

其实，HART 和BELL202对阻抗和信号水平的规定都是不同的。

对HART 信号的调制解调要使用专门的调制解调器芯片来满足其低功耗的需要。

HART 协议规定主机(单主机控制系统或手操机通讯系统)传输的是电压信号，而
图2-3 HART 通信模式
图2-4 HART 调制频率信号
HART协议智能温度变送器的设计
副设备传输的是电流信号。

通常的二线传输的是用于控制环路的电流，通过一些控制系统来抽样，进行模拟数字信号的转化，这个转化要求不能影响现存的HART信号。

经过环路负载电阻，电流信号转化为相应的电压信号，于是所有设备使用的就是感应电压接收电路，这一点对于后面接口电路的设计很重要。

主机传输信号的峰-峰值:最低为400mV，最高为600mV；副机传输信号的峰-峰值:最低为0.8mA，最高为1.2mA；加载到230Ω的电阻上转化成的电压信号的最低值为184mV，加载到1100Ω的电阻上转化成的电压信号的最低值为1320mV；正确接收时的接受器的灵敏度(限定了信号由于线缆和其他部分影响产生的衰减)为120mV～2.OV，接收限(规定的是外部信号干扰和其他非HART信号穿越HART信号的连接线路带来的信号下降)有80mV。

从控制系统到阀门处的输出电路传输的信号水平相同，与前面不同的是副设备传输的也是电压信号，这样场设备的阻抗就形成了环路负载电阻。

2.2.2 HART数据链路层
在HART的数据链路层中规定了HART帧的格式，实现建立、维护、终结链路通讯功能，HART协议根据冗余检错码信息，采用自动重复请求发送机制(ARQ)，消除由于线路噪音或其它干扰引起的数据通讯出错，实现通讯数据无差错传送。

数据链路层协议规范的目的是建立一种与现场仪表等从设备间的可靠的双向数字通信通道。

数据链路层中的数据结构长度不固定，最长25个字节，寻址范围0～15，当地址为0时，则处于4～20mA的DC与数字通信兼容状态;当地址为1～15时，则处于全数字通信状态，通信模式为“主/从式”或“广播式”。

HART协议把所有的设备分为3类:从设备、突发设备和主设备。

从设备是最普遍与最基本的设备类型，它接收和提供带有测量值或其他数据的数字信号，现场智能仪表一般为从设备。

突发模式设备在固定的时间间隔发出带有测量值或其它数据的数字信号响应，而不包含被特别请求的数据，该设备通常是作为一个独立广播的设备。

主设备负责初始化、控制和终止与从设备或突发设备的交互。

主设备又分为第一主设备和第二主设备，第一主设备通常是指控制系统，第二级主设备指HART设备的手持器。

HART协议还可以在一根双绞线上以全数字的方式通信。

一个链路上可支持15个短地址从设备，若使用长地址，设备数可不受限制，它只取决于所要求的通信链路上的查询速率。

2.2.3 HART协议应用层
HART协议的应用层以命令的格式提供编程接口，所有的读写操作都是以命令的形式完成。

另外，链路管理等协议本身一些功能也由命令来实现。

HART协议的每个命令由命令号完全标识。

在通信时，一条命令按命令格式组装成一个完整的HART协议帧，然后一次发送出去。

数据链路层规定了HART帧的格式，但是数据链路层并不解释HART帧中的数据段的含义，这个工作由HART协议的应用层
来完成。

应用层规定了HART 消息包中的3类命令，第一类是通用命令，适用于遵守HART 协议的所有产品，为符合HART 协议的设备提供功能描述；第二类是普通命令，适用于遵守HART 协议的大部分产品，当设备独具有某些功能时，该命令用于对这些功能的描述；第三类是特殊命令，适用于遵守HART 协议的特殊产品，提供一些特殊的功能描述命令。

HART 协议是一个开放的协议，对于厂家生产的具有特殊功能的产品，HART 还提供了设备描述语言DDL(Device Description Language)以确保互操作性。

2.2.4 各层间的功能关系
物理层的基本任务是为数据传输提供合格的物理信号波形，且直接与传输介质连
接。

物理层作为电气接口，一方面接受来自数据链路层的信息，把它转换为物理信号，并传送到现场总线的传输媒体上，起到发送驱动器的作用:另一方面把来自总线传输媒体的物理信号转换为信息送往数据链路层，起到接收器的作用，当它收到来自数据链路层的数据信息时，需按照HART 协议规范对数据帧加上前导码与定界符等，并对其实行数据编码，再经过发送驱动器，把所产生的物理信号传送到总线的传输媒体上。

另一方面，它又从总线上接收来自其他设备的物理信号，对其去除前导码、定界符，并进行解码，把数据信息送往数据链路层。

而数据链路层规定了物理层和应用层之间的接口，该层还控制对传输介质的访问，决定是否可以访问、何时访问。

2.3 HART 的消息帧结构
Hart 帧以8位为一字节进行编码，对每一字节加上起始位，奇/偶校验位及1位
停止位共11位传送，保证了对每个字节进行数据传输同步。

从图2-5中我们可以看出一个比特序列的完整的特性，图中最先发送的是DO 。

图2-5是8位数据加奇偶效验位的格式。

进一步深入
HART ，涉及到HART 消息包
的结构。

每消息包括它的源和目的地址以确保消息传送到正确的位置，还有校验位用于确保数据的正确、完备和通讯状态的正常。

消息中的数据位可有可无，另外还有一些特殊的命令消息。

一般的消息帧结构可以用图2-6表示。

起始
位 8位数据
D0最先传送
奇偶校验位 停止位 图2-5 传输流格式。