用于4~20mA电流环路的低成本HART发送器的设计
HART转3路4-20mA说明书
HART转4-20mA多变量输出转换器SM100-T-B使用说明书嘉兴市松茂电子有限公司目录1、SM100-T-B多变量输出转换器介绍 (1)1.1产品简介 (1)1.2产品性能 (1)1.3主要参数 (1)2、SM100-T-B多变量输出转换器实物图及指示灯功能 (2)2.1实物图 (2)2.2接线图 (2)2.2.1二线制仪表接线图 (2)2.2.2四线制仪表接线图 (3)2.3端口介绍 (3)3、配置软件功能介绍及操作步骤 (4)3.1通讯连接 (4)3.2系统参数 (4)3.3透明工作方式 (5)3.4MODBUS参数配置 (6)4数据寄存器地址 (7)5用ModScan32测试软件读取数据 (7)6、服务与保修 (8)1、SM100-T-B多变量输出转换器介绍1.1产品简介SM100-T-B多变量输出转换器专用于罗斯蒙特3051S多变量HART变送器，是集成HART协议与RS485通讯、多路变量电流输出于一体的高科技产品。
它以高档ARM单片机为核心，由接口芯片、硬件看门狗电路等组成，并且嵌入通信模块及HART调制解调芯片，具有性能稳定、性价比高等特点。
SM100-T-B多变量输出转换器结构设计完全符合工业标准，在温度范围、震动、电磁兼容性和接口多样性等方面均采用特殊设计，保证了恶劣环境下的稳定工作，为您的设备提供了高质量保证。
1.2产品性能●配有RS485通讯接口，可以对参数进行配置。
●采用工业通用外壳，可直接安装在仪表上。
●具有专用的配置软件，可以与HART协议智能仪表进行数据通讯。
●可以对HART变量进行电流变送输出。
●支持标准的MODBUS协议。
●支持单台HART协议智能仪表。
●支持多种特殊HART协议智能仪表。
1.3主要参数●安装尺寸：长82mm×宽69mm×高113mm。
●工作环境温度：-20℃～+80℃。
●储存温度：-25℃～+80℃。
●电源输入电压：DC12～24V。
“4-20mA”与“HART”
“4-20mA”与“HART”----Edward Lin 广州虹科4-20mA工业上普遍需要测量各类非电物理量，例如温度、压力、速度、角度等，这些都需要转换成模拟量电信号才能传输到几百米外的控制室或显示设备上。
工业上最广泛采用的是用4~20mA电流来传输模拟量。
采用电流信号的原因是不容易受干扰，因为工业现场的噪声电压的幅度可能达到数V，但是噪声的功率很弱，所以噪声电流通常小于nA级别，因此给4－20mA传输带来的误差非常小；电流源内阻趋于无穷大，导线电阻串联在回路中不影响精度，因此在普通双绞线上可以传输数百米；由于电流源的大内阻和恒流输出，在接收端我们只需放置一个250欧姆到地的电阻就可以获得0－5V的电压，低输入阻抗的接收器的好处是nA级的输入电流噪声只产生非常微弱的电压噪声。
上限取20mA是因为防爆的要求：20mA的电流通断引起的火花能量不足以引燃瓦斯。
下限没有取0mA的原因是为了能检测断线：正常工作时不会低于4mA，当传输线因故障断路，环路电流降为0。
常取2mA作为断线报警值。
最典型的是变送器需要两根电源线，加上两根电流输出线，总共要接4根线，称之为四线制变送器。
当然，电流输出可以与电源公用一根线（公用VCC或者GND），可节省一根线，所以现在基本上将四线制变送器称之为三线制变送器。
其实大家可能注意到，4-20mA电流本身就可以为变送器供电，变送器在电路中相当于一个特殊的负载，这种变送器只需外接2根线，因而被称为两线制变送器。
工业电流环标准下限为4mA，因此在量程范围内，变送器通常只有24V，4mA供电（因此，在轻负载条件下高效率的DC/DC电源（TPS54331,TPS54160），低功耗的传感器和信号链产品、以及低功耗的处理器（如MSP430）对于两线制的4-20mA收发非常重要）。
这使得两线制传感器的设计成为可能而又富有挑战。
那么为什么选择4-20mA而不是0-20mA呢？为了减少接线的复杂性，传感器选择2线要比多线简单的多，2线既要传输信号，又要给传感器供电，所以设计者从中盗窃4mA电流给传感器放大电路供电，这样4-20mA的标准就确定了。
完整的4mA至20mAHART电路图
完整的4mA至20mA HART电路图电路功能与优势图1所示的电路使用AD5700——业界功耗最低、尺寸最小的HART1兼容型IC调制解调器，以及AD542016位电流输出DAC，形成完整的HART兼容型4mA至20mA解决方案。
为了进一步节省空间，AD5700-1提供了精度为0.5%的内部振荡器。
图1.AD5420HART使能电路简化原理图该电路符合由HART通信基金会定义的HART物理层规范，例如模拟变化率和静默期间噪声规格。
多年来，过程控制仪器仪表中一直使用4mA至20mA通信。
此通信方式稳定可靠，对长距离通信中的环境干扰具有高抗扰度。
不过，其限制是每次只能进行一个过程变量的单向通信。
可寻址远程传感器高速通道(HART)标准的开发实现了高性能的双向数字通信，同时支持传统仪器仪表设备所使用的4mA至20mA模拟信号。
它衍生出各种特性，例如远程校准、故障查询和额外过程变量的传输。
简言之，HART是一种数字双向通信系统，其在4 mA至20mA模拟电流信号之上调制一个1mA p-p频移键控(FSK)信号。
电路描述图1显示AD5420如何与AD5700HART调制解调器和UART接口配合使用，以使PLC 和DCS系统常用的4mA至20mA电流输出支持HART。
从AD5700输出的HART_OUT 信号经过衰减后，交流耦合至AD5420的RSET引脚。
如果未使用外部RSET电阻，连接AD5420和AD5700的替代方法请参见应用笔记AN-1065，其中AD5700HART调制解调器输出通过CAP2引脚耦合到AD5420。
本电路笔记中所述的方法是需要使用外部RSET 电阻，其电源抑制性能要高于应用笔记的替代方法。
无论使用哪一种解决方案，AD5700 HART调制解调器输出均可在不影响电流直流电平的前提下调制4mA至20mA模拟电流（如图2所示）。
二极管保护电路(D1D4)将在瞬变电压保护部分详细论述。
图2.AD5700/AD5700-1样片调制器波形确定外部元件值C1和C2可配合器件的数字压摆率控制功能使用，以控制AD5420对应的IOUT信号的压摆率。
hart手操器设计原理
hart手操器设计原理HART(Highway Addressable Remote Transducer)是一种传输协议，用于在工业自动化系统中集成仪器仪表和控制设备。
它是一种混合模拟和数字通信技术，可以通过4-20mA模拟信号线传输数字信息。
HART协议是由Rosemount(现为艾默生)公司于1986年开发的，目前已成为全球工业自动化领域中最流行的通信标准之一HART手操器是一种用于配置、校准和诊断HART协议设备的便携式设备。
它可以通过物理连接或无线通信与仪器仪表连接，从而进行参数设置和监测设备状态。
HART手操器设计原理可以总结为以下几个方面：1.物理接口设计：HART手操器要能够与各种不同类型的HART设备进行通信，因此需要具备多种物理接口。
常见的物理接口包括RS232串口、USB接口和蓝牙通信等。
物理接口的选择取决于设备的特性和用户需求。
2.协议解析：HART手操器需要具备解析和处理HART协议的能力。
它可以解析从HART设备发送的数字信息，并将其转换为可读的数据。
HART 协议使用了频移键控调制技术，允许数字信息在模拟信号线上进行传输。
因此，手操器需要能够解调数字信号，并进行相应的处理。
3.参数配置和校准：HART手操器允许用户对HART设备进行参数配置和校准。
通过与设备进行通信，手操器可以读取和修改设备的各种参数，如测量范围、报警设置等。
校准功能可以根据已知标准进行调整，以确保设备的准确性和可靠性。
4.用户界面设计：HART手操器通常具备显示屏和按键，用于用户与设备进行交互。
显示屏可以显示设备的参数、状态和测量结果等信息，用户可以通过按键进行参数设置和操作选择。
用户界面设计需要简单直观，方便用户使用和操作。
5.电源管理：HART手操器需要提供适当的电源管理功能。
由于手操器通常为便携式设备，电池寿命是一个重要的考虑因素。
手操器应具备低功耗设计，以延长电池使用时间，并提供低电量警报功能，避免在操作过程中电池耗尽。
AD421中文资料
这款DAC采用Σ-Δ架构，可保证16位单调性，且积分非线 性为±0.01%。该器件提供4 mA零电平输出电流(失调误差 为±0.1%)，以及20 mA满量程输出电流(增益误差为±0.2%)。
单位
条件/注释
精度 分辨率 单调性 积分非线性 失调(4 mA)(+25°C时)4 失调漂移 典型输出误差(20 mA) (+25°C时)4 总输出漂移 VCC电源灵敏度
16 16 ± 0.01 ± 0.1 ± 25 ± 0.2 ± 50 50
位 位(最小值) % FS(最大值) % FS(最大值) ppm FS/°C(最大值) % FS(最大值) ppm FS/°C(最大值) nA/mV(最大值)
FS = 满量程输出电流 VCC = 5 V 包括片内基准电压漂移 VCC = 5 V 包括片内基准电压漂移 25 nA/mV(典型值)
基准电压源 REF OUT2 输出电压 温漂
外部电流 VCC电源灵敏度 输出阻抗 噪声(0.1 Hz–10 Hz) REF OUT1
输出电压 温漂
外部电流 VCC电源灵敏度 输出阻抗 噪声(0.1 Hz–10 Hz) REF IN 输入电阻
7. AD421具有可编程报警电流功能，允许发射器通过发 送超量程电流来指示传感器故障。
HART是HART通信基金会的注册商标。
Rev. C
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4-20ma电流信号发生器
二线制交流电流变送器的设计步骤作者信继华前言根据广大网友的要求，特别是刚走出学校门的大学生们，在进行电路设计时，面对新的项目，无法下手，不知道具体的设计思路从何处怎样开展，到处求人提供资料，而大部分都不能实用。
本人经常收到网友的求助，要求提供设计思路。
但本人的答复仅对某个项目提出一点建议，而针对广大网友来讲，起不到启发作用！原因是，很多网友不希望本人公开答复，一是担心提出的问题太低级，招来某些“闲人”的热潮冷讽。
二是存在人们固有的保守思想的影响，不想让别人知道他的“秘密项目”。
用现在比较时髦的话来讲，称“保护知识产权”。
知识产权是有时效性的！过分强调保护知识产权，对于整个社会的发展是有害而无益的！比如本人在网上转载多年前公开发行的专业书籍，就引来不少非议。
而提出非议的并不是作者本人！我想，作者写书的目的并非纯粹为了经济利益吧？在这里提醒大家一下，任何项目，从设计到实施完成，都是一个系统工程，并非是某一个专业能够独立完成的。
它需要不同专业的密切配合，齐心协力，共同攻关，最终的成功必定是一个集体智慧的结晶！为了向大家提供一个具体的设计思路，这里将本人十年前设计的一个小项目的具体步骤公开出来，希望能够给大家今后进行设计项目时起到一点引导作用。
同时也希望专家学者给本人提出批评指导意见。
二线制交流电流变送器的设计步骤已知大电流电流互感器均将不同的电流转换成0~5A 的交流电流进行现场显示。
而进行远距离传送时，必须将该电流转换成标准直流电流信号4~20mA，才能进行传送。
市场上此类交流电流变送器大都采用“四线制”的方法：即交流电源线二根，直流电流信号线二根。
而我们设计的是“二线制交流电流变送器”则只采用二根电线：即在给变送器内的电路提供直流电源的同时，将根据0~5A 交流电流变化的变送输出标准直流电流信号4~20mA远传至控制室显示或进入计算机内处理后在显示器画面上显示。
设计思路1，选择低功耗元器件，在满足功能要求的前提下，尽量简化电路，满足二线制仪表的要求。
两线制4-20mA变送器的电路设计
两线制4/20mA变送器的电路设计工业上普遍需要测量各类非电物理量，例如温度、压力、速度、角度等，都需要转换成模拟量电信号才能传输到几百米外的控制室或显示设备上。
这种将物理量转换成电信号的设备称为变送器。
工业上最广泛采用的是用4~20mA电流来传输模拟量。
采用电流信号的原因是不容易受干扰。
并且电流源内阻无穷大，导线电阻串联在回路中不影响精度，在普通双绞线上可以传输数百米。
上限取20mA是因为防爆的要求：20mA的电流通断引起的火花能量不足以引燃瓦斯。
下限没有取0mA的原因是为了能检测断线：正常工作时不会低于4mA，当传输线因故障断路，环路电流降为0。
常取2mA作为断线报警值。
电流型变送器将物理量转换成4~20mA电流输出，必然要有外电源为其供电。
最典型的是变送器需要两根电源线，加上两根电流输出线，总共要接4根线，称之为四线制变送器。
当然，电流输出可以与电源公用一根线（公用VCC或者GND），可节省一根线，称之为三线制变送器。
其实大家可能注意到， 4-20mA电流本身就可以为变送器供电，如图1C所示。
变送器在电路中相当于一个特殊的负载，特殊之处在于变送器的耗电电流在4~20mA之间根据传感器输出而变化。
显示仪表只需要串在电路中即可。
这种变送器只需外接2根线，因而被称为两线制变送器。
工业电流环标准下限为4mA，因此只要在量程范围内，变送器至少有4mA供电。
这使得两线制传感器的设计成为可能。
在工业应用中，测量点一般在现场，而显示设备或者控制设备一般都在控制室或控制柜上。
两者之间距离可能数十至数百米。
按一百米距离计算，省去2根导线意味着成本降低近百元！因此在应用中两线制传感器必然是首选。
2.两线制变送器的结构与原理两线制变送器的原理是利用了4~20mA信号为自身提供电能。
如果变送器自身耗电大于4mA，那么将不可能输出下限4mA值。
因此一般要求两线制变送器自身耗电（包括传感器在内的全部电路）不大于3.5mA。
4-20mA变送器的电路设计
4-20mA变送器的电路设计工业上普遍需要测量各类非电物理量，例如温度、压力、速度、角度等，都需要转换成模拟量电信号才能传输到几百米外的控制室或显示设备上。
这种将物理量转换成电信号的设备称为变送器。
工业上最广泛采用的是用4~20mA电流来传输模拟量。
采用电流信号的原因是不容易受干扰。
并且电流源内阻无穷大，导线电阻串联在回路中不影响精度，在普通双绞线上可以传输数百米。
上限取20mA是因为防爆的要求：20mA的电流通断引起的火花能量不足以引燃瓦斯。
下限没有取0mA的原因是为了能检测断线：正常工作时不会低于4mA，当传输线因故障断路，环路电流降为0。
常取2mA作为断线报警值。
电流型变送器将物理量转换成4~20mA电流输出，必然要有外电源为其供电。
最典型的是变送器需要两根电源线，加上两根电流输出线，总共要接4根线，称之为四线制变送器。
当然，电流输出可以与电源公用一根线（公用VCC或者GND），可节省一根线，称之为三线制变送器。
其实大家可能注意到， 4-20mA电流本身就可以为变送器供电，如图1C所示。
变送器在电路中相当于一个特殊的负载，特殊之处在于变送器的耗电电流在4~20mA之间根据传感器输出而变化。
显示仪表只需要串在电路中即可。
这种变送器只需外接2根线，因而被称为两线制变送器。
工业电流环标准下限为4mA，因此只要在量程范围内，变送器至少有4mA供电。
这使得两线制传感器的设计成为可能。
在工业应用中，测量点一般在现场，而显示设备或者控制设备一般都在控制室或控制柜上。
两者之间距离可能数十至数百米。
按一百米距离计算，省去2根导线意味着成本降低近百元！因此在应用中两线制传感器必然是首选。
1.两线制变送器的结构与原理两线制变送器的原理是利用了4~20mA信号为自身提供电能。
如果变送器自身耗电大于4mA，那么将不可能输出下限4mA值。
因此一般要求两线制变送器自身耗电（包括传感器在内的全部电路）不大于3.5mA。
这是两线制变送器的设计根本原则之一。
用于4~20mA电流环路的低成本HART发送器的设计
用于4~20mA电流环路的低成本HART发送器的设计利用可寻址远程传感器数据通路(HART)协议，过程测量与控制器件可通过传统4-20mA电流环路实现通信。
这种协议使用1200 Hz和2200 Hz频率的移频键控(FSK)。
此处，一个 1200Hz周期代表一个逻辑1,而两个2200Hz周期代表逻辑0.由于FSK波形的平均值始终为0,因此模拟4-20mA信号不受影响。
理想情况下，FSK信号由叠加在DC测量信号上的两个频率正弦波组成。
但是，相连续FSK正弦波的生成是一种十分复杂的过程。
因此，为了简化HART信号波形的生成过程，HART规范的物理层对参数极限值进行了定义，标准化波形的振幅、形态和转换速率均不得超出这些参数极限值。
在这种情况下，一种梯形波形非常适合于这种应用，图1显示了其各个极限值。
图1:梯形HART电流波形的最小与最大值图2所示HART发送器提供了一种简单且低成本的解决方案，其产生一个梯形HART波形，并将它叠加在一个可变DC 电平上，最终把产生的输出电压转换为电流环路。
图2:低成本HART发送器HART FSK信号(常常由本地微控制器单元[MCU]生成)，被应用于首个NAND栅极(G1)的输入端。
MCU的通用I/O端口的第二个输出，起到一个有效高态“激活”(ENABLE)信号的作用。
G1控制两个远端NAND栅极(G2和G3)，其输出通过高阻抗分压器R1和R2连接到一起。
由R4和R5组成的第二个分压器，将5V电源分为一个VREF = VCC/2的基准电压，即2.5V.只要“激活”为低电平，G2的输出便为低态，而G3输出为高态。
由于高阻抗负载，NAND输出拥有轨到轨功能;R1=R2 时，A1非反向输入VIN的输入电压也为2.5V.当“激活”为高态时，G2和G3输出相互换相，从而在VIN下形成一个小方波，其围绕VREF对称摆动。
VIN的峰值到峰值振幅为：VS为正5V电源，而R1|| R2为R1和R2的并联组合。
HART通用压力变送器的设计
HART通用压力变送器的设计摘要：本文首先阐述了目前压力变送器采用的传感器种类，并说明采用传统的信号处理电路需要不同的电路与之配合使用，造成产品种类较多，不宜量产。
然后本文详细介绍了一种崭新的设计思想，采用这种电路能支持各种压力传感器，包括陶瓷电容、陶瓷压阻、扩散硅、蓝宝石、溅射薄膜、应变片、称重传感器、3051/1151传感器、单晶硅压力、二～四线电阻等连接。
新电路可以提供软件可控的恒压、恒流输出给传感器，并可以采集两路差分或四路单端输入信号（用于传感器温度漂移补偿），主电路拥有很小尺寸32.4mm×22.6mm×5.6mm（该尺寸可以用于原模拟投入式仪表的壳体，并将在2005年底推出29.5mm×21.5mm×5.1mm姊妹产品应用于1英寸直径投入式壳体的产品）。
本文同时介绍了压力变送器采用的四级抗干扰保护措施以及他们的功用，并介绍树脂密封主电路和六面电磁屏蔽的设计方法，这些特殊设计使产品拥有了极高的可靠性和良好的抗干扰特性。
最后，本文给出了通用压力变送器的主要指标和典型应用图，并列举了其在HART数据通信方面的特点和优势（恢复出厂设置、可控传感器增益等）。
第一节需求的提出压力变送器是工业控制系统使用最多的设备之一，目前压力变送器使用的传感器种类较多，有陶瓷电容、陶瓷压阻、扩散硅、蓝宝石、溅射薄膜、应变片、称重传感器、3051/1151类金属电容式传感器、单晶硅压力（差压）传感器、霍尔传感器等。
由于这些传感器的负载阻抗、激励方式、输出信号灵敏度、补偿方式均不相同（参阅表1），所以以往的变送器均有不同的配套电路与相应的传感器配合，产品种类较多，给生产制造部门和采购部门带来很多不便，另外也使供货周期延长。
表1：部分压力传感器典型特性（各厂家实际传感器可能有较大差别）第二节新电路结构与工作原理能不能设计一种信号处理电路，配合软件控制，能满足所有的压力传感器的使用需求呢？答案是肯定的。
4-20mA二线制变送器设计-推荐下载
两线制4/20mA变送器的电路设计两线制4/20mA变送器的电路设计工业上普遍需要测量各类非电物理量，例如温度、压力、速度、角度等，都需要转换成模拟量电信号才能传输到几百米外的控制室或显示设备上。
这种将物理量转换成电信号的设备称为变送器。
工业上最广泛采用的是用4~20mA电流来传输模拟量。
采用电流信号的原因是不容易受干扰。
并且电流源内阻无穷大，导线电阻串联在回路中不影响精度，在普通双绞线上可以传输数百米。
上限取20mA是因为防爆的要求：20mA的电流通断引起的火花能量不足以引燃瓦斯。
下限没有取0mA的原因是为了能检测断线：正常工作时不会低于4mA，当传输线因故障断路，环路电流降为0。
常取2mA作为断线报警值。
电流型变送器将物理量转换成4~20mA电流输出，必然要有外电源为其供电。
最典型的是变送器需要两根电源线，加上两根电流输出线，总共要接4根线，称之为四线制变送器。
当然，电流输出可以与电源公用一根线（公用VCC或者GND），可节省一根线，称之为三线制变送器。
其实大家可能注意到，4-20mA电流本身就可以为变送器供电，如图1C所示。
变送器在电路中相当于一个特殊的负载，特殊之处在于变送器的耗电电流在4~20mA之间根据传感器输出而变化。
显示仪表只需要串在电路中即可。
这种变送器只需外接2根线，因而被称为两线制变送器。
工业电流环标准下限为4mA，因此只要在量程范围内，变送器至少有4mA供电。
这使得两线制传感器的设计成为可能。
在工业应用中，测量点一般在现场，而显示设备或者控制设备一般都在控制室或控制柜上。
两者之间距离可能数十至数百米。
按一百米距离计算，省去2根导线意味着成本降低近百元！因此在应用中两线制传感器必然是首选。
2. 两线制变送器的结构与原理两线制变送器的原理是利用了4~20mA信号为自身提供电能。
如果变送器自身耗电大于4mA，那么将不可能输出下限4mA值。
因此一般要求两线制变送器自身耗电（包括传感器在内的全部电路）不大于3.5mA。
霍尔流量计-4-20MA输出设计方案
设计方案1.单片机采用：C8051F410。
●12位AD，200KSPS，多达24路外部输入（内部选择器）。
输入范围为0-VREF。
VREF可以被配置成内部1.5V，2.2V，或外部输入。
若配置成2.2V，则分辨率为2.2/4096=0.54mV。
理论精度为1/4096=0.03%。
若采用8位则是0.4%。
●12位电流输出DA，电流最大输出范围为0-0.25/0.5/1/2mA。
（XTR115的输入电流范围0.04-0.2mA）●JTAG在片调试，速度可达50MIPS（时钟频率为50MHz时）●存储器，2304字节内部数据RAM（256+2048），32KB FLASH；可在系统编程，扇区大小为512字节。
64字节电池后备RAM（smaRTClock）●24个端口I/O；推挽或漏极开路，耐5.25 V电压。
可同时使用的硬件SMBus（I2C兼容）、SPI和UART串口，4个通用16位计数器/定时器，16位可编程计数器/定时器阵列（PCA），有6个捕捉/比较模块和WDT。
硬件实时时钟（smaRTClock），工作电压可低至1V，64字节电池后备RAM和后备稳压器●供电电压范围2.00-5.25V。
50M频率下10mA 电流，1M频率下0.3mA。
●芯片内部用于温度传感器。
●32脚LQFP2.（C8051F350=8K FLASH；768RAM；2.7-3.6V，24位△AD，8位DA，待选）3.4-20 mA电流输出采用：XTR115。
●2线制，24V供电。
●提供外部电路+5V电源，+2.5V参考电源。
●输入电流控制，输出电流=100倍输入电流。
4.温度传感器采用：TMP36（实验后决定是否使用）。
●供电电压范围2.70-5.50V。
●输出10mV/℃，测温范围-40℃-+125℃，输出电压0-1.8V。
●50uA电流5.霍尔位移传感器采用：SS495模拟霍尔位置传感器。
●体积小巧（0.16x0.118″）●低功耗—典型7mA 在5VDC，最大8.7 mA●电源沉或源线性输出●内含激光修正的薄膜电阻提供精确的灵敏●度和温暖度补偿●工作温度范围-40~+150●可反应于正的或负的磁场●方块霍尔传感元件提供稳定的输出●Rail-to-Rail性能可提供更有效的信号以达到6.FLASH存储器采用：M24C04。
具有HART接口的完整4 mA至20 mA环路供电现场仪器
Rev. A
Circuits from the Lab™ circuits from Analog Devices have been designed and built by Analog Devices engineers. Standard engineering practices have been employed in the design and construction of eachcircuit,andtheirfunctionandperformancehavebeentestedandveri edinalabenvironmentat room temperature. However, you are solely responsible for testing the circuit and determining its suitability and applicability for your use and application. Accordingly, in no event shall Analog Devices be liable for direct, indirect, special, incidental, consequential or punitive damages due to any cause whatsoever connected to the use of any Circuits from the Lab circuits. (Continued on last page)
ADuCM360可编程电流源通过AIN4引脚为RTD提供电源。 ADuCM360上的ADC1利用配置为差分输入的AIN3和AIN2 引脚，测量RTD的电压。利用精密电阻(RREF)，对流过 RTD的确切电流值进行检测，并使用ADC1的AIN7引脚测 得。ADC1使用片内带隙基准电压源。
4到20mA变送器的电路设计
基于两线制的4/20mA变送器的电路设计工业上普遍需要测量各类非电物理量，例如温度、压力、速度、角度等，都需要转换成模拟量电信号才能传输到几百米外的控制室或显示设备上。
这种将物理量转换成电信号的设备称为变送器。
工业上最广泛采用的是用4~20mA电流来传输模拟量。
采用电流信号的原因是不容易受干扰。
并且电流源内阻无穷大，导线电阻串联在回路中不影响精度，在普通双绞线上可以传输数百米。
上限取20mA是因为防爆的要求：20mA的电流通断引起的火花能量不足以引燃瓦斯。
下限没有取0mA的原因是为了能检测断线：正常工作时不会低于4mA，当传输线因故障断路，环路电流降为0。
常取2mA作为断线报警值。
电流型变送器将物理量转换成4~20mA电流输出，必然要有外电源为其供电。
最典型的是变送器需要两根电源线，加上两根电流输出线，总共要接4根线，称之为四线制变送器。
当然，电流输出可以与电源公用一根线（公用VCC或者GND），可节省一根线，称之为三线制变送器。
其实大家可能注意到，4-20mA电流本身就可以为变送器供电，如图1C所示。
变送器在电路中相当于一个特殊的负载，特殊之处在于变送器的耗电电流在4~20mA之间根据传感器输出而变化。
显示仪表只需要串在电路中即可。
这种变送器只需外接2根线，因而被称为两线制变送器。
工业电流环标准下限为4mA，因此只要在量程范围内，变送器至少有4mA供电。
这使得两线制传感器的设计成为可能。
在工业应用中，测量点一般在现场，而显示设备或者控制设备一般都在控制室或控制柜上。
两者之间距离可能数十至数百米。
按一百米距离计算，省去2根导线意味着成本降低近百元！因此在应用中两线制传感器必然是首选。
两线制变送器的结构与原理两线制变送器的原理是利用了4~20mA信号为自身提供电能。
如果变送器自身耗电大于4mA，那么将不可能输出下限4mA值。
因此一般要求两线制变送器自身耗电（包括传感器在内的全部电路）不大于3.5mA。
完整的4mA至20mA_HART解决方案
CL ↓ 无变化 ↓
RH ↓ 无变化 ↓
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调制解调器的输出是一个FSK信号，包括1200 Hz和2200 Hz 移频。这个信号需要转换为一个1 mA峰峰值电流信号。为 此，RSET引脚上的信号幅度必须衰减。这是因为AD5420有 内部电流增益配置设计。假定调制解调器的输出幅度为
低通和高通滤波器电路通过RH、CL、CH和C1的相互作用并 配合AD5420的一些内部电路来形成。在计算这些元件的值 时，低通和高通频率截止点目标分别为>10 kHz和<500 Hz。 图4显示了仿真频率响应的曲线图，表1显示了增加各元件 而剩余元件值保持恒定对频率响应的影响。
I (IOUT) /HART (V) (dB)
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CN-0270
2.7V TO 5.5V 10kΩ
10µF
10µF 12V
0.1µF
C1 0.1µF
DVCC CAP2 CAP1 AVDD
FAULT CLEAR
REFIN REFOUT
LATCH SCLK SDIN SDO
AD5420
IOUT
0.1µF
4mA TO 20mA CURRENT LOOP
DIGITAL TEST FILTER HCF_TOOL-31
OSCILLOSCOPE OR TRUE RMS METER
图6. HART规范测试电路
10564-007
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图7和图8分别显示4 mA和12 mA输出电流的示波器曲线图。 注意，滤波器的通带增益为10。通道1和通道2分别显示滤 波器的输入和输出。
电路功能与优势
AD421原理及应用
AD421 16位串行输入4～20mA电流环路输出数模转换器的原理及其应用北京航空航天大学1-12#(100083) 郭吉祥 郭荣祥四川英世模拟器件有限公司(610041) 吴星明摘 要： AD421是美国ADI公司最近推出的一种新器件，它以串行方式输入16位数字信号，经数模转换后以4～20mA电流形式输出。
它非常适用于智能变送器的设计，在主控设备与智能变送器之间可同时实现4～20mA模拟通信和在HART协议下的数字信号通信。
关键词： 4～20mA电流环路输出数模转换器 HART协议 智能变送器 Σ-ΔDAC1 概述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内部含有电压调整器可提供+5V，+3.3V或+3V输出电压，还含有+1.25V，+2.5V基准电源，均可为其自身或其它电路选用。
AD421采用Σ-ΔDAC结构，保证16位的分辩率和单调性，其积分线性误差为±0.001%，失调误差为±0.1%，增益误差为±0.2%。
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。
图1 AD421引脚图AD421采用16引脚DIP，TSSOP和SOIC三种封装形式，工作温度为-40～+85℃，其引脚排列见图1。
2 工作原理AD421主要由电压调整器、数模转换器和电流放大器组成，其功能框图如图2所示。
电压调整器由一个运放、带隙基准和外接耗尽型FET调整管构成(见图3)。
电压调整器从电流环路中获取电流，并给AD421及其它器件提供电流。
LV端连接的改变使放大器增益改变，从而改变Vcc脚的电压。
当LV接COM时，Vcc为5V；当LV接Vcc时，Vcc为3V；当LV通过0.01μF电容器接到Vcc时，Vcc 为3.3V(见图3)。
具有HART的完全隔离、单通道电压、4mA至20mA输出电路图
具有HART的完全隔离、单通道电压、4mA至20mA输出电路图电路功能与优势该电路提供一款完整的、完全隔离、模拟输出通道，适合需要标准4mA至20 mA HART?1-兼容型电流输出和单极性/双极性输出电压范围的可编程逻辑控制器（PLC）和分布式控制系统（DCS）模块。
它为通道间隔离PLC/DCS输出模块或其他所有需要完全隔离式模拟输出的工业应用提供了灵活的构建块。
电路在模拟输出端还提供了外部保护功能。
AD5422 16位数模转换器（DAC）可通过软件配置，提供全部必须的电流和电压输出。
AD5700-1是业界功耗最低、尺寸最小的 HART兼容型IC调制解调器，与AD5422配合使用，组成完整的HART兼容型4 mA至20 mA解决方案。
AD5700-1集成内部精密振荡器，可额外节省空间，尤其在通道间隔离应用中。
PLC/DCS 解决方案必须与本地系统控制器隔离，使之免受接地环路影响，同时确保不受外部事件影响。
传统解决方案利用分立IC提供电源和数字隔离。
当需要多通道隔离时，分立电源解决方案的成本和空间会变成一个大大的缺点。
基于光隔离器的解决方案通常具有合理的输出调节，但需要额外的外部元件，因而会使电路板面积增大。
电源模块常常体积庞大，而且输出调节可能不佳。
图1中的电路使用ADuM347x系列隔离器和电源调节电路，以及相应的反馈隔离。
使用外部变压器将功率传输到隔离栅的另一端。
ADuM3482为 AD5700-1提供UART信号隔离。
ADP2441，是36 V降压DC-DC稳压器，采用工业标准24 V电源，具有宽输入电压容差。
它可将电压降为5 V，为所有控制器侧电路供电。
该电路还在24 V电源端集成了标准外部保护，同时还可提供+36 V至?28 V的直流过压保护。
图1.功能框图（原理示意图：未显示所有连接和去耦）更多详情点击此链接。
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。
使用HART兼容性简化模拟电流环路设计
使用HART兼容性简化模拟电流环路设计在工厂环境中，4mA 至20mA 模拟电流环路很常见。
虽然各种应用中的基本信号调制均相同，但带宽要求却有很大的不同。
工厂控制系统可能需要几百Hz 环路带宽(来自位置和位移传感器)，而典型的过程控制系统仅需几Hz 更新速率，且一般都支持HART(可寻址远程传感器高速通道)。
HART 协议允许在传统的模拟4mA 至20mA 电流环路内实现双向1.2/2.2 kHz FSK(频移键控)调制数字通信。
设计同时满足两种情况的4mA 至20mA 输入可能会有一定难度。
图1 中的电路图是一个支持HART 的模拟输入的传统部署方法。
图1：集成无源滤波器且支持HART 的输入。
图中，R1 和RSENSE 组成一个250Ω 系统端接阻抗。
HART FSK 信号从该处到HART 调制解调器为交流耦合。
通过精密100Ω的RSENSE 电阻，将4mA 至20mA 模拟信号转换为0.4V 至2V 信号。
然后，模拟低通滤波器衰减模拟信号中的HART FSK 成分，接着将其输入ADC。
二阶低通模拟滤波器带宽为25Hz，滚降为-40dB/十倍频程。
该电路符合HART 规范，可将HART FSK 信号衰减至4mA 至20mA 满量程以下超过-60dB 电平，确保HART FSK 通信输入扰动不超过0.1%。
另一方面，该模拟低通滤波器在系统输入端的满量程跳变之后，建立至0.1%以内需大约70ms。
这种较长的建立时间和低带宽性能不适合要求高速工作且不需要HART 通信的系统。
确实可以旁路模拟滤波器，但需要额外的模拟电路，比如开关或多路复用器。
图2 显示了支持HART 的模拟输入的替代方案。
图2：支持HART 的灵活带宽输入。
与上一个电路类似，HART FSK 信号交流耦合至250Ω输入阻抗，而4mA 至20mA 信号通过100Ω的精密RSENSE 电阻转换为0.4V 至2V 信号。
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用于4~20mA电流环路的低成本HART发送器的设计
利用可寻址远程传感器数据通路（HART）协议，过程测量与控制器件可
通过传统4-20mA电流环路实现通信。
这种协议使用1200 Hz和2200 Hz频率的移频键控（FSK）。
此处，一个1200Hz周期代表一个逻辑1,而两个2200Hz 周期代表逻辑0.由于FSK波形的平均值始终为0,因此模拟4-20mA信号不受影响。
理想情况下，FSK信号由叠加在DC测量信号上的两个频率正弦波组成。
但是，相连续FSK正弦波的生成是一种十分复杂的过程。
因此，为了简化HART信号波形的生成过程，HART规范的物理层对参数极限值进行了定义，标准化波形的振幅、形态和转换速率均不得超出这些参数极限值。
在这种情况下，一种梯形波形非常适合于这种应用，HART FSK信号（常常由本地微控制器单元[MCU]生成），被应用于首个NAND栅极（G1）的输入端。
MCU的通
用I/O端口的第二个输出，起到一个有效高态激活（ENABLE）信号的作用。
G1控制两个远端NAND栅极（G2和G3），其输出通过高阻抗分压器R1和R2连接到一起。
由R4和R5组成的第二个分压器，将5V电源分为一个VREF = VCC/2的基准电压，即2.5V.只要激活为低电平，G2的输出便为低态，而G3输出为
高态。
由于高阻抗负载，NAND输出拥有轨到轨功能；R1=R2 时，A1非反向输入VIN的输入电压也为2.5V.
当激活为高态时，G2和G3输出相互换相，从而在VIN下形成一个小
方波，其围绕VREF对称摆动。
VIN的峰值到峰值振幅为：
VS为正5V电源，而R1|| R2为R1和R2的并联组合。
把其中，VSAT为A1的正或负输出饱和电压。