基于HART協(xié)議的壓力檢測(cè)通信裝置設(shè)計(jì)

黎會(huì)鵬 黃璞

摘 要：作為一種現(xiàn)代工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線，HART協(xié)議及相關(guān)設(shè)備被廣泛地應(yīng)用在工業(yè)過程檢測(cè)系統(tǒng)中。該壓力檢測(cè)系統(tǒng)基于ARM Cortex-M3低功耗32位微處理器STM32F103RBT6為控制核心，使用應(yīng)變片式壓力傳感器，傳感器輸出微小電壓信號(hào)經(jīng)高精度的24位A/D轉(zhuǎn)換器HX711放大調(diào)理后進(jìn)行測(cè)量。HART協(xié)議通信部分由調(diào)制解調(diào)器DS8500與AD421電流環(huán)數(shù)模轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、采用低功耗設(shè)計(jì)，可擴(kuò)展性和重構(gòu)性強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：HART協(xié)議；應(yīng)變片；DS8500

中圖分類號(hào)：TB

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-3198（2015）25-0284-02

0 引言

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是當(dāng)前工業(yè)自動(dòng)化和自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)，它具有開放性、兼容性和多點(diǎn)通信的特點(diǎn)。HART（Highway Addressable Remote Transducer）可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道的開放通信協(xié)議是兼顧傳統(tǒng)4～20mA模擬和數(shù)字兩種通信方式的開放性網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，HART協(xié)議采用Bell202標(biāo)準(zhǔn)的FSK頻移鍵控信號(hào)，在低頻的4～20mA模擬環(huán)路信號(hào)上疊加幅度為0.5mA、頻率為2200Hz和1200Hz的FSK信號(hào)進(jìn)行雙向數(shù)字通訊，數(shù)據(jù)傳輸率為1200bps。由于FSK信號(hào)的在發(fā)送階段平均值為0，不會(huì)影響傳送現(xiàn)有模擬信號(hào)的大小，保證了系統(tǒng)的兼容性，F(xiàn)SK數(shù)字調(diào)制波形如圖1所示。

圖1 FSK數(shù)字波形圖

1 系統(tǒng)介紹

本設(shè)計(jì)就是以HART協(xié)議為通信媒介，設(shè)計(jì)和探討基于單片機(jī)和壓力傳感器的壓力數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由兩大部分組成：主機(jī)控制電路和從機(jī)控制電路。主機(jī)端由電源電路、顯示電路、按鍵電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換器電路、信號(hào)調(diào)制解調(diào)電路和控制器組成，從機(jī)端由壓力傳感器電路、信號(hào)放大調(diào)理采樣電路、信號(hào)調(diào)制解調(diào)電路和控制器組成。

HART協(xié)議參考ISO/OSI（開放系統(tǒng)互連模型），采用了其中簡(jiǎn)化的三層模型結(jié)構(gòu)，即物理層，數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

主機(jī)端主要是通過HART總線采樣從機(jī)端的數(shù)據(jù)并進(jìn)行顯示，系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 主機(jī)功能框圖

HART模塊是基于HART協(xié)議可以完成模擬量和數(shù)字量相融合通信的模塊，數(shù)字通信與模擬信號(hào)4～20mA兼容，傳輸?shù)男盘?hào)用調(diào)制后的正弦信號(hào)疊加在4～20mA的模擬信號(hào)上。

2.1 控制芯片

控制芯片采用基于ARM Cortex-M3低功耗32位微處理器STM32F103RBT6，該芯片工作于72MHz，運(yùn)行速度快且性價(jià)比高。

2.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換器

AD421是美國(guó)ADI公司最近推出的一種單片高性能數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）。它由電流環(huán)路供電，16位數(shù)字信號(hào)以串行方式輸入，4～20mA電流輸出，可實(shí)現(xiàn)低成本的遠(yuǎn)程智能工業(yè)控制。AD421與標(biāo)準(zhǔn)HART電路或其它類似FSK協(xié)議的電路完全兼容。標(biāo)準(zhǔn)的三線串行接口可在10Mbps下運(yùn)行，便于與通用微處理器或微控制器相連。

2.3 調(diào)制解調(diào)器

DS8500是一款用于過程控制的HART調(diào)制解調(diào)器，提供連續(xù)相位的FSK調(diào)制和解調(diào)。這款具有豐富功能的低功耗調(diào)制解調(diào)器完全滿足HART通信基金會(huì)設(shè)定的物理層規(guī)范。DS8500具有諸多功能，使用戶能夠方便、高效地設(shè)計(jì)具備HART調(diào)制解調(diào)功能的過程控制系統(tǒng)。

2.4 按鍵和顯示電路

顯示采用LCD1602液晶顯示器，按鍵采用矩陣鍵盤模式工作。

分機(jī)終端功能與主機(jī)在主體結(jié)構(gòu)上類似，如圖3所示。

圖3 分機(jī)功能框圖

2.5 傳感器采樣

壓力傳感采用應(yīng)變式傳感器，數(shù)據(jù)采樣基于HX711高精度AD轉(zhuǎn)換芯片，該芯片集成了包括穩(wěn)壓電源、片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器等所需的外圍電路，并且其內(nèi)部集成低噪聲可編程放大器，可編程放大增益為64或128倍。

3 軟件設(shè)計(jì)

主機(jī)和分機(jī)的通信和控制程序采用KEIL MDK-ARM 5.10 uVision5平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)采集分機(jī)上電后，系統(tǒng)初始化要包含HART協(xié)議通信模塊的初始化配置，如設(shè)定MCU內(nèi)部UART模塊的工作方式、通信波特率、校驗(yàn)位格式等。主機(jī)初始化包括AD421的SPI口配置程序、與從機(jī)相匹配的通信口波特率、液晶初始化等。由于HART總線為半雙工工作模式，主機(jī)與分機(jī)間數(shù)據(jù)通信采取查詢方式進(jìn)行，分機(jī)接收到主機(jī)命令后，將采集的數(shù)據(jù)通過HART總線傳送給主機(jī)。

AD421芯片控驅(qū)動(dòng)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 注意事項(xiàng)

在AD421基本應(yīng)用電路中，控制芯片和外圍電路電源由電流環(huán)供電，供電電壓由控制器的工作電壓而定，如果Vcc為3.3V，（AD421對(duì)應(yīng)LV管腳應(yīng)經(jīng)01uF電容接至Vcc），否則工作電壓為5V（此時(shí)LV應(yīng)直接接地）。

5 結(jié)束語

系統(tǒng)采用Contex-M3內(nèi)核低功耗MCU為控制核心，再降低系統(tǒng)功耗的同時(shí)，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度?；贖ART協(xié)議的數(shù)據(jù)通訊保留了傳統(tǒng)工業(yè)儀表4～20mA模擬量的操作模式，同時(shí)，充分利用數(shù)字系統(tǒng)便于擴(kuò)展和添加后續(xù)功能的特點(diǎn)，維護(hù)更方便、開發(fā)更簡(jiǎn)便，提高了系統(tǒng)的兼容性。系統(tǒng)在實(shí)際測(cè)量中，計(jì)量數(shù)據(jù)精度高，通信距離遠(yuǎn)，有較高的推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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