早期的控制系統主要是模擬儀表控制系統，設備之間傳輸的是1～5V或4～20mA的模擬信號，信號的精度較低且傳輸過程中易受干擾。隨著電子技術和計算機技術的發展，特別是現場總線的問世，促使新型的全數字智能儀表逐漸取代傳統的模擬儀表，并且在性能上不斷向高精確度、高可靠性、高環境適應性的方向發展，采用數字化智能儀表已是大勢所趨。然而由于模擬現場儀表大量使用，受原投資保值的限制，從模擬儀表到全數字智能儀表的更新還需要很長一段時間，在此期間，開發出一種能兼容模擬信號和數字信號" title="數字信號">數字信號的智能儀表將具有十分重要的現實意義^[1]。本文介紹的智能壓力變送器即是在這樣的背景下開發的。
1 HART協議簡介^[2～4]
　　HART(Highway Addressable Remote Transducer) 協議即可尋址遠程傳感器高速通道開放通信協議，是現場總線的一種，而且是一種過渡性的協議。其特點是能在現有模擬信號傳輸線上實現數字信號的通信，可對改進儀表間的通信提供無風險解決方案，在模擬系統向數字系統轉變的過渡時期具有較強的市場競爭力。
　　HART協議采用基于Bell202標準的FSK頻移鍵控信號，在低頻的 4～20mA模擬信號上疊加幅度為0.5mA的音頻數字信號進行雙向數字通信，數據傳輸速率為1.2Mbps。
　　HART協議參考 ISO/OSI開放系統互連模型，采用了它的簡化三層模型結構，即第一層物理層、第二層數據鏈路層和第七層應用層。
1．1 物理層
　　物理層規定了信號的傳輸方法、傳輸介質，為了實現模擬通信和數字通信同時進行而又互不干擾，HART協議采用頻移鍵控技術(FSK)，即在4～20mA模擬信號上迭加一個音頻數字信號。頻率信號采用 Be11202國際標準，
　　1200Hz代表邏輯“1”，2200Hz代表邏輯“0”，信號幅值為0.5mA，如圖 1所示。數字信號的傳送波特率設定為1200bps。

　　通信介質的選擇視傳輸距離長短而定。通常，采用雙絞同軸電纜作為傳輸介質時，最大傳輸距離可達到1500ｍ，線路總阻抗應在230～1100Ω之間。
1．2 數據鏈路層
　　數據鏈路層規定HART幀的格式如圖2所示，實現建立、維護、終結鏈路通信功能。HART協議根據冗余檢錯碼信息，采用自動重復請求發送機制，消除了由于線路噪音或其他干擾引起的數據通信出錯，實現了通信數據無差錯傳送。

　　現場儀表要執行HART指令，操作數必須合乎指定的大小。每個獨立的字符包括一個起始位、八個數據位、一個奇偶校驗位和一個停止位。由于數據的有無和長短并不恒定，所以HART數據的長度也不一樣，最長的HART數據包含33個字節。
1．3 應用層
　　應用層為HART命令集，用于實現HART指令。命令分為三類，即通用命令、普通命令和專用命令。
　　通用命令是通用的，對所有遵從HART協議的智能設備(無論什么公司的產品)都適用。例如讀取制造廠商和產品型號信息、讀取過程變量及其單位、讀取電流百分比輸出等。
　　普通命令對大多數智能設備都適用，但各個產品可視自身需要有所取舍。它用于常用的操作，如設置量程、設置過程變量單位、寫阻尼時間常數等。
　　專用命令則是針對具體設備的特殊性設立的，以實現前兩類命令沒有包含而自身又需要的特殊功能。
　　在HART協議通信中，主要的變量和控制信息以4～20mA的形式傳送，在需要的情況下，另外的測量、過程參數、設備組態、校準、診斷信息通過HART協議訪問。
2 基于HART協議智能壓力變送器的硬件設計
　　本文基于HART協議開發了適用于半導體壓力傳感器的智能變送器" title="智能變送器">智能變送器，該變送器的硬件部分主要包括以下幾個模塊：MCU模塊、LCD顯示模塊、HART通信模塊、傳感器模塊和供電模塊等。系統硬件框圖如圖3所示。智能壓力變送器的供電電壓選為3.3V，由穩壓電源模塊MAX6129AEUK33-T提供。

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　　傳感器模塊主要包括傳感器橋路，如圖4所示，其中，電阻R20的溫度系數應不大于50PPM/℃。
　　MCU模塊主要由微處理器XE8A8LC05A和非易失性存儲器EEPROM93AA76C組成，其中，XE8A8LC05A內置12位A/D" title="A/D">A/D轉換器和10位D/A轉換器。傳感器模塊輸出的壓力和溫度信號經整形和帶通濾波電路后，分別接至微處理器內置的A/D轉換器的兩個通道，并且使用傳感器電橋供電電壓作為A/D轉換器的參考電壓，以排除電橋不穩定所造成的誤差。在進行A/D轉換后，再由CPU進行線性化處理、量程轉換、阻尼處理等運算，最后通過微處理器內置的D/A轉換器把數字信號轉換成電流信號輸出。EEPROM用來保存所有組態、特征化和數字微調數據。
　　HART通信模塊即為HART協議物理層的硬件實現。它采用微集成電路HT2012作為HART調制解調器。HT2012的工作頻率為460.8kHz，由獨立的微功耗震蕩器HT7210提供。從HART總線接收到的HART信號經過放大、濾波、比較后送到HT2012，被解調成邏輯1或邏輯0的數字信號傳送給微處理器。同樣，微處理器送出的數字信號由調制解調器調制成相應的1200Hz或2200Hz的FSK頻移鍵控信號后疊加在環路發送到HART總線上。HART通信方式為半雙工方式。
　　LCD顯示模塊通過HT1620芯片驅動和控制有關數據的顯示。由于采用了電容型偏置電壓充電泵，HT1620的操作電流非常小，能夠滿足本系統低功耗的要求。
　　智能變送器設計的關鍵在于如何實現低功耗。由于接入HART總線4～20mA環路中的智能變送器是從HART總線4～20mA電流環路上吸收直流且還要對網絡提供工作電源的A類設備，因此意味著智能儀表供電的電流不能超過4mA。在實際應用中，為了兼容數字和模擬兩種信號，通常將數字信號通過V/I轉換電路轉換成幅度為±0.5mA的音頻數字信號(1200Hz表示“1”，2200Hz表示“0”)，疊加在4～20mA電流環上。由于對稱性，此信號的平均值為0，因此模擬和數字信號互不干擾。但是，環路上的最大電流瞬時值Imax=4.5mA，最小值Imin=3.5mA，如果向變送器供電過多(超過3.5mA)，將導致數字信號負半周失真，考慮一定的余量，要求對變送器的供電電流不超過3.4mA。所以在元器件的選擇上要充分考慮如何降低功耗。
　　本方案中，由于大量選用低功耗器件，比較好地解決了這個問題。數字電路工作在3.3V，在此條件下，XE88LC05A在12位的ADC和10位的DAC同時工作并且保證CPU達到每秒二百萬條指令的處理量的情況下，其工作電流為670μA，HT2012的典型工作電流為40μA，93AA76C 的讀電流為500μA，HT7210在輸出為1MHz的情況下工作電流也不過130μA，而HT1620的工作電流小于3μA，另外整形電路、帶通濾波及其他模擬部分電路的電流不大于1.2mA。因此整個電路的總工作電流不大于2.1mA,遠小于3.4mA。這樣變送器可以給傳感器模塊提供的最大電流為1.3mA，這對許多傳感器來說已經足夠了。
3 基于HART協議的智能壓力變送器的軟件設計
　　HART智能變送器的軟件主要包括兩大部分：測控程序和HART通信程序。
　　測控程序主要包括數據采集、非線性補償、量程轉換、線性或開方輸出程序以及阻尼程序等。其中，線性化處理采用最小二乘法原理對傳感器的特性曲面進行曲面擬合，從而得到高精度的溫度和非線性補償。其特性曲面方程如下：
　　N_p=(a₀+a₁×T+a₂×T²)+(b₀+b₁×T+b₂×T²)×P_r+c₀×P_r²
　　通過采集九組或九組以上的壓力和溫度信號，運用最小二乘法對上式進行回歸算法，就可以得到各種類型傳感器的特性曲面的擬合多項式。
　　HART通信程序即微HART協議數據鏈路層和應用層的軟件實現。在上電或看門狗復位時，主程序對通信部分進行初始化，主要包括串口工作方式設定、波特率設定、清通信緩沖區、清通信標志字和開中斷等。由于HART通信采用的是主從方式，而像變送器這類現場儀表都是從機，因此在初始化和每次應答完主機命令后都要把接收中斷打開并且一直等候主機命令。通信中斷程序框圖如圖5所示。