摘要：为精确、高效、实时的测量工业现场的压力和温度数据，设计了基于HART协议的智能压力变送系统。系统由压力传感器，智能变送器，HART/RS232转换器和PC上位机组成。文中介绍了系统的结构和功能，描述了智能变送器和HART/RS232转换器的硬件设计方案，分析了系统的软件处理流程，并在实验结果中给出基于VC++6.0的上位机界面。实验及工业现场应用表明：该系统性能良好，满足HART产品的要求。
关键词：HART协议，智能变送器，HART/RS232，VC++6.0
引言
工业现场经常需要对一些参数进行测量，而传统变送器大多采用模拟信号实现设备间通信，信号易受干扰，且功耗过高[1]，不易于远距离传输。HART协议作为开放性的协议，已成为智能仪表的标准，其特点是可在4-20mA模拟电流回路上实现数字信号的通信。本文设计了一种基于HART协议的智能压力变送系统，支持对压力传感器的零点和量程设置，以及对工业现场压力参数的软件滤波、数字温度补偿和数字线性化，提供4-20mA的模拟输出和HART协议的数字通信，可使用上位机软件进行传感器的参数设置和现场参数的数字显示，并以文本文件保存压力传感器的相关参数。
1系统结构框图
系统结构框图如图1所示。
压力传感器，采集工业现场的压力参数，输出为差分小信号；智能变送器，对传感器输出信号进行放大和数字处理，同时监测现场温度，输出为4-20mA的电流信号和HART协议的数字信号；HART/RS232转换器，将HART信号（不同频率的交流信号）的转换为符合RS232标准电平的数字信号；PC上位机，通过HART/RS232转换器与智能变送器进行通信，实时显示压力和温度的测量数据，可设置压力传感器的相关参数，并以文本文件保存。
图1系统结构框图
2系统硬件设计
2.1智能变送器
智能变送器使用标准的24V工业电源供电，对压力传感器输出的差分小信号进行放大、滤波和数据处理，实时监测工业现场的温度数值，提供标准的4-20mA的电流模拟输出和基于HART协议的FSK信号输出。其硬件结构如图2所示。
图2HART智能变送器硬件结构图
2.1.1MSP430F4270
MSP430F4270作为智能变送器的核心，其16位的ADC转换器实现对差分模拟信号的数字转换；I2C接口读取LM75A转化的温度数字数据；通过SPI接口写AD421，控制其输出4-20mA的电流模拟信号；UART接口用于同DS8500进行通信，可通过软件编程实现HART协议。
2.1.2OPA2333
从压力传感器获得的信号为差模小信号，并含有较大共模部分[2]。使用OPA2333设计仪表放大电路（电路放大差模信号，抑制共模信号，差模放大倍数数值愈大，共模抑制比愈高[2]），实现对输入信号中的共模噪声的抑制。
2.1.3LM75A
LM75A是一个高速I2C接口的温度传感器，工作范围（-55～+125）℃，精度0.125℃。微处理器可以通过I2C接口读取其内部寄存器的数据，获得环境温度的数值。
2.1.4AD421
AD421是美国ADI公司推出的一种单片高性能数/模转换器（DAC），可以直接由标准的24V工业电源电流环路供电，其主要特征如下：
◆4-20mA电流环路输出。
◆HART兼容型。
◆稳压输出：5V、3.3V、3V。
◆2.5V和1.25V精密电压源。
◆16位的数字串行输入接口（SPI）。
◆静态电流：750uA（最大值）。
2.1.5DS8500
DS8500是一款单芯片、可寻址远程传感器通道(HART)的调制解调器，满足HART协议物理层规范要求。该器件集成了1200Hz/2200HzFSK信号调制、解调功能，具有极低功耗，由于集成了数字信号处理功能，只需很少的外围器件。输入信号通过模/数转换器(ADC)采样，然后进行数字滤波/解调。该架构确保在干扰环境下能进行可靠的信号检测。输出数字模拟转换器(DAC)产生正弦波，并提供一路低噪信号，该信号可在1200Hz和2200Hz之间连续切换。发送时，通过禁用接收电路实现低功耗，反之亦然。
1.2HART/RS232转换器
HART/RS232转换器硬件结构图如图3所示。DS8500通过RS232串行接口与PC进行通信，通过编写上位机软件支持HART协议。DIN从PC的UART接收数据，DOUT向PC的UART发送数据。通过PC的UART接口的DTR引脚信号控制DS8500的复位状态，RTS引脚信号控制DS8500的调制解调模式。变压器可选用低频变压器（常用的1:1音频变压器即可），实现HART协议的FSK信号（交流信号）的耦合。
图3HART/RS232转换器硬件结构图
3系统软件设计
3.1智能变送器软件设计
智能变送器的微处理器为MSP430F4270，其软件设计如图4所示。
图4MSP430F4270软件设计
通过软件编程支持HART协议长帧和短帧格式，实现的通用命令有：0号命令，读传感器相关参数；1号命令，读主测量值压力数据；3号命令，读压力和温度数据；6号命令，设置随机地址；14号命令，读传感器编号；59号命令，设置所需导言数；109号命令，进入或退出突发模式。实现的特殊命令有：128号命令，写零点温度补偿参数；129号命令，写满量程温度补偿参数；130号命令，读零点温度补偿参数；131号命令，读满量程温度补偿参数；132号命令，设置传感器零点；133号命令，设置传感器满量程；134号命令。写传感器厂商编号。MSP430F4270的用户FLASH中存储的传感器参数有：随机地址、导言数、零点值、满量程值、零点温度补偿参数、满量程温度补偿参数和传感器的厂商编号。
3.2上位机界面设计
上位机界面采用VC++6.0软件进行编写，使用MScom控件开发串口通信协议，通过软件编程，实现HART协议。另外，上位机软件还具有以文本文件保存传感器参数的功能，其文件以传感器厂商编号命名。
上位机软件的核心代码为基于最小二乘法的温度补偿的参数计算。上位机在系统温度范围内选择五个不同温度值以及其对应的零点压力值，使用最小二乘法进行二次曲线拟合，求得二次曲线方程的参数即零点温度补偿的参数值，将参数值由浮点数转换为无符号数（用于串口通信），通过HART命令写传感器零点温度补偿参数。满量程的温度补偿参数计算同上。
由于上位机程序使用到VC++6.0的控件，在没有安装VC++的计算机上运行时需注册控件。第一步，将“MSCOMM32.DEP、MSCOMM32.OCX、MSCOMM.SRG”拷贝到“C:WINDOWSsystem32”子目录下；第二步，点击“开始——程序——附件——命令提示符”，输入“Regsvr32C:WINDOWSsystem32MSCOMM32.OCX”回车，点击系统提示的信息框的确定，完成控件的注册；第三步，退出命令提示符，运行程序。
4结果分析
经测试，系统智能变送器的功耗约为3.2mA，小于HART协议要求的3.5mA；系统的压力测量精度为0.04%FS，满足HART产品精度要求。
系统的HART上位机界面如图5所示。波特率固定为1200bps；地址设置范围为0x00-0x0F，同时支持15个HART设备；导言数设置范围为0x00-0x14；压力和温度值显示设置为浮点数格式（IEEE745标准），压力显示为4-20mA和百分比两种方式，温度显示单位为℃。
图5HART上位机界面
5结束语
本文阐述了一种基于HART协议的智能压力变送系统的硬件设计方案以及软件设计思想和实现方法，成功实现了应用HART协议对工业现场压力和温度的高精度测量。经实验测试和工业现场应用表明：该系统满足HART协议及其产品要求，且运行稳定，效果良好。
参考文献
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[2]童诗白,华成英主编.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社,2003(12).
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[6]贾伯年,俞朴,宋爱国主编.传感器技术[M].南京：东南大学出版社,2007(2).
作者简介：杨泽（1987—），男，山西运城人，硕士研究生，研究方向为嵌入式系统设计和微处理器应用。王击（1968—），男，湖南长沙人，副教授，研究方向为嵌入式系统设计和电气自动化及设计。
第一作者：杨泽，1987-01-20，男，硕士研究生工作单位：中南大学信息科学与工程学院
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