采用HART协议实现智能变送器的通信功能及应用电路设计
概述
现场总线技术是当前自动检测技术的热点之一。从现场总线技术形成来看，它是控制、计算机、通信、网络等技术发展的必然结果；而智能仪表则为现场总线的出现和应用奠定了基础。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。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。目前，几种有影响的现场总线技术有：基金会现场总线、lonworks、profibus、can、hart，除hart外，均为全数字化现场总线协议。
全数字化意味着将取消传统的模拟信号的传送方式，而要求每一个现场设备都具有智能及数字通信能力，使得操作人员或其他设备（传感器、执行器等）向现场发送指令（如设定值、量程、报警值等），同时也能实时地得到现场设备各方面的情况（如测量值、环境参数、设备运行情况及设备校准、自诊断情况、报警信息、故障数据等）。此外，原来由主控制器完成的控制运算也分散到了各个现场设备上，大大提高了系统的可靠性和灵活性。现场总线技术关键之处在于系统的开放性，强调对标准的共识与遵从，打破了传统生产厂家各自独立标准的局面，保证了来自不同厂家的产品可以集成到同一个现场总线系统中，并且可以通过网关与其他系统共享资源。
目前，一方面现场总线标准正处在完善和发展阶段，另一方面传统的基于4～20ma的模拟设备还在广泛应用于工业控制信各个领域。因此，马上全数字化是不现实的。为满足从模拟到全数字的过渡，hart协议应运而生。hart采用频移键控（fsk）技术。它基于bell202通信标准，在4～20ma模拟信号上叠加不同的频率信号（2200hz表示“0”，1200hz表示“1”）来传送数字信号（见图3）。hart协议的数据传输速率为1200bps（位/秒）。hart现场总线（简称hf）系统采用主从工作方式：主机为1台ibm-pc机；从机为1台或多台遵守hart协议的hf智能变送器。当从机只有1台hf智能变送器，即智能变送器工作在点-点方式下时，可继续使用传统的4～20ma信号进行模拟传输，而测量、调整和测试数据用数字方式传输；当从机为多台hf智能变送器时，即智能变送器工作在多站方式下时，4～20ma信号作废，每台变送器工作电流为4ma左右。所有测量，调整和测试数据均用数字方式传输。由于每台hf变送器有惟一的编号，所以主机能对每一台变送器进行操作。hart提供设备描述语言（ddl），以确保互操作性。应该指出，hart被认为是事实上的工业标准，但它本身并不算现场总线（模拟和数字的混合），只能说是现场总线的雏形，是一种过渡协议。由于4～20ma模拟信号标准将在今后相当长的时间内存在，所以研究hart协议仍具有重要意义。
本文讨论基于hart协议智能变送器的硬件实现的技术问题。一是要解决微功耗的问题，二是要讨论实现hart协议智能变送器通信功能的有效方法。
一、功耗要求
为实现智能变送器的基本功能，如线性化处理、温度补偿、自动零点和量程调整及数字通信等，以下关键器件如微控制器、a/d、d/a、通信芯片及传感器等是所必需的。图1是hart协议智能变送器的原理框图。传感器模拟量信号经a/d转换成数字量后送入单片机，单片机将处理后的数字量通过d/a转换器，经v/i转换电路输出4～20ma标准电流信号。在数字通信时，微处理器通过通信接口芯片及耦合电路，以4～20ma电流环路为介质传送和接收数据。
图1中的存储器（memory），用来存储传感器的特性参数、现场命令、现场状态等工作参数。
图2是图1中通信系统的详细方框图。中心是bell 202通信标准的hart调制解调器，并在信号的输出端和输入端分别加1个波形整形和带通滤波器，用以加强通信的可靠性。
1.功耗要求
为兼容4～20ma现行标准，hart协议智能变送器必须可工作在4～20ma两线回路中。这就意味可用来为变送器供电的电流不能超过4ma。在实际应用中，为兼容数字与模拟两信号，通常将数据频率信号通过v/i转换电路的调整管，转换为幅度为±0.5ma的频率信号，叠加在两线的4～20ma电流环上（2200hz表示“0”，1200hz表示“1”），如图3所示。由于对特性，此信号的平均值为0，因此模拟和数字两种信号互不干扰。但环路上电流瞬时最大值i=4.5ma，最小值i=3.5ma，如果向变送器供电过多，超过3.5ma，将导致数字信号负半周失真。考虑到调节量所需的余量，要求对变送器供电电流一般不要超过3.4ma为好。
2.供电方式
给变送器系统供电主要有两种方式：一是直接将输入电压稳压成所需电压（5v或3.3v）后向系统供电，这种方法总电流必须控制在4ma以内，二是采用dc-dc供电方式，只要dc-dc变换器的效率足够高，在功耗控制上它比第1种方法要宽松得多，但同时还需要考虑变换器的线性稳定性因素可能带来的负面影响。由于目前微功耗、高性价比的集成电路出现，采用方法一的优越性更多，因为在供电方式上，2种方法都有需考虑对供电电压的适应问题。一般工业现场多为dc 24v，也有dc 36v供电的。一般要求变送器能在dc12～42v供电电压下稳定、可靠地工作，这一方面直接供电方式要比dc-dc变换方式灵活得多。
二、通信系统
1.通信芯片
smar公司生产的ht2012为贝尔202标准的单片机cmos微功耗fsk调制解调器。它是为设计过程控制仪器检测和其他的低功率装备中提供hart通信功能的专用芯片。
ht2012由4个主要功能模块组成：时钟频率、解调器、调制器、载波检测。
ht20l2需要460.8khz外时钟输入，3～5v供电，低功耗（典型值40μa）［5］。
ht2012调制解调器的半双工的。当一个运转时，调制器和解调器中的另一个会被停止。工作在bell 202标准，发送、传送和接收调制位速率1200bps。
ht2012使用1200hz（“1”）和2200hz（“0”）bell 202信号频率，cmos、ttl兼容。
th2012具有载波检测输出端ocd，低电平有效，表示对方通信芯片准备进行载波发送，改进了通信的实时性和灵活性。另外，19.2khz时钟信号输出，也为应用提供了方便。
2.d/a及v/i转换器
为将数字频率信号转换为±0.5ma的频率信号，叠加在两线的4～20ma电流环上，还需要附加耦合电路，这样必然会造成更多的功耗开销。而美国a/d公司的产品ad421［2］，是专为hart协议智能仪表设计的，包括4～20ma电流环的16位d/a转换器。它与hart协议兼容，其开关电流源和滤波器功能块，可hart电压信号向±0.5ma电流信号的转换，为应用带来方便。
ad421基本性能：（1）4～20ma输出；（2）hart兼容，能用于标准hart fsk协议通信；（3）16位分辨率；（4）±0.01%积分的非线性；（5）3v、3.3v或5v可调节电压输出及2.5v和1.25v精度参考，用于自身和系统其他器件；（6）vcc=5v供电时，750μa最大静态电流，典型值为575μa；（7）可编程报警电流功能，允许变送器发出电流超范围警报，以表示转换器的故障；（8）灵活的高速串行接口。
ad421有2种工作方式：4～20ma输出方式和3.5～24ma报警输出方式。
三、单片机及a/d转换器
1.a/d转换器
为实现智能变送器的功能，在电路硬件设计上，需要1个增益可调的仪表放大器和1个分辨率至少在14位的a/d转换器，来实现对传感器信号的放大和模数转换。这样才能达到智能变送器的高精度、自动调节量程、大量程比的设计要求。对智能差压变送器，还需要对静压和温度进行采样，从而实现对静压和温度的补偿，提高全范围的测量精度。这样，还需要1个多路转换器实现通道间的切换。如果选用分立元件，必然会有相当大的功耗引入，难以满足hart协议智能变送器功耗要求。某些大公司为兼容4～20ma的智能变送器设计了专用a/d转换器，如maxim公司的max1400和ad公司的ad7714。其共同点是将增益可调的仪表放大器、多路转换器和a/d转换器集成在1个芯片中，功耗在几百μa左右，为实现hart协议智能变送顺提供了方便。
max1400基本性能：（1）max1400［1］为低功耗、多通道、带spi同步串行口的∑/δa/d转换器；（2）18位分辨率；（3）3个全差分或5个准差分信号输入通道；（4）可编程pga，选定增益分别为（1，2，4，8，16，32，64或128）；（5）ain1～ain6可组成3个全差分输入通道，也可以组合成5个准差输入通道；（6）2个额外的全差分系统校正通道caloff和calgain用来作为失调和增益误差的校正；（7）max1400内的2个漂移补偿缓冲器，用于隔离所选输入和pga及调制器的电容性负载的联系。当v+为5v供电时，max1400的参考输入为2.5v，模拟输入的变化范围为-vimax～+vimax。vimax=5÷（2×gain）。
2.单片机
为实现高性能、微功耗的智能变送器控制电路，单片机选用pic16c73［7］。它具有功耗低、运行速度快、功耗强等特点。采用长字节指令，所有指令均为单字长，除跳转为双周期指令均为单周期（4个时钟周期）指令。内含看门狗、8级硬件堆栈、192×8ram、32上定时器、2个捕捉器、5路8位a/d转换器、spi/i2共用的同步串行口、1个异步发送/接收串口usart、多种中断功能，包括b口rb4～rb7输入电平变化中断。
四、基于hart协议智能压力/差压变送器的设计
图4为hart协议智能压力/差压变送器的电路原理图。电路所用集成电路为上面所提及的，其特点为：集成度高、性/价比好、功耗低、功能强。片间的数据通信采用motorola公司推出的同步串行外围接口spi（serial peripheral interface），同优点是占用mcu资源小，可根据系统的大小随着扩充。在实际应用中，单片机可方便地与带spi接口的集成电路芯片如a/d、d/a、数据存储器等连接。由于单片机pic16c73带有spi串行总线硬件接口，使数据通信速度更高，使用更灵活。
1.电路说明
a/d转换器max1400的2个全差分通道ain1、ain2和ain3、ain4分别对差压传感器trs1、静压传感器trs2进行厝数转换。ain5和ain6组成准差分输入通道对trs1的恒流输入进行监测。传感器均为半导体压阻传感器，压阻传感器的特点是它的每个桥臂电阻都比较大，一般为2kω，以下均假设它们的桥臂电阻值为2kω。采用恒流供电，可以进一步减小传感器的非线性和温度对传感器输出灵敏度的影响。实验得知，压力和差压传感器的等效电阻值在全温度范围内（0～70℃）的变化量是全量程内压力或差压所引起的等效电阻值变化的100倍左右，因此，ain5所测得的a/d值可以对整个变送器进行温度补偿。为提高变送器的测量精度，须对静压给差压带来的误差进行补偿，所以电路中设计了全差分通道ain3、ain4对静压传感器trs2进行监测，从而可实现对静压的补偿。
hart通信模块由ht2012和波形整形电路及带通滤波器组成。整形电阻由74hc126（4个三态输出缓冲器）组成，并能通过2个750ω电阻及2.2μf的耦合电容，将整形后的ht2012发出的电压信号输入到ad421的开关电流源和滤波器功能块中，可实现hart电压信号由±0.5ma电流信号的转换。带通滤波器由图4中细线框中的2个运算放大器及电阻、电容组成。它将4～20ma环路上的±0.5ma hart电流信号转换为hart电压信号，经ht2012解调，再送入单片机串行通信接口中，从而完成数据的接收任务。
ad421除完成4～20ma电流信号输出及hart通信外，还为系统提供电源及参考电压。它的2.5v参考电压供自己和max1400使用。
数据存储器选用24lc65，为8kb的串行e2prom，供电电压2.5～5.5v，功耗：读电流150μa；写电流3ma（5v供电）。用来存放传感器特性参数及现场组态命令、工作参数、通信数据。
ht2012的19.2khz信号，送入pic16c73的计数器输入端，用于检测ht2012的工作情况。
ht2012的ocd信号，送入pic16c73的rb7端。rb7设为中断方式，用于检测通信状态。
2.功耗及电流分配
ad421由4～20ma环路主电源供电，转换的5v电源为自己和24lc65及max1400的模拟电路部分供电，设计时须留下功耗余量。ad421工作电流为600μa，24lc65读电流为10μa，max1400的模拟电路工作电流不超过100μa，而变送器功耗设计为3.4ma，剩下2.5ma电流供电路其他器件使用。具体分配如下：传感器由恒流二极管3crc供电0.5ma，剩下2.0ma电流由另一支3crc恒流后供电路的其他部分使用。这样可避免由于器件在动态和静态工作时功耗的不同而引起4～20ma信号的变化（尽管实验证明这个变化是很小的）。
3crc恒流原理是：其内部提供一稳定的1.24v从两管脚引出，在这两管脚上接1个电阻即可中输出恒流。计算公式为：i（ma）=1.24/r（kω）。只要保证3crc的工作电压略大于1.24v即可正常工作。
稳压管选用zrc330。它的稳压值为3.3v，最小工作电流为20μa，最大吸收电流达5ma，温度系数50ppm是比较理想的器件。max1400的工作电流值小于150μa（3.3v供电），ht2012的功耗电流40μa，带通滤波器选用运放tlc27l2c，最大功耗电流仅为48μa。整形电路的74hc126工作于低频下最大电流500μa左右，剩下1.25ma电流供单片机消耗。
单片机pic16c73的功耗在4mhz时钟、vdd=3v时，为2.0ma；而在4mhz和20mhz时钟、vdd=5v下工作时，电流值分别为2.7ma和13.5ma。可见适当降低单片机工作频率可使其功耗大幅度下降。由于pic16c73除跳转指令外，均为单字节指令，指令周期仅为4个时钟周期同，其运行速度比其他类型的单片机快，适当降低工作频率其运行速度仍远远满足变送器实时要求。本设计单片机采用1mhz工作频率，其功耗的实验数据小于1ma。
ht2012工作主时钟为特殊的460.8khz，需要特或向smar公司索取。本电路采用1片pic16c58a［7］单片机，外接1.8432mhz晶振，经单片机4分频后，正好输出460.8khz的时钟，直接供ht2012使用。pic16c58a单片机是pic系列单片机中的低挡产品，功耗与pic16c73相当。由于电路由增加了1片单片机，整个电路的功耗将超出允许范围。为保证功耗要求，电路设计采用能量分时复用的方法：程序通过v1、v2、v3实现传感器和pic16c58a的分时复用，即变送器在做a/d转换时，系统给传感器供电，当需要检测通信有无或主动进行通信时，单片机将给传感器的0.5ma关断，而将电流并入3.3v工作电源上，同时启动pic16c58a。pic16c58a的功耗指标为32khz时钟，vdd=3v时典型值小于15μa。由于对pic16c58a的某一i/o口（如rb）进行置高、置低操作，所以不怕程序“跑飞”，因此不需pic16c58a片内的wdt功能，将它置于off状态，功耗大大降低。因此，pic16c58a在1.8432mhz的时钟下工作，其功耗不会超过0.5ma。
对数据存储器24lc65的功耗：读电流150μa，没有功耗问题；而写电流3ma，一般出现在数据通信完成之后的很短时间内，只要规定在通信时4～20ma电流信号作废，即可解决功耗要求问题。24lc65一定要接在4～20ma主电源中。
从以上分析，电路功耗小于3.4ma的智能变送器，满足要求。
结束语
本文从智能变送器的基础功能出发，针对hart协议智能变送器的数据通信和功耗要求的特点，在大量实验的基础上，设计了智能压力/差压变送器应用电路，其中max1400、ad421、ht2012均通过了程序调试。在本电路中只用1只压力传感器，它就是压力变送器。如将压力传感器换为温度传感器主，就是hart协议智能温度变送器。由于水平的原因，文章中必然存在许多有待改进之处。希望本文的研究能对智能变送器的开发提供有益的帮助。
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全数字化意味着将取消传统的模拟信号的传送方式，而要求每一个现场设备都具有智能及数字通信能力，使得操作人员或其他设备（传感器、执行器等）向现场发送指令（如设定值、量程、报警值等），同时也能实时地得到现场设备各方面的情况（如测量值、环境参数、设备运行情况及设备校准、自诊断情况、报警信息、故障数据等）。此外，原来由主控制器完成的控制运算也分散到了各个现场设备上，大大提高了系统的可靠性和灵活性。现场总线技术关键之处在于系统的开放性，强调对标准的共识与遵从，打破了传统生产厂家各自独立标准的局面，保证了来自不同厂家的产品可以集成到同一个现场总线系统中，并且可以通过网关与其他系统共享资源。
目前，一方面现场总线标准正处在完善和发展阶段，另一方面传统的基于4～20ma的模拟设备还在广泛应用于工业控制信各个领域。因此，马上全数字化是不现实的。为满足从模拟到全数字的过渡，hart协议应运而生。hart采用频移键控（fsk）技术。它基于bell202通信标准，在4～20ma模拟信号上叠加不同的频率信号（2200hz表示“0”，1200hz表示“1”）来传送数字信号（见图3）。hart协议的数据传输速率为1200bps（位/秒）。hart现场总线（简称hf）系统采用主从工作方式：主机为1台ibm-pc机；从机为1台或多台遵守hart协议的hf智能变送器。当从机只有1台hf智能变送器，即智能变送器工作在点-点方式下时，可继续使用传统的4～20ma信号进行模拟传输，而测量、调整和测试数据用数字方式传输；当从机为多台hf智能变送器时，即智能变送器工作在多站方式下时，4～20ma信号作废，每台变送器工作电流为4ma左右。所有测量，调整和测试数据均用数字方式传输。由于每台hf变送器有惟一的编号，所以主机能对每一台变送器进行操作。hart提供设备描述语言（ddl），以确保互操作性。应该指出，hart被认为是事实上的工业标准，但它本身并不算现场总线（模拟和数字的混合），只能说是现场总线的雏形，是一种过渡协议。由于4～20ma模拟信号标准将在今后相当长的时间内存在，所以研究hart协议仍具有重要意义。
本文讨论基于hart协议智能变送器的硬件实现的技术问题。一是要解决微功耗的问题，二是要讨论实现hart协议智能变送器通信功能的有效方法。
一、功耗要求
为实现智能变送器的基本功能，如线性化处理、温度补偿、自动零点和量程调整及数字通信等，以下关键器件如微控制器、a/d、d/a、通信芯片及传感器等是所必需的。图1是hart协议智能变送器的原理框图。传感器模拟量信号经a/d转换成数字量后送入单片机，单片机将处理后的数字量通过d/a转换器，经v/i转换电路输出4～20ma标准电流信号。在数字通信时，微处理器通过通信接口芯片及耦合电路，以4～20ma电流环路为介质传送和接收数据。
图1中的存储器（memory），用来存储传感器的特性参数、现场命令、现场状态等工作参数。
图2是图1中通信系统的详细方框图。中心是bell 202通信标准的hart调制解调器，并在信号的输出端和输入端分别加1个波形整形和带通滤波器，用以加强通信的可靠性。
1.功耗要求
为兼容4～20ma现行标准，hart协议智能变送器必须可工作在4～20ma两线回路中。这就意味可用来为变送器供电的电流不能超过4ma。在实际应用中，为兼容数字与模拟两信号，通常将数据频率信号通过v/i转换电路的调整管，转换为幅度为±0.5ma的频率信号，叠加在两线的4～20ma电流环上（2200hz表示“0”，1200hz表示“1”），如图3所示。由于对特性，此信号的平均值为0，因此模拟和数字两种信号互不干扰。但环路上电流瞬时最大值i=4.5ma，最小值i=3.5ma，如果向变送器供电过多，超过3.5ma，将导致数字信号负半周失真。考虑到调节量所需的余量，要求对变送器供电电流一般不要超过3.4ma为好。
2.供电方式
给变送器系统供电主要有两种方式：一是直接将输入电压稳压成所需电压（5v或3.3v）后向系统供电，这种方法总电流必须控制在4ma以内，二是采用dc-dc供电方式，只要dc-dc变换器的效率足够高，在功耗控制上它比第1种方法要宽松得多，但同时还需要考虑变换器的线性稳定性因素可能带来的负面影响。由于目前微功耗、高性价比的集成电路出现，采用方法一的优越性更多，因为在供电方式上，2种方法都有需考虑对供电电压的适应问题。一般工业现场多为dc 24v，也有dc 36v供电的。一般要求变送器能在dc12～42v供电电压下稳定、可靠地工作，这一方面直接供电方式要比dc-dc变换方式灵活得多。
二、通信系统
1.通信芯片
smar公司生产的ht2012为贝尔202标准的单片机cmos微功耗fsk调制解调器。它是为设计过程控制仪器检测和其他的低功率装备中提供hart通信功能的专用芯片。
ht2012由4个主要功能模块组成：时钟频率、解调器、调制器、载波检测。
ht20l2需要460.8khz外时钟输入，3～5v供电，低功耗（典型值40μa）［5］。
ht2012调制解调器的半双工的。当一个运转时，调制器和解调器中的另一个会被停止。工作在bell 202标准，发送、传送和接收调制位速率1200bps。
ht2012使用1200hz（“1”）和2200hz（“0”）bell 202信号频率，cmos、ttl兼容。
th2012具有载波检测输出端ocd，低电平有效，表示对方通信芯片准备进行载波发送，改进了通信的实时性和灵活性。另外，19.2khz时钟信号输出，也为应用提供了方便。
2.d/a及v/i转换器
为将数字频率信号转换为±0.5ma的频率信号，叠加在两线的4～20ma电流环上，还需要附加耦合电路，这样必然会造成更多的功耗开销。而美国a/d公司的产品ad421［2］，是专为hart协议智能仪表设计的，包括4～20ma电流环的16位d/a转换器。它与hart协议兼容，其开关电流源和滤波器功能块，可hart电压信号向±0.5ma电流信号的转换，为应用带来方便。
ad421基本性能：（1）4～20ma输出；（2）hart兼容，能用于标准hart fsk协议通信；（3）16位分辨率；（4）±0.01%积分的非线性；（5）3v、3.3v或5v可调节电压输出及2.5v和1.25v精度参考，用于自身和系统其他器件；（6）vcc=5v供电时，750μa最大静态电流，典型值为575μa；（7）可编程报警电流功能，允许变送器发出电流超范围警报，以表示转换器的故障；（8）灵活的高速串行接口。
ad421有2种工作方式：4～20ma输出方式和3.5～24ma报警输出方式。
三、单片机及a/d转换器
1.a/d转换器
为实现智能变送器的功能，在电路硬件设计上，需要1个增益可调的仪表放大器和1个分辨率至少在14位的a/d转换器，来实现对传感器信号的放大和模数转换。这样才能达到智能变送器的高精度、自动调节量程、大量程比的设计要求。对智能差压变送器，还需要对静压和温度进行采样，从而实现对静压和温度的补偿，提高全范围的测量精度。这样，还需要1个多路转换器实现通道间的切换。如果选用分立元件，必然会有相当大的功耗引入，难以满足hart协议智能变送器功耗要求。某些大公司为兼容4～20ma的智能变送器设计了专用a/d转换器，如maxim公司的max1400和ad公司的ad7714。其共同点是将增益可调的仪表放大器、多路转换器和a/d转换器集成在1个芯片中，功耗在几百μa左右，为实现hart协议智能变送顺提供了方便。
max1400基本性能：（1）max1400［1］为低功耗、多通道、带spi同步串行口的∑/δa/d转换器；（2）18位分辨率；（3）3个全差分或5个准差分信号输入通道；（4）可编程pga，选定增益分别为（1，2，4，8，16，32，64或128）；（5）ain1～ain6可组成3个全差分输入通道，也可以组合成5个准差输入通道；（6）2个额外的全差分系统校正通道caloff和calgain用来作为失调和增益误差的校正；（7）max1400内的2个漂移补偿缓冲器，用于隔离所选输入和pga及调制器的电容性负载的联系。当v+为5v供电时，max1400的参考输入为2.5v，模拟输入的变化范围为-vimax～+vimax。vimax=5÷（2×gain）。
2.单片机
为实现高性能、微功耗的智能变送器控制电路，单片机选用pic16c73［7］。它具有功耗低、运行速度快、功耗强等特点。采用长字节指令，所有指令均为单字长，除跳转为双周期指令均为单周期（4个时钟周期）指令。内含看门狗、8级硬件堆栈、192×8ram、32上定时器、2个捕捉器、5路8位a/d转换器、spi/i2共用的同步串行口、1个异步发送/接收串口usart、多种中断功能，包括b口rb4～rb7输入电平变化中断。
四、基于hart协议智能压力/差压变送器的设计
图4为hart协议智能压力/差压变送器的电路原理图。电路所用集成电路为上面所提及的，其特点为：集成度高、性/价比好、功耗低、功能强。片间的数据通信采用motorola公司推出的同步串行外围接口spi（serial peripheral interface），同优点是占用mcu资源小，可根据系统的大小随着扩充。在实际应用中，单片机可方便地与带spi接口的集成电路芯片如a/d、d/a、数据存储器等连接。由于单片机pic16c73带有spi串行总线硬件接口，使数据通信速度更高，使用更灵活。
1.电路说明
a/d转换器max1400的2个全差分通道ain1、ain2和ain3、ain4分别对差压传感器trs1、静压传感器trs2进行厝数转换。ain5和ain6组成准差分输入通道对trs1的恒流输入进行监测。传感器均为半导体压阻传感器，压阻传感器的特点是它的每个桥臂电阻都比较大，一般为2kω，以下均假设它们的桥臂电阻值为2kω。采用恒流供电，可以进一步减小传感器的非线性和温度对传感器输出灵敏度的影响。实验得知，压力和差压传感器的等效电阻值在全温度范围内（0～70℃）的变化量是全量程内压力或差压所引起的等效电阻值变化的100倍左右，因此，ain5所测得的a/d值可以对整个变送器进行温度补偿。为提高变送器的测量精度，须对静压给差压带来的误差进行补偿，所以电路中设计了全差分通道ain3、ain4对静压传感器trs2进行监测，从而可实现对静压的补偿。
hart通信模块由ht2012和波形整形电路及带通滤波器组成。整形电阻由74hc126（4个三态输出缓冲器）组成，并能通过2个750ω电阻及2.2μf的耦合电容，将整形后的ht2012发出的电压信号输入到ad421的开关电流源和滤波器功能块中，可实现hart电压信号由±0.5ma电流信号的转换。带通滤波器由图4中细线框中的2个运算放大器及电阻、电容组成。它将4～20ma环路上的±0.5ma hart电流信号转换为hart电压信号，经ht2012解调，再送入单片机串行通信接口中，从而完成数据的接收任务。
ad421除完成4～20ma电流信号输出及hart通信外，还为系统提供电源及参考电压。它的2.5v参考电压供自己和max1400使用。
数据存储器选用24lc65，为8kb的串行e2prom，供电电压2.5～5.5v，功耗：读电流150μa；写电流3ma（5v供电）。用来存放传感器特性参数及现场组态命令、工作参数、通信数据。
ht2012的19.2khz信号，送入pic16c73的计数器输入端，用于检测ht2012的工作情况。
ht2012的ocd信号，送入pic16c73的rb7端。rb7设为中断方式，用于检测通信状态。
2.功耗及电流分配
ad421由4～20ma环路主电源供电，转换的5v电源为自己和24lc65及max1400的模拟电路部分供电，设计时须留下功耗余量。ad421工作电流为600μa，24lc65读电流为10μa，max1400的模拟电路工作电流不超过100μa，而变送器功耗设计为3.4ma，剩下2.5ma电流供电路其他器件使用。具体分配如下：传感器由恒流二极管3crc供电0.5ma，剩下2.0ma电流由另一支3crc恒流后供电路的其他部分使用。这样可避免由于器件在动态和静态工作时功耗的不同而引起4～20ma信号的变化（尽管实验证明这个变化是很小的）。
3crc恒流原理是：其内部提供一稳定的1.24v从两管脚引出，在这两管脚上接1个电阻即可中输出恒流。计算公式为：i（ma）=1.24/r（kω）。只要保证3crc的工作电压略大于1.24v即可正常工作。
稳压管选用zrc330。它的稳压值为3.3v，最小工作电流为20μa，最大吸收电流达5ma，温度系数50ppm是比较理想的器件。max1400的工作电流值小于150μa（3.3v供电），ht2012的功耗电流40μa，带通滤波器选用运放tlc27l2c，最大功耗电流仅为48μa。整形电路的74hc126工作于低频下最大电流500μa左右，剩下1.25ma电流供单片机消耗。
单片机pic16c73的功耗在4mhz时钟、vdd=3v时，为2.0ma；而在4mhz和20mhz时钟、vdd=5v下工作时，电流值分别为2.7ma和13.5ma。可见适当降低单片机工作频率可使其功耗大幅度下降。由于pic16c73除跳转指令外，均为单字节指令，指令周期仅为4个时钟周期同，其运行速度比其他类型的单片机快，适当降低工作频率其运行速度仍远远满足变送器实时要求。本设计单片机采用1mhz工作频率，其功耗的实验数据小于1ma。
ht2012工作主时钟为特殊的460.8khz，需要特或向smar公司索取。本电路采用1片pic16c58a［7］单片机，外接1.8432mhz晶振，经单片机4分频后，正好输出460.8khz的时钟，直接供ht2012使用。pic16c58a单片机是pic系列单片机中的低挡产品，功耗与pic16c73相当。由于电路由增加了1片单片机，整个电路的功耗将超出允许范围。为保证功耗要求，电路设计采用能量分时复用的方法：程序通过v1、v2、v3实现传感器和pic16c58a的分时复用，即变送器在做a/d转换时，系统给传感器供电，当需要检测通信有无或主动进行通信时，单片机将给传感器的0.5ma关断，而将电流并入3.3v工作电源上，同时启动pic16c58a。pic16c58a的功耗指标为32khz时钟，vdd=3v时典型值小于15μa。由于对pic16c58a的某一i/o口（如rb）进行置高、置低操作，所以不怕程序“跑飞”，因此不需pic16c58a片内的wdt功能，将它置于off状态，功耗大大降低。因此，pic16c58a在1.8432mhz的时钟下工作，其功耗不会超过0.5ma。
对数据存储器24lc65的功耗：读电流150μa，没有功耗问题；而写电流3ma，一般出现在数据通信完成之后的很短时间内，只要规定在通信时4～20ma电流信号作废，即可解决功耗要求问题。24lc65一定要接在4～20ma主电源中。
从以上分析，电路功耗小于3.4ma的智能变送器，满足要求。
结束语
本文从智能变送器的基础功能出发，针对hart协议智能变送器的数据通信和功耗要求的特点，在大量实验的基础上，设计了智能压力/差压变送器应用电路，其中max1400、ad421、ht2012均通过了程序调试。在本电路中只用1只压力传感器，它就是压力变送器。如将压力传感器换为温度传感器主，就是hart协议智能温度变送器。由于水平的原因，文章中必然存在许多有待改进之处。希望本文的研究能对智能变送器的开发提供有益的帮助。
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