通信与网络中的基于MAXQ2000的增强型智能变送器设计
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2020-10-22
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通信与网络中的基于通信与网络中的基于MAXQ2000的增强型智能变送器设计的增强型智能变送器设计
引 言 现在，国际及国内使用的智能变送器基本是带有HART通信功能的智能变送器（简称为“HF智能变送
器”），是一种将标准模拟信号（4～20 mA）与数字信号技术结合在一起用于传送过程参数的变送器。传统变送
器传输传感器数据的同时，不能传输控制信号与诊断信号。同时为了满足智能现场通信器对信号实时处理的需
要，在HART智能现场通信器软件总体设计中采用实时嵌入式控制系统。为此，笔者设计了一种基于MAXQ2000
嵌入式微处理器的增强型智能变送器，采用HART协议进行信号的调制解调，所提供的通信通道在传输传感器数
据的同时，还可传输控制和诊断信号。 1 HART智能仪表的特点 HART协议
引 引 言言
现在，国际及国内使用的智能变送器基本是带有HART通信功能的智能变送器（简称为“HF智能变送器”），是一种将标准
模拟信号（4～20 mA）与数字信号技术结合在一起用于传送过程参数的变送器。传统变送器传输传感器数据的同时，不能传
输控制信号与诊断信号。同时为了满足智能现场通信器对信号实时处理的需要，在HART智能现场通信器软件总体设计中采用
实时嵌入式控制系统。为此，笔者设计了一种基于MAXQ2000嵌入式微处理器的增强型智能变送器，采用HART协议进行信号
的调制解调，所提供的通信通道在传输传感器数据的同时，还可传输控制和诊断信号。
1 HART智能仪表的特点智能仪表的特点
HART协议遵循ISO制订的OSI开放式系统互连参考模型，采用了OSI模型的第1层、第2层和第7层，即物理层、数据链路
层和应用层。现场总线（field bus）是一种数字化的串行双向通信系统，能将所有的现场设备、传感器、执行器等与控制器用
1根电缆（光缆或无线）连接在一起，形成现场设备级、车间级的数字化通信网络，可实现现场状态控制远程传送等功能。
HART现场总线系统采用主从工作方式，主机一般为1台PC机，从机可为1台或多台具有HART通信功能的智能变送器。
HART智能仪表具有如下特点：
①实现了传感器信号的数字化，提高了测量精度。
②实现了传感器信号的智能化，能方便地修整拟合曲线并进行各种补偿。
③智能仪表实现了网络化，在控制站内可直接观察数千台仪表。
④通信传输采用4～20 mA标准信号加数字信号方式，可直接替换模拟仪表。
⑤通过数字信息能读出仪表各种管理信息，如生产厂家、仪表型号、生产序号、维修时间等。
⑥可装入算法，直接构成控制回路。
⑦工作在4～20 mA现行标准的两线制回路中。在应用时，其兼容模拟与数字信号，而频率信号经过V／I转换电路的转换
管，转换为幅度为0.5 mA的频率信号，叠加在两线制4～20 mA的电流环上。由于对称性，此信号的平均值为0，所以模拟、
数字两信号互不干扰。
⑧具有线性化处理功能、温度补偿功能、零点自动调整功能、量程自动调整功能、数字化通信功能等。
2 电流变送器电流变送器
最简单的电流变送器是采用简单的电流环路进行信号传递的。在环路中，传感器的输出电压首先按比例转换成电流，远端
接收器将4～20 mA的电流又转换为电压，利用计算机或显示模块做进一步处理。典型的4～20 mA电流环电路包括4个部分：
传感器／变送器、电压—电流转换器、环路电源和接收器／监视器。为适应工业需求，出现了称作“智能型变送器”的第2代4～
20 mA变送器，这种变送器采用微控制器（μC）和数据转换器调理远端信号。智能型变送器可以对增益和失调进行校准，通
过将传感器模拟信号数字化（如电阻式温度检测器RTD和热电偶）实现线性化处理，用驻留在μC内部的数学算法处理信号，
再将数字信号转换回模拟信号，结果以标准电流的形式沿环路传输。最新的第3代4～20 mA变送器被认为是“增强型智能”变送
器。它们增加了与4～20 mA信号共享双绞线的数字通信功能。所提供的通信通道在传输传感器数据的同时，还可传输控制和
诊断信号。设计的增强型智能变送器的基本结构如图1所示，主要由模数转换器ADC、数模转换器DAC、MAXQ2000微控制
器、电压调节器、信号调理、HART调制解调器、I／O通道、双绞传输线组成。
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