基于HART协议的磁致伸缩液位传感器的设计
作者：姜洁；刘仁；张国锋；许全科




     随着技术的发展，传统的4-20mA输出的仪表已经不能满足现在的工业生产的需求，为了兼容模拟信号，同时体现现场总线的优越性，一种过渡性的现场总线标准Hart协议由美国Rosemount提出。而Hart协议磁致伸缩液位传感器，完全符合Hart协议通信标准，是基于磁致伸缩原理为了测量原理，非接触式测量，高精度，高重复性，可以实现多个位置测量，能广泛应用于石油、化工、水利、制药、食品等行业的各种液罐的液位计量和控制。

1、磁致伸缩原理

       电子电路产生一起始脉冲，此起始脉冲在波导丝中传输时，同时产生了一沿波导丝方向前进的旋转磁场，当这个磁场与磁环中的永久磁场相遇时，产生磁致伸缩效应，使波导丝发生扭动，这一扭动被拾能机构所感知并转换成相应的电流脉冲，通过电子电路计算出两脉冲之间的时间差，即可精确测出被测的位置量。

2、Hart协议

       Hart协议通信采用的是半双工的通信方式，其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信。Hart协议实现了开放系统互联（OSI）7层协议模型的第1层、第2层和第7层，物理层以Bell202标准为基础，采用频移键控（FSK），以1200bps的速率通信，代表0和1位置的信号频率分别为2200和1200Hz。该低电平信号叠加在4-20mA的模拟测量信号之上，而不会对模拟信号造成任何干扰。数据链路层定义了一项主从协议，在正常使用下，现场设备指在收到信号时才做回答。可以有两个主设备，例如，控制系统作为第一主设备，而手持Hart通信器作为第二主设备。应用层，定义了协议所支持的命令、响应、数据类型和状态报告。在应用层，协议的命令分为通用命令、普通命令和特殊命令。

3、主体设计分析

       Hart协议磁致伸缩液位传感器主要由4部分组成，测量电路、Hart调制调解模块、供电模块以及人机交换模块。测量电路是根据磁致伸缩原理而设计的，机构部分主要包括波导丝，拾能机构等，信号通过激励脉冲驱动电路产生，经过放大、整形电路，进入MCU进行计算。供电模块是采用的ADI公司的AD421，一方面与MCU的SPI口连接，输出4-20mA模拟量，另一方面与Hart调试解调模块连接，将Hart信号叠加到4-20mA环路中。

       Hart调制解调模块是采用HartModernHT2015，一方面是把环路中的频移键控信号解调出数字信号，另一方面是将MCU输出的数字信号转换成调制信号。

设计的技术要点：

1）低功耗设计，Hart协议是在低频的4-20mA的模拟信号上叠加了幅度为±0.5mA的音频数字信号进行双向数字通信，即环路上的最小瞬时电流值为3.5mA，所以电路的整体好点应该不超过3.5mA,在电路设计上应该充分考虑如何降低功耗。

2）建立Hart通信，在电路上设计上要满足环路上叠加幅值为±0.5mA的FSK射频键控信号，同时能解调环路中的频移键控信号，符合Hart协议对物理层的定义，在软件设计上要符合Hart协议对数据链路层，以及应用层的定义。

4、硬件设计

4.1测量电路

       测量电路包括电源管理电路、脉冲激励驱动电路、放大电路、信号整形电路。信号放大电路采用带功耗控制的LMH6611运算放大器组成，LMH6611关断状态工作电路为0.16mA。

4.2D/A转换器

      D/A转换器采用ADI公司AD421，该器件的稳压器可提供+5V、+3.3V或+3V调节输出电压，还内置有+1.25V和+2.5V精密基准电压源。因此，AD421不需要外接独立的稳压器和基准电压源，外部元件只需若干无源元件盒一个调整管。AD421可以结合标准HartFSK协议通信电路使用，而且额定性能不会受到影响。一个标准三线式串行接口与常用的微处理器和大阳城娱乐制器简单相连。

4.3Hart调制解调模块

       HT2015为用户实现了一个兼容Hart的物理层创造条件，该器件通过必要的调制、解调、载波检测、波形行程和贷通滤波将该协议在片上实现。

       在环路上要输出信号为1mA峰峰值，者可以在AD421内部通过C3引脚施加合适的电压来产生，Hart信号采用交流耦合模式，以避免引起错误，C16和C3两个电容对来自HT2015的Hart电压信号进行了衰减处理，以确保在Hart传输过程中有一个1mA峰峰值的Hart信号引入到环路。C3引脚上的信号作用于一个40KΩ电阻上，两倍于该信号的信号被强制作于40Ω环路电流检测电阻上，因此C3引脚处要求一个20mV信号，以确保环路中存在1mA。要求来自HT2015的Hart输入信号V具有以下的衰减系数。

4.4主控芯片MCU

       主控芯片采用PIC24F系列16位单片机，采用了Microchip超低功耗技术，有一下四种功耗管理方式：1）时钟频率；2）基于指令的休眠和空闲模式；3）软件控制的打盹模式4）通过软件有选择的进行外设控制。

       该设计中运用的时钟频率切换以及基于指令的休眠和空闲模式来对主控芯片进行功耗控制，时钟频率切换是指在系统时钟配置没有锁定前提下，使用内部RC振荡器的低功耗操作与使用晶体振荡器的高速高精度操作之间切换，同时将MCU的工作状态分为全速运行、休眠模式以及空闲模式，实现芯片功耗最低。

5、软件设计

5.1主控芯片的运行状态

       主控芯片利用基于指令的休眠和空闲模式，让MCU再全速运行、休眠模式以及空闲模式之间进行切换。

5.2软件流程图

       Hart协议磁致伸缩也额外传感器的软件主要包括两大部分：测量测序和Hart通信程序。测量测序包括数据采集，数据计算，数据的处理。Hart通信程序是Hart协议数据链路层和应用层的软件实现，Hart通信采用的是主从方式，而磁致伸缩液位传感器这些现场仪表都是从机，所以一直在等候主机命令，接收完命令后，要对命令的格式、校验、命令号等做出解析，并作出响应的响应。

6、总结

       Hart协议磁致伸缩液位传感器，完全符合Hart协议通信标准，功能完善，稳定性高，与传统模拟液位传感器相比，有着无法比喻的优势，必然在液位测量应用中会得到广泛的应用。

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