基于HART协议的智能温度变送器设计

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3.0 侯斌 2024-11-19 6 4 5.19MB 60 页 15积分

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摘要

我国目前处于快速发展时期，工业发展较为迅猛。其中对温度测量的需求

量也越来越多。与此同时现在微处理器、集成芯片和自动控制技术的快速发展

及科技的进步，使得温度的测量变为更加的简便。现场总线技术的产生也使得

现场各个设备之间信息的传递更加的方便和强大。HART 作为其中的一种因为其

本身特有的特点目前受到普遍的欢迎。在标准的 4-20mA 模拟信号上叠加幅值为

正负 0.5mA 的正弦波，因为正弦波幅值平均值为零。所以不会影响模拟量同时

也实现了模拟和数字信号同时传输。因为其开放性的特点以及能够同时兼容模

拟和数字信号，近年来得到快速的发展和应用。

本文是基于对 HART 通信协议的研究，先对温度概念和现场总线技术发展做

了详细的介绍，接着详细的介绍了 HART 的物理层、数据链路层和应用层规范。

在以上内容基础上提出以 24 位高精度 AD、低功耗处理器 MSP430、较新的调制

解调芯片以及 16 位 DA 输出的测温方案。可以将输入是热电阻或热电偶的传感

器信号转换为标准的 4-20mA 信号输送给后级。然后详细对该系统的软件实施进

行了介绍，分为两部分一部分为下位机中主要包括输入数据采集、系统主程

序、温度的数据处理以及 HART 通信程序和系统诊断程序。另一部分为采用

VB.NET 编写的能够对现场 HART 仪表进行组态的桌面应用软件。最后介绍了

HART 通信适配器原理及调试遇到问题和电子产品常见的相关试验。

关键词：温度测量 HART 协议现场总线智能变送器

ABSTRACT

Nowadays the manufacture is experiencing a period of fast development in

China.Amount them ,the need of temperature measurement is becoming more and

more enormous.At the same time,it makes the temperature measurement becomes

more convenient with the rapid development of the microprocessor,integrated

chip,automatic control and the progress of technological.The production of the field

bus makes the communication between field devices more powerful and easier.HART

communication protocol as one of them is widely welcomed because of the features

of its openness and the compatibility of analog and digital signals.It is in the standard

4-20mA analog signal superimposed on the amplitude of 0.5mA of sine wave

modulation, because the average of the sine waves is zero so it doesn't effect the

analog and digital transmission at the same time.And in recent years the development

and application of HART protocol grows very quickly.

This paper is base on the study of HART communication protocol.to begin

with ,the concept of temperature and field bus technology has carried on the detailed

introduction,then detailed introduces the physical layer, data link layer and

application layer specification. On the basis of the above content is put forward a

temperature measurement solution that uses 24 high precision AD converter, ultra low

power consumption microprocessor MSP430,a new hart modem chip and 16-bits DA

output.The input can be the thermal resistance or thermocouple sensor signal.They all

could convert to a standard 4-20mA current to delivery. Thirdly, make some more

details on the implementation of the system software.This part is divided into two

aspects,one mainly includes data acquisition,main system program,temperature data

processing,HART communication program and system diagnostics.Another aspect

introduce the PC hart configurationsoftware which is implemented by

VB.NET.Finally introduces the principle of HART communication adapter and

common debugging problems and some electronics relate test.

Key Word：Temperature measurement, HART protocol, Field bus,

Intelligent transducer

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ..................................................... 1

1.1 课题背景综述 ................................................ 1

1.1.1 温度概念形成 ............................................1

1.1.2 温标 ....................................................2

1.1.3 温度测量方式 ............................................2

1.2 国内外技术现状及发展趋势 .................................... 3

1.3 课题目的和意义 .............................................. 4

1.4 本章小结 .................................................... 5

第二章现场总线通信技术 ......................................... 6

2.1 总线通信技术介绍 ............................................ 6

2.2 几种现场总线的介绍 .......................................... 6

2.2.1 Profibus 协议 ...........................................6

2.2.2 Lonworks 总线 ...........................................6

2.2.3 CAN 总线 ................................................7

2.2.4 HART 协议 ...............................................7

2.2.5 FF 协议 .................................................7

2.3 现场总线的比较 .............................................. 8

2.4 本章小结 .................................................... 8

第三章 HART 协议介绍 ........................................... 9

3.1 HART 协议概述 .............................................. 9

3.2 HART 协议物理层规范 ........................................ 9

3.2.1 传输信号 .............................................. 10

3.2.2 传输介质 .............................................. 11

3.2.3 传输波形 .............................................. 11

3.3 HART 数据链路层 ........................................... 11

3.3.1 设备类型 .............................................. 11

3.3.2 帧格式 ................................................ 12

3.3.3 数据帧传输实例 ........................................ 16

3.4 HART 应用层 ............................................... 17

3.4.1 通用命令（Universal Command） ......................... 17

3.4.2 常用命令（Common Practice Command） .................. 18

3.4.2 设备专用命令（Device-specific Command） .............. 19

3.5 HART 通信方式 ............................................. 19

3.6 本章小结 ................................................... 19

第四章 HART 温度变送器硬件设计 ................................ 20

4.1 系统整体方案设计 ...........................................20

4.2 整体电源模块 ...............................................20

4.3 前端传感器输入部分原理 .....................................21

4.3.1AD 转换处理 .............................................21

4.3.2 输入为热电阻 ...........................................21

4.3.3 输入为热电偶 ...........................................23

4.4 HART 波形产生模块 ......................................... 24

4.5 电流环 HART 信号输出 ...................................... 27

4.5.1 模数转换芯片特性 ...................................... 28

4.5.2 与电源连接方式 ........................................ 29

4.5.3 与微处理处理器连接方式 ................................ 30

4.6 数据存储 ...................................................30

4.7 低功耗设计 .................................................30

4.8 本章小结 ...................................................31

第五章 HART 温度变送器软件设计 ................................ 32

5.1 系统软件结构 ...............................................32

5.2 主要软件原理 ...............................................32

5.2.1 输入数据采集程序 ...................................... 32

5.2.2 系统后级主程序 ........................................ 33

5.2.3 温度计算处理程序 ...................................... 33

5.2.4 HART 通信处理程序 ......................................34

5.2.5 电流环输出 ............................................ 35

5.2.6 系统诊断程序 .......................................... 36

5.3 HART 上位机软件 ........................................... 36

5.3.1 上位机程序主要程序 .....................................37

5.3.2 软件使用情况 ...........................................41

5.4 本章小结 ................................................... 42

第六章 HART 通信下载适配器 .................................... 43

6.1 通信适配器原理 ............................................. 43

6.2 通信适配器 PCB 板 .......................................... 46

6.3 调试过程遇到的问题 ......................................... 46

6.4 本章小节 ................................................... 46

第七章系统测试试验 ............................................ 47

7.1 可靠性实验意义 ............................................. 47

7.2 可靠性实施方法 ............................................. 47

7.2.1 元器件选用与降额设计 ...................................47

7.2.2 温湿度设计 .............................................48

7.2.3 电磁兼容性设计 .........................................48

7.2.4 漂移设计 ...............................................49

7.3 电子产品常见试验 ........................................... 49

7.3.1 电快速瞬变脉冲群抗扰度 .................................49

7.3.2 静电放电抗扰度 .........................................49

7.3.3 浪涌抗扰度 .............................................50

7.3.4 电气间隙爬电距离 .......................................50

7.3.5 串模干扰和共模干扰 .....................................50

7.4 本章小节 ................................................... 51

总结展望 ........................................................ 52

参考文献 ........................................................ 53

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .................. 56

致谢 ............................................................ 57

错误！未定义样式。

第一章绪论

1.1 课题背景综述

温度是我们日常生活中经常遇到和经常使用到的名词，同时也是热学中一个

相当重要的概念，同样在工业生产过程中温度也是一个相当重要技术指标。在工

业生产中，对温度的检测和控制通常都会直接影响着生产的安全、质量、效率和

能源的节约[1]。所谓物体的冷热乃是人们感觉到的一种现象，从微观上看，温度

是物体内部分子无规则运动剧烈程度的标志[2]。

也可以说温度这个物理量时时刻刻影响着工农业生产和人们的生活。如在生

活中人们最直观的感受是天气的温度，温度在一年当中的冬季和夏季存在着明显

的差异。天气热了人们穿较少的衣服，天气转凉人们需要增加衣服保暖。又在工

业生产中一些工艺的要求如某些化学反应就要求温度在某特定的范围内产品的质

量才合格等等。

1.1.1 温度概念形成

温度概念的形成经历了一个漫长的过程。公元 2世纪，古希腊医生伽林

（Galen）引入了热的 4个阶梯称为 4个度，对冷也引入了 4个度。在他的标度上

还用零度表示人体的正常温态。公元 9世纪，伊斯兰医生阿尔肯迪对药物建立热

度和冷度的客观测量标准的问题。一直到 17 世纪伽利略第一个发明了可称为温

度计的仪器。他是用气体的性质来测量冷热程度，后来人们又把气体改变成为液

体。早期的一些温度计都没有提出选取温度固定点的问题。1693 年意大利人

C.Renaldini 提出用正在融化的冰和沸腾的水作为两个固定点。同年英国人

Edmund Halley 在实验室中尝试用水银作为测温物质，华伦海托改良了水银温度

计，并定了华氏温标。自此温度的测量才有了一个共同的标准。为了使固定点更

为准确，改为以冰水混合物的温度为 32 度，而水沸腾的温度为 212 度。1742 年

瑞典人摄耳修斯选择了另一标准，他选择水的冰点为零度而沸点为 100 度，这就

是我们今天公认的摄氏温度的由来。

从分子物理学角度来说温度的定义就是分子平均动能的大小，即分子的无规

则运动的剧烈程度。在热力学中有热力学第零定律，取三个热力学的系统用第二

个系统前后连接第一和第三个系统，但第一第三系统是互相隔离开的，经过一段

时间后，三者都达到了热平衡。由此可以知道：如果热力学系统都分别于第三个

热力学系统处于热平衡，则它们彼此间也处于热平衡[3]。而由这一结论还可以得

知处于同一热平衡状态的所有物体都具有某一共同的宏观性质，而这种性质的表

征就是温度。

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摘要我国目前处于快速发展时期，工业发展较为迅猛。其中对温度测量的需求量也越来越多。与此同时现在微处理器、集成芯片和自动控制技术的快速发展及科技的进步，使得温度的测量变为更加的简便。现场总线技术的产生也使得现场各个设备之间信息的传递更加的方便和强大。HART作为其中的一种因为其本身特有的特点目前受到普遍的欢迎。在标准的4-20mA模拟信号上叠加幅值为正负0.5mA的正弦波，因为正弦波幅值平均值为零。所以不会影响模拟量同时也实现了模拟和数字信号同时传输。因为其开放性的特点以及能够同时兼容模拟和数字信号，近年来得到快速的发展和应用。本文是基于对HART通信协议的研究，先对温度概念和现场总线技术发展做...

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