傳統變送器的HART改造2

3    【v錐流量計相關變送器】傳統變送器的HART改造

典型HART智能儀表的電路組成一般包括電源模塊、傳感器接口電路、A/D轉換電路、MCU、D/A輸出電路和HART通信電路等，如圖1所示。

             圖1 HART智能儀表電路結構示意圖

電源模塊的功能是將環路24V電壓轉換為儀表各部分工作所需要的供電電壓；傳感器接口用于向傳感器提供激勵，并將傳感器的輸出信號引入到A/D轉換器的模擬輸入接口；A/D轉換部分將此模擬信號轉換為數字量供MCU使用；存儲器中可以存放各種組態信息、特征化數據等；D/A輸出部分完成電壓到環路電流的轉換；HART通信模塊用于HART協議物理層的實現；單片機（MCU）則是整個智能儀表的核心，具有協調其余部分的運行，完成運算、HART數據鏈路層、HART應用層等功能。

一個完整的工作過程通常為：首先將傳感器輸入的模擬信號轉換為微處理器可以處理的數字信號；根據此數字信號和生產過程中獲得的組態信息、特征化數據等，計算出相應的過程變量和以數字表示的模擬輸出量；再經過D/A變換，將此模擬量輸出到4~20mA回路上。從這個工作過程可以看出，影響HART變送器精度的兩個關鍵部分分別是A/D轉換和D/A轉換。

下面以常用的1151壓力變送器舉例說明應該如何選擇合適的A/D和D/A轉換芯片。假設要求儀表的數字精度達到0.1％、量程壓縮比優于6∶1，那么A/D轉換芯片的精度至少要達到0.017%F.S(全量程)。實際上，考慮到分辨率至少要有所需精度4倍的裕量，所以，A/D的分辨率應該達到0.017％F.S，這就要求15位以上的分辨率。常用于智能變送器的低功耗A/D轉換器包括AD7715、MAX1400、LTC2415等，這些A/D轉換器的特點是分辨率高、功耗低，內部集成了可編程增益放大器。

HART變送器還有一個很重要的部分就是電流輸出。對電流源的要求包括輸出精度和溫度穩定性。4~20mA輸出的變送器其報警電流通常設計為小于3.9mA（低報警模式）或者大于21mA（高報警模式），以區別正常工作狀態和異常工作狀態（報警狀態時，電流值取決于選擇的報警設置而不是當前的實際壓力值）。考慮到裕量，其有效電流輸出范圍至少為20mA。如果我們選擇分辨率為12位的D/A，可以容易地計算出其分辨率為4.9 （即D/A輸出位的變化影響量為49 ），這樣的分辨率在某些應用上是不允許的。為了保證足夠的分辨率，通常應該選擇分辨率不小于14位的D/A轉換器。

通常采用以下兩種方式之一實現可控電流輸出控制：一種是使用D/A轉換芯片輸出希望的電壓，然后使用模擬電路以此電壓信號控制回路電流的輸出；另一種是采用集成的電流輸出控制芯片，如AD21等。如果選擇種方式，由于在進行電壓/電流轉換過程中需要利用一些分立的電阻、電容等器件，所以其可靠性較低。這些分立電阻、電容等器件的溫度漂移也將直接影響回路電流的輸出。采用集成的電流輸出控制芯片則可以達到非常高的電流精度，溫度漂移也比較小。

現在市場上出現了一些低成本的HART協議智能板，在使用這些智能板構成的變送器測試時發現存在著許多問題，比較突出的有以下幾個方面：

①【。由于方波在傳輸過程中容易受到干擾，也容易對與其連接的其它設備造成干擾，因此不能可靠通信。并且板卡的通信阻抗、噪聲靈敏度和通信載波等指標一般達不到HART物理層協議規定的標準，所以不能通過HART通信物理層的測試。如果將多個儀表接入同一個電流回路中，有可能導致從設備和主設備等設備之間相互干擾而不能正常通信。

②智能板卡只能對第二主設備響應，不支持主設備。這意味著這些儀表只能對手持器進行響應，而不能和通常作為主設備的計算機或控制室設備正常通信，數據鏈路層不能通過HART基金會測試。如果采用這些板卡生產的儀表組網，則由于其在數據鏈路層和物理層不符合HART協議的要求，所以存在通信不可靠等危險。

③為了降低智能板卡成本，采用了12位的D/A和模擬電路方式，其電流輸出的精度和溫度穩定性往往不能得到很好的保證。

目前每個廠家單獨開發智能板卡在經濟上和時間上都不具備優勢，所以大都采取合作的方式共同生產。此時HART板卡的質量、售后服務等對變送器的可靠性尤為重要。如果只考慮到眼前的價格因素而忽略板卡質量，這對于儀表廠商往往是得不償失的。因此，在對傳統的模擬儀表進行HART改造時，一定要根據自己的需求，綜合考慮性能、成本等因素，選擇合適的智能板卡。