hart,协议,如何实现模拟信号与数字信号的混合传输.doc

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1、竭诚为您提供优质文档/双击可除 hart,协议,如何实现模拟信号与数字信 号的混合传输 篇一：haRt 和 4-20ma 仪表输出信号为什么选择 4-20ma 电流的原因 仪表输出信号为什么选择 4-20ma 电流的原因？变送器 的传统输出直流电信号有 0-5V、 0-10V、 1-5V、 0-20ma、 4-20ma 等，目前最广泛采用的是用 420ma 电流来传输模拟量。工 业上最广泛采用的是用 420ma 电流来传输模拟量。采用电 流信号的原因是不容易受干扰。并且电流源内阻无穷大，导 线电阻串联在回路中不影响精度，在普通双绞线上可以传输 数百米。上限取 20ma 是因为防爆的要求：20m

2、a 的电流通断 引起的火花能量不足以引燃瓦斯。下限没有取 0ma 的原因是 为了能检测断线：正常工作时不会低于 4ma，当传输线因故 障断路，环路电流降为 0。常取 2ma 作为断线报警值。电流 型变送器将物理量转换成 420ma 电流输出，必然要有外电 源为其供电。最典型的是变送器需要两根电源线，加上两根 123 电流输出线， 总共要接 4 根线， 称之为四线制变送器。 当然， 电流输出可以与电源公用一根线（公用 Vcc 或者 gnd） 可节 ，省一根线，称之为三线制变送器。其实大家可能注意到， 4-20ma 电流本身就可以为变送器供电，如图 1c 所示。变送 器在电路中相当于一个特殊的负载

3、，特殊之处在于变送器的 耗电电流在 420ma 之间根据传感器输出而变化。显示仪表 只需要串在电路中即可。这种变送器只需外接 2 根线，因而 被称为两线制变送器。工业电流环标准下限为 4ma，因此只 要在量程范围内，变送器至少有 4ma 供电。这使得两线制传 感器的设计成为可能。在工业应用中，测量点一般在现场， 而显示设备或者控制设备一般都在控制室或控制柜上。两者 之间距离可能数十至数百米。按一百米距离计算，省去2 根 导线意味着成本降低近百元！因此在实际使用中两线制传感 器得到越来越多的应用。 仪表输出信号为什么选择 4-20ma 电流的原因： 远传信号用电流源优于电压源的原因：因为现场与控

4、制 室之间的距离较远，连接电线的电阻较大时，如果用电压源 信号远传，由于电线电阻与接收仪表输入电阻的分压，将产 生较大的误差，而用恒电流源信号作为远传，只要传送回路 不出现分支，回路中的电流就不会随电线长短而改变，从而 保证了传送的精度。 信号最大电流选择 20ma 的原因：最大电流 20ma 的选择 223 是基于:安全、实用、功耗、成本的考虑。安全火花仪表只 能采用低电压、低电流；综合考虑生产现场仪表之间的连接 距离，所带负载等因素；还有就是功耗及成本问题，对电子 元件的要求,供电功率的要求等因素。 信号起点电流选择 4ma 的原因：4-20ma 变送器两线制的 居多，两线制即电源、负载串

5、联在一起，有一公共点，而现 场变送器与控制室仪表之间的信号联络及供电仅用两根电 线。为什么起点信号不是 0ma 这是基于两点:1变送器电路 没有静态工作电流将无法工作，信号起点电流 4ma.dc 就是 变送器的静态工作电流。 2同时仪表电气零点为 4ma.dc，不与机械零点重合， 这种活零点有利于识别断电和断线等故障。 什么是 4-20ma？一般仪器仪表的信号电流都为 4-20ma， 指最小电流为 4ma,最大电流为 20ma。传输信号时候，要考 虑到导线上也有电阻，如果用电压传输则会在导线的产生一 定的压降，那接收端的信号就会产生一定的误差了！所以使 用电流信号作为变送器的标准传输！双绞线特

6、性阻抗是 50 欧姆左右，相隔 1cm 宽的 0.2 平方毫米的导线特性阻抗 300 欧姆左右，所以负载电阻选择 50-300 欧姆比较理想，为了 ad 转换方便，负载电阻上的信号最大量程值一般 5-10V 比较 合适，那么权衡所有，负载电阻 250 欧姆，电流 20ma，负载 压降 5V 比较满意。那么为什么选择 4-20ma 而不是 0-20ma 323 呢？为了减少接线的复杂性，传感器选择 2 线要比多线简单 的多，2 线既要传输信号，又要给传感器供电，所以设计者 从中盗窃 4ma 电流给传感器放大电路供电，这样 4-20ma 的 标准就确定了。 4-20ma 输出如何转换成 15V 模

7、拟电压信号 发布时间：20xx-4-510:24:41 4-20ma 输出如何转换成 15V 模拟电压信号,我们先来 说一说什么是两线制，它是指现场变送器与控制室仪表联系 仅用两根导线，这两根线既是电源线，又是信号线。两线制 与三线制(一根正电源线，两根信号线,其中一根共 gnd)和四 线制(两根正负电源线，两根信号线,其中一根 gnd)相比，两 线制的优点是：1.不易受寄生热电偶和沿电线电阻压降和温 漂的影响，可用非常便宜的更细的导线；可节省大量电缆线 和安装费用；2.在电流源输出电阻足够大时，经磁场耦合感 应到导线环路内的电压，不会产生显著影响，因为干扰源引 起的电流极小，一般利用双绞线就

8、能降低干扰；两线制与三 线制必须用屏蔽线,屏蔽线的屏蔽层要妥善接地。3.电容性 干扰会导致接收器电阻有关误差， 对于 420ma 两线制环路， 接收器电阻通常为 250（取样 uout=15V）这个电阻小到 不足以产生显著误差，因此，可以允许的电线长度比电压遥 测系统更长更远；4.各个单台示读装置或记录装置可以在电 线长度不等的不同通道间进行换接，不因电线长度的不等而 423 造成精度的差异，实现分散采集，分散式采集的好处就是： 分散采集，集中控制.5、将 4ma 用于零电平，使判断开 路与短路或传感器损坏（0ma 状态）十分方便。6,在两线输 出口非常容易增设一两只防雷防浪涌器件,有利于安全

9、防雷 防爆。 4-20ma 输出如何转换成 15V 模拟电压信号:两线制电 流变送器的输出为 420ma，通过 250的精密电阻转换成 15V 或 2-10V 的模拟电压信号.转换成数字信号有多种方法， 如果系统是在环境较为恶劣的工业现场长期使用，因此需考 虑硬件系统工作的安全性和可靠性。系统的输入模块采用压 频转换器件 lm31 将模拟电压信号转换成频率信号，用光 电耦合器件 tl117 进行模拟量与数字量的隔离。同时模拟信 号处理电路与数字信号处理电路分别使用两组独立的电源， 模拟地与数字地相互分开，这样可提高系统工作的安全性。 利用压频转换器件 lm231 也有一定的抗高频干扰的作用。

10、三线制和四线制变送器均不具上述优点即将被两线制 变送器所取代，从国外的行业动态及变送器心片供求量即可 略知一斑，电流变送器在使用时要安装在现场设备的动力线 上，而以单片机为核心的监测系统则位于较远离设备现场的 监控室里，两者一般相距几十到几百米甚至更远。设备现场 的环境较为恶劣，强电信号会产生各种电磁干扰，雷电感应 会产生强浪涌脉冲，在这种情况下，单片机应用 523 系统中遇到的一个棘手问题就是如何在恶劣环境下远 距离可靠地传送微小信号。两线制变送器件的出现使这个问 题得到了较好地解决。我们以 dh4-20 变送模块为核心设计 了小型、价廉的穿孔型两线制电流变送器。它具有低失调电 压(30mV

11、)、低电压漂移(0.7mV/c)、超低非线性度 (0.01%)的特点。它把现场设备动力线的电流隔离转换成 420ma 的按线性比例变化的标准电流信号输出，然后通过 一对双绞线送到监测系统的输入接口上，双绞线同时也将位 于监测系统的 24V 工作电源送到电流变送器中。测量信号和 电源在双绞线上同时传送，既省去了昂贵的传输电缆，而且 信号是以电流的形式传输，抗干扰能力得到极大的加强。 haRt（highwayaddressableRemotetransducer） 寻 ，可 址远程传感器高速通道的开放通信协议，是美国 Rosemen 公 司于 1985 年推出的一种用于现场智能仪表和控制室设备之

12、间的通信协议。 haRt 装置提供具有相对低的带宽，适度响应时间的通信， 经过 10 多年的发展，haRt 技术在国外已经十分成熟，并已 成为全球智能仪表的工业标准。haRt 协议采用基于 bell202 标准的 Fsk 频移键控信号，在低频的 4ma20ma 模拟信号上 叠加幅度为 0.5ma 的音频数字信号进行双向数字通讯，数据 传输率为 1.2mbps。由于 Fsk 信号的平均值为 0，不影响传 送给控制系统模拟信号的大小，保证了与现有模拟系统的兼 623 容性。 在 haRt 协议通信中，主要的变量和控制信息由 4ma 20ma 传送，在需要的情况下，另外的测量、过程参数、设备 组态、

13、校准、诊断信息通过 haRt 协议访问。 haRt 通信采用的是半双工的通信方式。haRt 协议参考 iso/osi（开放系统互连模型） ，采用了它的简化三层模型结 构，即第一层物理层，第二层数据链路层和第七层应用层。 第一层：物理层。规定了信号的传输方法、传输介质， 为了实现模拟通信和数字通信同时进行而又互不干扰，haRt 协议采用频移键控技术 Fsk，即在 4ma20ma 模拟信号上迭 加一个频率信号，频率信号采用 be11202 国际标准，数字信 号的传送波特率设定为 1200bps，1200hz 代表逻辑0 ，2200hz 代表逻辑1 ，信号幅值 0.5a，如图 1 所示。 通信介质的

14、选择视传输距离长短而定。通常采用双绞同 轴电缆作为传输介质时，最大传输距离可达到 1500。线路 总阻抗应在 2301100。 第二层：数据链路层。规定了 haRt 帧的格式，实现建 立、维护、终结链路通讯功能。haRt 协议根据冗余检错码信 息，采用自动重复请求发送机制，消除由于线路噪音或其他 干扰引起的数据通讯出错，实现通讯数据无差错传送。 现场仪表要执行 haRt 指令，操作数必须合乎指定的大 小。每个独立的字符包括 1 个起始位、8 个数据位、1 个奇 723 偶校验位和一个停止位。由于数据的有无和长短并不恒定， 所以 haRt 数据的长度也是不一样的，最长的 haRt 数据包含 25

15、 个字节。 第三层： 应用层。 haRt 命令集， 为用于实现 haRt 指令。 命令分为三类，即通用命令、普通命令和专用命令。 二、现场仪表 haRt 协议远程通信硬件设计 某现场仪表的 haRt 协议部分主要完成数字信号到模拟 电流信号的转换，并实现对主要变量和测量、过程参数、设 备组态、校准及诊断信息的访问。图 2 是 haRt 协议通信模 块结构设计框图。 haRt 通信部分主要由 d/a 转换和 bell202modem 及其附 属电路来实现。其中，d/a 变换作用是直接将数字信号转换 成 4ma20ma 电流输出，以输出主要的变量。bell202modem 及其附属电路的作用是对叠加在 4ma20ma 环路上的信号进 行带通滤波放大后，haRt 通信单元如果检测到 Fsk 频移键控 信号，则由 bell202modem 将 1200hz 的信号解调为1 ，2200hz 信号解调为0的数字信号，通过串口通信交 mcu， mcu 接收命令帧，作相应的数据处理。然