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1. 研究目的与意义及国内外研究现状

hart 协议是目前应用最多的工业现场总线通信协议，这种通信协议被普遍接受的原因在于它与传统两线制变送器的兼容性。hart 协议仪表的基本测量信号仍然是4-20ma 的标准信号，以确保这种仪表可与传统控制设备相连接。尽管hart协议是一种过渡性的协议，但使用hart协议仪表的应用开发速度十分迅猛，应用也比较广泛，采用hart协议的全球智能变送器在市场占有率达70%以上。因此，随着信息技术的发展，利用新器件，新技术研究基于hart协议的通信技术对促进自动化仪表的发展具有重要的意义。

国内外研究现状

现场总线式当今自动化领域技术发展发的热点之一，它的出现，标志着工业控制技术又一新时代的开始。hart协议正是适应这种发展而产生的，作为一种过渡性的协议，hart 协议已被认为是智能仪表数字通信“事实上”的工业标准，它可称得上是一种过渡时期的协议，同时兼容数字信号和模拟信号，在它出现之后的时间里获得了广泛的应用。

尽管hart协议是一种过渡性的协议，只是现场总线的一种，但hart协议仪表的应用开发速度十分迅猛，应用也比较广泛。国际上很多公司都使用了该协议，采用hart协议的全球智能变送器在市场占有率达70%以上。根据有关报告指出，截止到2008年，全球总共有590万台现场设备，其中hart设备就达235万台，占到全部现场设备的46%左右。hart协议智能变送器在国际上的销售量仍在不断增加，而我国国内的情况远不及国外。这是由于我国工业现场中模拟仪表的使用仍占主要地位，相比国外而言，国内的数字仪表的更新速度就比较缓慢，所以带有hart通信协议的智能仪表在我国市场仍有很好的前景。

2. 研究的基本内容

（1）研究4ma至20ma数模转换器ad5421、hart调制解调器ad5700、低功耗精密模拟微控制器aducm360的实验电路

（2）研究基于ad5421、ad5700、aducm360的通信控制器的硬件设计

（3）研究通信控制器的软件程序设计

3. 实施方案、进度安排及预期效果

4.1实施方案

4.1.1 HART协议简介

通过HART协议连接的现场设备之间可以传递测量、过程参数、设备组态、校准及诊断信息，并且在HART仪表上显示。HART协议采用Bell202通信标准的FSK频移键控技术，传输速率为1200波特每秒。在2FSK中，载波的频率变化随二进制基带信号在f1

e2FSK(t)=Acos(2πf1t φn)发送逻辑1时Bsin(2πf2t θn)发送逻辑0时

FSK频移键控技术就是利用载波频率的变化来传递数字信息的。当工作在调制模式下输入频率为1时，输出调制为频率1200Hz的正弦波，当输入为0时，输出调制为频率2200Hz的正弦波。当工作在解调模式下，输入频率为1200Hz时输出解调1，当输入为2200Hz时输出解调0。这两个频率可以非常容易地叠加到模拟电流环信号上，不会影响其他信号。

4.1.2系统设计方案

系统设计的主要任务是HART通信控制器的设计，HART通信控制器的任务主要是在模拟信号的基础上实现数字信号的传输与通信。在设计时，考虑到系统的工作特征，现场仪表由仪表和HART通信控制器组成，即现场仪表系统（主板）和 HART协议通信系统（通信板）。从功能的角度看，主板主要负责过程数据的采集和处理；通信板主要负责通过 HART 协议与上位机进行通信。在实际应用中，主板可以是各种采用 4～20m A 信号标准的现场仪表，如流量计、温度计、压力计等。通信板则是作为主板的一种 HART 协议通信扩展组件，通过挂接在原设备上实现功能。 主板在没有通信板接入的情况下可以单独工作，此时它只能通过 4～20m A 电流环路向上位机单向传送一个模拟变量。而通信板的接入为主板提供了 HART 协议数字信号双向通信的功能。这样不仅可以显著提高电流环路上的数据传输能力，而且还可以通过上位机来读取更多的过程数据和配置现场仪表，从而实现了现场总线的大部分功能。采用分为通信板和主板两个子系统的“模块化”设计，以及在通信板与主板之间通过预先定义的“标准接口”来完成数据传递，可以使一种通信板设计方案广泛的适用于多种现场仪表，并且在针对原有设备的改造中可以最大程度的保留原有设计，有效降低了设计难度和成本。

4.1.3

从 HART 协议分层模型的角度看，硬件设计主要是对协议规范中物理层的实现.作为协议的最底层，物理层实现的结果将直接影响整个设备的工作情况，所以显得至关重要。作为硬件电路的总体设计，需要考虑到整个电路的功耗，供电方式，信号质量等多方面的要求。

由于现场仪表系统采用电流环路供电的方式，为兼容 4～20m A 模拟电流信号，必需将整个系统（包括通信板和主板）的供电需求限制在 4 m A 以下。在实际应用中，由于数字信号为0.5m A 的频移键控信号（FSK）叠加在 4～20m A 电流环上。虽然数字信号的平均电流为 0，但环路上电流瞬时最大值 I=4.5m A，最小值 I=3.5m A，如果向系统供电超过 3.5m A，将导致数字信号负半周失真。考虑到调节量所需的余量，因此要求提供给系统的最大供电电流不能超过 3.4m A。 为了降低系统功耗，提高信号质量和系统稳定性，在本设计中尽可能采用高集成度的芯片来实现功能。微控制器采用ADI 公司的 ADuCM360，特别适合对成

本、功耗、线路板空间有限制而又要求高性能、高可靠性的应用。4～20mA 电流环模块采用美国 ADI 公司的 AD5421 来实现。同时，AD5421 也是整个系统的供电模块，它从电流环路上获取电流，通过内部电压调整器与外部的场效应管输出电压，为其它芯片供电。AD5421 的应用极大的减少了系统元器件数量，为系统的稳定性和低功耗设计提供了很大的保证。ADI 公司的AD5700 是针对 HART 协议要求设计的 HART 信号调制解调芯片，提高了集成度，只需少量的外围器件就可实现功能。系统的硬件设计框图见图4.1 。

图4.1 硬件设计框图

4.2进度安排

（1）2019.02.25-2019.03.28：查阅资料，完成开题报告；

（2）2019.03.29-2019.04.10：查找资料，完成文献翻译；

（3）2019.04.10-2019.04.15：完成数模转换器AD5421、调制解调器AD5700、微控制器ADuCM360的实验电路；

（4）2019.04.16-2019.04.20：完成通信控制器的硬件设计；

（5）2019.04.20-2019.04.24：完成通信控制器的软件程序设计；

（6）2019.04.25-2019.04.30：完成通信控制器的系统调试；

（7）2019.05.01-2017.05.20：撰写毕业论文，指导老师检阅，准备答辩；

5、预期效果

系统运行，可在4 mA至20 mA模拟电流信号之上调制一个1 mA峰峰值频移键控(FSK)信号。它可实现众多功能，例如远程校准、故障查询和过程变量传输；这些功能在诸如温度和压力控制等应用中是需要利用的。

4. 参考文献

【1】基于智能流量仪表的hart通信模块设计【j】.黄绍峰，尹俭，曹毅清.仪表技术.2015（09）

【2】hart通信协议在智能化仪表中的研究与应用【j】.崔巍，朱迎春.中国仪器仪表2006（11）

【3】hart协议简介及hart智能仪表的组成原理【j】.马小永，汪宝兵.仪表技术与传感器.2002（04）