一种主从可配置的Hart接口电路
技术领域
本实用新型涉及通信接口技术领域，尤其涉及一种主从可配置的Hart接口电路。
背景技术
原来的老式模拟变送器逐渐退出了历史舞台，取而代之是以微控制器为数据处理和控制核心的智能变送器。智能变送器扩展了模拟变送器的功能，不仅提高了测量精度和工作可靠性，还可以很容易地实现线性化处理、温度补偿、自动零点和量程调整及数字通信等功能。
由于工业现场使用4～20mA标准的变送器仍大量存在，考虑到与标准模拟信号的兼容性，美国Rosemount公司提出了HART通信协议。目前，HART协议己成为全球应用最为广泛的现场通信协议之一。
目前，现有的基于HART调制解调器电路设计相当复杂，且根据应用需求基本上是采用从模式的智能变送器较多。但是，若遇到需要对现场执行器通过4-20mA进行控制并可以配置控制参数的要求，这就要额外采用HART主模式接口电路。
发明内容
基于此，为解决在现有技术存在的不足，特提出了一种主从可配置的hart接口电路。
一种主从可配置的Hart接口电路，其特征在于，包括：Hart从模式电路、Hart主模式电路、Hart信号滤波电路、Hart调制解调器、主控器以及电源电路；其中所述Hart从模式电路，其一端电连接Hart从终端的接线端，另一端电连接Hart调制解调器；所述Hart主模式电路，其一端电连接Hart主终端的接线端，另一端电连接Hart调制解调器；所述Hart信号滤波电路与所述Hart调制解调器电连接；所述Hart调制解调器电连接所述主控器。
可选的，在其中一个实施例中，所述Hart调制解调器与主控器之间通过UART接口以及SPI接口实现连接。
可选的，在其中一个实施例中，所述Hart信号滤波电路采用带通滤波器。
可选的，在其中一个实施例中，所述Hart调制解调器采用NCN5193 CMOS调制解调器。
可选的，在其中一个实施例中，所述Hart主模式电路包括：第一电阻R16、第二电阻R17、第三电阻R18、第四电阻R19、第五电阻R20、第六电阻R21、第七电阻R22、第一PNP晶体管Q2、第一模拟开关U2、第一电容C8、第二电容C9、第一运算放大器AS2A；其中，所述第一电阻R16一端连接RTS引脚，另一端连接第一PNP晶体管Q2的基极；所述第一PNP晶体管Q2的发射极连接电源，集电极连接第一运算放大器AS2A的同相输入端；所述第二电阻R17一端连接第一PNP晶体管Q2的集电极，另一端接地；所述第五电阻R20一端连接ARTF引脚，另一端连接第一运算放大器AS2A的同相输入端；所述第一运算放大器AS2A的反相输入端接地，其输出端连接第一模拟开关U2的动端；第一模拟开关U2其中一个不动端经由第一电容C8连接Hart主终端的LOOP+接线端，另一不动端连接第一PNP晶体管Q2的集电极；所述第三电阻R18一端连接ADC引脚，另一端连接Hart主终端的LOOP+接线端；所述第四电阻R19一端连接所述第三电阻R18，另一端连接Hart主终端的LOOP-接线端；所述第六电阻R21一端经由第七电阻R22连接T×AM引脚；所述第二电容C9一端连接所述第一运算放大器AS2A的输出端，另一端连接所述第一运算放大器AS2A的反相输入端。
可选的，在其中一个实施例中，所述Hart从模式电路包括第八电阻R9、第九电阻R10、第十电阻R11、第十一电阻R12、第十二电阻R13、第十三电阻R14、第十四电阻R15、第一NPN晶体管Q1、第三电容C5、第四电容C6、第五电容C7以及第二运算放大器AS1A；其中，所述第八电阻R9一端经由所述第三电容C5连接T×AS引脚，另一端连接第二运算放大器AS1A的同相输入端；所述第二运算放大器AS1A的输出端连接第一NPN晶体管Q1的基极，其同相输入端连接电源，反相输入端接地；所述第一NPN晶体管Q1的集电极连接Hart从终端的LOOP+接线端，其发射极经由第十电阻R11和第十一电阻R12连接Hart从终端的LOOP-接线端；所述第十电阻R11一端连接所述第一NPN晶体管Q1的发射极，另一端连接第十一电阻R12；所述第十一电阻R12一端接地，另一端连接Hart从终端的LOOP-接线端；所述第四电容C6一端连接第二运算放大器AS1A的反相输入端，另一端连接第二运算放大器AS1A的输出端；所述第九电阻R10一端连接第二运算放大器AS1A的反相输入端，另一端经由第十二电阻R13连接Hart从终端的LOOP-接线端；所述第十三电阻R14一端连接DAC引脚，另一端连接第十四电阻R15，所述第十四电阻R15另一端连接第十二电阻R13；所述第五电容C7一端分别连接所述第十三电阻R14与第十四电阻R15，另一端接地。
可选的，在其中一个实施例中，所述Hart接口电路还包括Hart主从模式配置电路。
实施本实用新型实施例，将具有如下有益效果：
本实用新型设计主从模式可以切换配置的Hart接口电路，其在从模式下能够变送输出所需的电流环，在主模式下可以接受控制系统发送来的电流信号并用于控制，而且还可以对电流环上的Hart载波信号进行调制与解调进而为用户扩大了产品应用范围；同时其还可以通过MCU的SPI接口能够设置Hart调制解调芯片的时钟、模拟量输出、工作方式，通过UART接口可以完成与现场设备的Hart通信。总而言之，本实用新型可以根据需求灵活配置对应的的接口电路，实现与工业现场总线的数字通讯；同时还可以简化工程人员的产品设计，在不增加成本的前提下，为用户提供主从可配置的hart接口电路。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
其中：
图1为一个实施例中所述Hart接口电路的电路原理图；
图2为一个实施例中所述Hart主模式电路的电路图；
图3为一个实施例中所述Hart从模式电路的电路图；
图4为一个实施例中所述Hart信号滤波电路的电路图；
图5为一个实施例中所述Hart主从模式配置电路的电路图。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本实用新型。可以理解，本实用新型所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。举例来说，在不脱离本申请的范围的情况下，可以将第一元件称为第二元件，且类似地，可将第二元件为第一元件。第一元件和第二元件两者都是元件，但其不是同一元件。
为了解决现有技术所存在的问题，在本实施例中，特提出了一种主从可配置的Hart接口电路，其可以实现主从模式的配置切换，如在从模式下能够变送输出4-20mA电流环，在主模式下可以接受DCS控制系统发送来的4-20mA电流信号并用于控制，而且还可以对电流环上的Hart载波信号进行调制与解调。基于上述设计原理，如图1，该Hart接口电路包括Hart从模式电路、Hart主模式电路、Hart信号滤波电路、Hart调制解调器、主控器以及低功耗电源电路(图中未示出)；其中所述Hart从模式电路，其一端电连接Hart从终端的接线端，另一端电连接Hart调制解调器；所述Hart主模式电路，其一端电连接Hart主终端的接线端，另一端电连接Hart调制解调器；所述Hart信号滤波电路与所述Hart调制解调器电连接；所述Hart调制解调器电连接所述主控器。
在一些具体的实施例中，所述主控器采用STM32L152RCT6低功耗嵌入式微控制器；STM32L152RCT6为低功耗嵌入式微控制器，其能够接收、发送通讯信号至调制解调器芯片即所述Hart调制解调器，并将采集的传感器信号变换成工程量纲；所述Hart调制解调器采用NCN5193 CMOS调制解调器。对应的工作过程为：低功耗电源电路提供电源(3.0V)供所述主控器与所述Hart调制解调器使用，具体的：在从模式下由传感器信号变换成4-20mA的电流传输至控制室，可以加载主设备(通常为上位机或控制系统)的Hart信号，经NCN5193 CMOS调制解调器转换成标准的RS232通讯信号与STM32L152RCT6为低功耗嵌入式微控制器完成通讯；在主模式下Hart信号加载在控制室输出的用于控制的4-20mA电流环上。
在一些具体的实施例中，所述Hart信号滤波电路采用带通滤波器，以把Hart数字信号与4-20mA信号分离出来。如图4所示，采用典型的Sallen-Key带通滤波器，其运放在NCN5193芯片片内；该滤波器的滤波范围为620Hz至2500Hz，而Hart信号为1200Hz和2400Hz，则其正好可以覆盖信号频率。
在一些具体的实施例中，所述Hart调制解调器与主控器之间通过UART接口以及SPI接口实现连接。
在一些具体的实施例中，如图2，所述主模式Hart接口电路的设计要点：由于需要在3.5mA的小电流下也可以工作，因此需要进行低功耗电路设计；如一方面需要采集4-20mA信号，则可以用125欧姆精密采样电阻R19将信号变换为0.5-2.5V电压信号供主控制器变成数字量进行控制输出；另一方面，还要不断接受Hart命令，在需要响应时发送对应信息；这里使用RTS请求发送信号通过74LVC1G66模拟开关来开启发送电路，达到省电目的等；则基于上述设计目的，具体的Hart主模式电路包括：第一电阻R16、第二电阻R17、第三电阻R18、第四电阻R19、第五电阻R20、第六电阻R21、第七电阻R22、第一PNP晶体管Q2、第一模拟开关U2、第一电容C8、第二电容C9、第一运算放大器AS2A；其中，所述第一电阻R16一端连接RTS引脚，另一端连接第一PNP晶体管Q2的基极；所述第一PNP晶体管Q2的发射极连接电源，集电极连接第一运算放大器AS2A的同相输入端；所述第二电阻R17一端连接第一PNP晶体管Q2的集电极，另一端接地；所述第五电阻R20一端连接ARTF引脚，另一端连接第一运算放大器AS2A的同相输入端；所述第一运算放大器AS2A的反相输入端接地，其输出端连接第一模拟开关U2的动端；第一模拟开关U2其中一个不动端经由第一电容C8连接Hart主终端的LOOP+接线端，另一不动端连接第一PNP晶体管Q2的集电极；所述第三电阻R18一端连接ADC引脚，另一端连接Hart主终端的LOOP+接线端；所述第四电阻R19一端连接所述第三电阻R18，另一端连接Hart主终端的LOOP-接线端；所述第六电阻R21一端经由第七电阻R22连接T×AM引脚；所述第二电容C9一端连接所述第一运算放大器AS2A的输出端，另一端连接所述第一运算放大器AS2A的反相输入端。
在一些具体的实施例中，如图3，所述Hart从模式电路包括第八电阻R9、第九电阻R10、第十电阻R11、第十一电阻R12、第十二电阻R13、第十三电阻R14、第十四电阻R15、第一NPN晶体管Q1、第三电容C5、第四电容C6、第五电容C7以及第二运算放大器AS1A；其中，所述第八电阻R9一端经由所述第三电容C5连接T×AS引脚，另一端连接第二运算放大器AS1A的同相输入端；所述第二运算放大器AS1A的输出端连接第一NPN晶体管Q1的基极，其同相输入端连接电源，反相输入端接地；所述第一NPN晶体管Q1的集电极连接Hart从终端的LOOP+接线端，其发射极经由第十电阻R11和第十一电阻R12连接Hart从终端的LOOP-接线端；所述第十电阻R11一端连接所述第一NPN晶体管Q1的发射极，另一端连接第十一电阻R12；所述第十一电阻R12一端接地，另一端连接Hart从终端的LOOP-接线端；所述第四电容C6一端连接第二运算放大器AS1A的反相输入端，另一端连接第二运算放大器AS1A的输出端；所述第九电阻R10一端连接第二运算放大器AS1A的反相输入端，另一端经由第十二电阻R13连接Hart从终端的LOOP-接线端；所述第十三电阻R14一端连接DAC引脚，另一端连接第十四电阻R15，所述第十四电阻R15另一端连接第十二电阻R13；所述第五电容C7一端分别连接所述第十三电阻R14与第十四电阻R15，另一端接地。该电路可以很好地完成数模转换与Hart信号的叠加，生成与传感信号对应的4-20mA信号。
在一些具体的实施例中，所述Hart接口电路还包括Hart主从模式配置电路，如图5所示，其通过两个跳线帽完成主从模式的配置。单刀双掷模拟开关芯片74LVC1G3157，通过S端选择通道；当Jumper1连接时，S端为低电平，A端与B1端连通，即TxAM连接TxA信号为主模式；反之，当Jumper2连接时，S端为高电平，A端与B2端连通，即TxAS连接TxA信号为从模式。
因此可以说，本实用新型可以根据需求灵活配置对应的的接口电路，实现与工业现场总线的数字通讯；同时还可以简化工程人员的产品设计，在不增加成本的前提下，为用户提供主从可配置的hart接口电路。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
