采用HART協(xié)議實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)儀表的通信軟硬件設(shè)計(jì)

1 、HART協(xié)議簡(jiǎn)介

HART（Highway Addressable Remote Transducer），可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道的開放通信協(xié)議，是美國(guó)Rosemen公司于1985年推出的一種用于現(xiàn)場(chǎng)智能儀表和控制室設(shè)備之間的通信協(xié)議。

HART裝置提供具有相對(duì)低的帶寬，適度響應(yīng)時(shí)間的通信，經(jīng)過(guò)10多年的發(fā)展，HART技術(shù)在國(guó)外已經(jīng)十分成熟，并已成為全球智能儀表的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

HART協(xié)議采用基于Bell202標(biāo)準(zhǔn)的FSK頻移鍵控信號(hào)，在低頻的 4～20mA模擬信號(hào)上疊加幅度為0.5mA的音頻數(shù)字信號(hào)進(jìn)行雙向數(shù)字通訊，數(shù)據(jù)傳輸率為1.2Mbps。由于FSK信號(hào)的平均值為0，不影響傳送給控制系統(tǒng)模擬信號(hào)的大小，保證了與現(xiàn)有模擬系統(tǒng)的兼容性。

在HART協(xié)議通信中，主要的變量和控制信息由4～20mA傳送，在需要的情況下，另外的測(cè)量、過(guò)程參數(shù)、設(shè)備組態(tài)、校準(zhǔn)、診斷信息通過(guò)HART協(xié)議訪問(wèn)。

HART通信采用的是半雙工的通信方式。

HART協(xié)議參考 ISO/OSI（開放系統(tǒng)互連模型 ），采用了它的簡(jiǎn)化三層模型結(jié)構(gòu)，即第一層物理層，第二層數(shù)據(jù)鏈路層和第七層應(yīng)用層。

第一層：物理層。規(guī)定了信號(hào)的傳輸方法、傳輸介質(zhì)，為了實(shí)現(xiàn)模擬通信和數(shù)字通信同時(shí)進(jìn)行而又互不干擾，HART協(xié)議采用頻移鍵控技術(shù) FSK，即在4～20mA模擬信號(hào)上迭加一個(gè)頻率信號(hào)，頻率信號(hào)采用 Be11202國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)字信號(hào)的傳送波特率設(shè)定為 1200bps，1200Hz代表邏輯“0”，2200Hz代表邏輯“1”，信號(hào)幅值0.5A，如圖 1所示。

通信介質(zhì)的選擇視傳輸距離長(zhǎng)短而定。通常采用雙絞同軸電纜作為傳輸介質(zhì)時(shí)，最大傳輸距離可達(dá)到1500ｍ。線路總阻抗應(yīng)在230～1100Ω之間。

第二層：數(shù)據(jù)鏈路層。規(guī)定了HART幀的格式，實(shí)現(xiàn)建立、維護(hù)、終結(jié)鏈路通訊功能。HART協(xié)議根據(jù)冗余檢錯(cuò)碼信息，采用自動(dòng)重復(fù)請(qǐng)求發(fā)送機(jī)制，消除由于線路噪音或其他干擾引起的數(shù)據(jù)通訊出錯(cuò)，實(shí)現(xiàn)通訊數(shù)據(jù)無(wú)差錯(cuò)傳送。

現(xiàn)場(chǎng)儀表要執(zhí)行HART指令，操作數(shù)必須合乎指定的大小。每個(gè)獨(dú)立的字符包括1個(gè)起始位、8個(gè)數(shù)據(jù)位、1個(gè)奇偶校驗(yàn)位和一個(gè)停止位。由于數(shù)據(jù)的有無(wú)和長(zhǎng)短并不恒定，所以HART數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度也是不一樣的，最長(zhǎng)的HART數(shù)據(jù)包含25個(gè)字節(jié)。

第七層：應(yīng)用層。為HART命令集，用于實(shí)現(xiàn) HART指令。命令分為三類，即通用命令、普通命令和專用命令。

2 、現(xiàn)場(chǎng)儀表HART協(xié)議遠(yuǎn)程通信硬件設(shè)計(jì)

某現(xiàn)場(chǎng)儀表的HART協(xié)議部分主要完成數(shù)字信號(hào)到模擬電流信號(hào)的轉(zhuǎn)換，并實(shí)現(xiàn)對(duì)主要變量和測(cè)量、過(guò)程參數(shù)、設(shè)備組態(tài)、校準(zhǔn)及診斷信息的訪問(wèn)。圖2是HART協(xié)議通信模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖。

HART通信部分主要由D/A轉(zhuǎn)換和Bell202 MODEM及其附屬電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。其中，D/A變換作用是直接將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成4～20mA電流輸出，以輸出主要的變量。Bell202 MODEM及其附屬電路的作用是對(duì)疊加在4～20mA環(huán)路上的信號(hào)進(jìn)行帶通濾波放大后，HART通信單元如果檢測(cè)到FSK頻移鍵控信號(hào)，則由 Bell202 MODEM將1200Hz的信號(hào)解調(diào)為“1”，2200Hz信號(hào)解調(diào)為“0”的數(shù)字信號(hào)，通過(guò)串口通信交MCU，MCU接收命令幀，作相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。然后，MCU產(chǎn)生要發(fā)回的應(yīng)答幀，應(yīng)答幀的數(shù)字信號(hào)由MODEM調(diào)制成相應(yīng)的1200Hz和2200Hz的FSK頻移鍵控信號(hào)，波形整形后，經(jīng)AD421疊加在環(huán)路上發(fā)出。

D/A變換器采用AD421，它是美國(guó)ADI公司推出的一種單片高性能數(shù)模轉(zhuǎn)換器，由環(huán)路供電，16位數(shù)字信號(hào)以串行方式輸入，可以將數(shù)字信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成4～20mA電流輸出。它提供了高精度、全集成、低功耗的解決方案，采用16引腳DIP、TSSOP、SOIC封裝，可實(shí)現(xiàn)低成本的遠(yuǎn)程智能工業(yè)控制。 AD421包括串行輸入16位 D/A（數(shù)字/電流 ）轉(zhuǎn)換，除自身用電外，還提供可選擇的 （5V，3.3 V或 3 V）穩(wěn)壓輸出供變送器其他部分用電。

HART MODEM采用 Smar公司的 HT2012，是符合Bell202標(biāo)準(zhǔn)的半雙工調(diào)制解調(diào)器，實(shí)現(xiàn)HART協(xié)議規(guī)定的數(shù)字通信的編碼或譯碼。該芯片專為 HART儀器設(shè)計(jì)，片內(nèi)集成了符合 BELL202標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)制器、解調(diào)器、時(shí)鐘及定時(shí)電路、檢測(cè)控制電路。性價(jià)比較高，16腳 DIP和28腳PLCC封裝，在+5V供電時(shí)工作電流80μA。HT2012與微控制器交換數(shù)字信號(hào)，同AD421作模擬信號(hào)接口。它一方面與MCU的異步串行通信口進(jìn)行串行通信，一方面將輸入的不歸零的數(shù)字信號(hào)調(diào)制成FSK信號(hào)，再經(jīng)AD421疊加在4～20mA的回路上輸出，或者將回路信號(hào)經(jīng)帶通濾波、放大整形后取出FSK信號(hào)解調(diào)為數(shù)字信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)HART通信。

對(duì)于HART MODEM所需要的輸入時(shí)鐘，采用7.3728MHz的晶振通過(guò)兩個(gè)計(jì)數(shù)器74LS161進(jìn)行兩次4分頻，得到16分頻的時(shí)鐘。

由于HART數(shù)字通信的要求，有0.5mA的正弦波電流信號(hào)疊加在4mA電流上，因此整個(gè)硬件電路必須保證在3.5mA以下還能正常工作，因此實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)非常重要。

圖3和圖4分別是采用的AD421和HT2012的外圍電路圖。

3、 通信的軟件設(shè)計(jì)

HART通信程序也即為HART協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層的軟件實(shí)現(xiàn)，是整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)儀表軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

在HART通信過(guò)程中，主機(jī)（上位機(jī)）發(fā)送命令幀，現(xiàn)場(chǎng)儀表通過(guò)串行口中斷接收到命令幀后，由MCU作相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，產(chǎn)生應(yīng)答幀，由MCU觸發(fā)發(fā)送中斷，發(fā)出應(yīng)答幀，從而完成一次命令交換。

首先在上電或者看門狗復(fù)位后，主程序要對(duì)通信部分進(jìn)行初始化，主要包括波特率設(shè)定、串口工作方式設(shè)定、清通信緩沖區(qū)、開中斷等。

在初始化完成之后通訊部分就一直處在準(zhǔn)備接收狀態(tài)下，一旦上位機(jī)有命令發(fā)來(lái)，HT2012的載波檢測(cè)口OCD變?yōu)榈碗娖?，觸發(fā)中斷，啟動(dòng)接收，程序就進(jìn)入接收部分。然后完成主機(jī)命令的解釋并根據(jù)命令去執(zhí)行相應(yīng)的操作，最后按一定的格式生成應(yīng)答幀并送入通信緩沖區(qū)，啟動(dòng)發(fā)送，完成后關(guān)閉SCI。

圖5是串行接收請(qǐng)求幀、回復(fù)應(yīng)答幀程序的流程圖。

在發(fā)送應(yīng)答幀之后，再次進(jìn)入等待狀態(tài)，等待下一條主機(jī)命令。

4 、結(jié)語(yǔ)

實(shí)踐證明，上述方法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠的特點(diǎn)，完全符合HART協(xié)議，具有較好的通用性。

由于HART眾多不容置疑的優(yōu)點(diǎn)，使得它成為全球應(yīng)用最廣的現(xiàn)場(chǎng)通信協(xié)議，已成為工業(yè)上實(shí)用的標(biāo)準(zhǔn)。因此在今后很長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)，HART協(xié)議產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)仍然具有十分廣闊的市場(chǎng)。

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