HART協(xié)議也是通信協(xié)議的一種，但是多數(shù)應(yīng)用在工業(yè)當(dāng)中。目前，它的應(yīng)用前景非常可觀。不少產(chǎn)品都會涉及這個協(xié)議的使用。那么接下來我們就對這個協(xié)議的一個儀表使用的硬件設(shè)計進(jìn)行一下介紹。首先來對這個協(xié)議進(jìn)行一下簡單解析。

一、HART協(xié)議

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Rosemen公司于1985年推出的一種用于現(xiàn)場智能儀表和控制室設(shè)備之間的通信協(xié)議｡

HART裝置提供具有相對低的帶寬,適度響應(yīng)時間的通信,經(jīng)過10多年的發(fā)展,HART技術(shù)在國外已經(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,在低頻的 4mA~20mA模擬信號上疊加幅度為0.5mA的音頻數(shù)字信號進(jìn)行雙向數(shù)字通訊,數(shù)據(jù)傳輸率為1.2Mbps｡由于FSK信號的平均值為0,不影響傳送給控制系統(tǒng)模擬信號的大小,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4mA~20mA傳送,在需要的情況下,另外的測量､過程參數(shù)､設(shè)備組態(tài)､校準(zhǔn)､診斷信息通過HART協(xié)議訪問｡

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4mA~20mA模擬信號上迭加一個頻率信號,頻率信號采用 Be11202國際標(biāo)準(zhǔn),數(shù)字信號的傳送波特率設(shè)定為 1200bps,1200Hz代表邏輯“0",2200Hz代表邏輯“1",信號幅值0.5A｡

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

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)冗余檢錯碼信息,采用自動重復(fù)請求發(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,實(shí)現(xiàn)通訊數(shù)據(jù)無差錯傳送｡

現(xiàn)場儀表要執(zhí)行HART指令,操作數(shù)必須合乎指定的大小｡每個獨(dú)立的字符包括1個起始位､8個數(shù)據(jù)位､1個奇偶校驗(yàn)位和一個停止位｡由于數(shù)據(jù)的有無和長短并不恒定,所以HART數(shù)據(jù)的長度也是不一樣的,最長的HART數(shù)據(jù)包含25個字節(jié)｡

第三層: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｡

二､現(xiàn)場儀表HART協(xié)議遠(yuǎn)程通信硬件設(shè)計

某現(xiàn)場儀表的HART協(xié)議部分主要完成數(shù)字信號到模擬電流信號的轉(zhuǎn)換,并實(shí)現(xiàn)對主要變量和測量､過程參數(shù)､設(shè)備組態(tài)､校準(zhǔn)及診斷信息的訪問｡

HART通信部分主要由D/A轉(zhuǎn)換和Bell202 MODEM及其附屬電路來實(shí)現(xiàn)｡其中,D/A變換作用是直接將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成4mA~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疊加在4mA~20mA環(huán)路上的信號進(jìn)行帶通濾波放大后,HART通信單元如果檢測到FSK頻移鍵控信號,則由Bell202 MODEM將1200Hz的信號解調(diào)為“1",2200Hz信號解調(diào)為“0"的數(shù)字信號,通過串口通信交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)字信號由MODEM調(diào)制成相應(yīng)的1200Hz和2200Hz的FSK頻移鍵控信號,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)字信號以串行方式輸入,可以將數(shù)字信號直接轉(zhuǎn)換成4mA~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,片內(nèi)集成了符合 BELL202標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)制器､解調(diào)器､時鐘及定時電路､檢測控制電路｡性價比較高,16腳 DIP和28腳PLCC封裝,在+5V供電時工作電流80μA｡HT2012與微控制器交換數(shù)字信號,同AD421作模擬信號接口｡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)字信號調(diào)制成FSK信號,再經(jīng)AD421疊加在4mA~20mA的回路上輸出,或者將回路信號經(jīng)帶通濾波､放大整形后取出FSK信號解調(diào)為數(shù)字信號,從而實(shí)現(xiàn)HART通信｡

對于HART MODEM所需要的輸入時鐘,采用7.3728MHz的晶振通過兩個計數(shù)器74LS161進(jìn)行兩次4分頻,得到16分頻的時鐘｡

由于HART數(shù)字通信的要求,有0.5mA的正弦波電流信號疊加在4mA電流上,因此整個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)計非常重要｡

三､通信的軟件設(shè)計

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),是整個現(xiàn)場儀表軟件設(shè)計的關(guān)鍵｡

在HART通信過程中,主機(jī)(上位機(jī))發(fā)送命令幀,現(xiàn)場儀表通過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,HT2012的載波檢測口OCD變?yōu)榈碗娖?觸發(fā)中斷,啟動接收,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),啟動發(fā)送,完成后關(guān)閉SCI｡

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｡

四､結(jié)語

實(shí)踐證明,上述方法具有結(jié)構(gòu)簡單､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)｡因此在今后很長一段時期內(nèi),HART協(xié)議產(chǎn)品在國內(nèi)仍然具有十分廣闊的市場｡