通過先前的一些內(nèi)容，我們知道HART協(xié)議的相關(guān)知識，也知道它在總線方面有著重要的作用。那么今天我們來對它的一類應(yīng)用進(jìn)行一下解析。那么主要講解一下在通信芯片方面HART協(xié)議的使用。HART(Highway Addressable Remote Transducer)協(xié)議即可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道開放通信協(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協(xié)議采用半雙工通訊,參考ISO/OSI開放系統(tǒng)互聯(lián)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4~20mA模擬信號上疊加一個頻率信號,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“1",2200Hz代表邏輯“0",信號幅值0.5mA｡由于FSK信號的平均值為0,所以不影響傳送給控制系統(tǒng)的模擬信號的大小,保證了與現(xiàn)有模擬系統(tǒng)的兼容性｡

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｡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｡ 
 
智能變送器的硬件設(shè)計 
 
智能現(xiàn)場儀表要求使用4~20mA傳統(tǒng)傳送測量結(jié)果,使用HART協(xié)議數(shù)字通信的方式和控制設(shè)備交換儀表設(shè)置參數(shù)､中間測量數(shù)據(jù)､校準(zhǔn)參數(shù)等信息｡所以HART協(xié)議通信模塊需要完成測量結(jié)果的數(shù)字碼到4~20mA模擬信號的DA轉(zhuǎn)換,以及上述諸多其他信息的HART協(xié)議數(shù)字通信｡
 
傳感器通過震蕩電路,將金屬電容傳感器的電容變化信號,轉(zhuǎn)化為與壓力有關(guān)的電信號,該信號通過放大,調(diào)理后送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器｡本設(shè)計得模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采用的式AD7799｡它是AD公司的一款新型､高精度､寬動態(tài)范圍､24位AD轉(zhuǎn)化器｡該芯片具有自動校準(zhǔn)､系統(tǒng)校準(zhǔn)和背景校準(zhǔn)功能,可以消除零點(diǎn)誤差､滿量程誤差及溫度漂移的影響｡

本設(shè)計采用AD公司推出的16位數(shù)字模擬變換器AD421,由環(huán)路Loop+和Loop-供電,可以將數(shù)字信號直接轉(zhuǎn)換成4~20mA電流輸出｡采用兩線路供電,片內(nèi)有電壓調(diào)整器,除了能提供自身的用電外,就能給系統(tǒng)其它部分提供5V､3.3V或3V的電壓｡同時還能提供精準(zhǔn)的+1.25V和+2.5V的參考電壓｡本設(shè)計中AD421通過LATCH､CLOCK和DATA與MCU進(jìn)行串口通信｡

本設(shè)計中用的調(diào)制解調(diào)器是HT20C15,采用相位連續(xù)的FSK半雙工工作方式,數(shù)據(jù)率為1200bps｡片內(nèi)集成了符合BELL202標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)制器､解調(diào)器､定時電路､檢測控制電路｡
 
HT20C15與MCU交換數(shù)字信號,同時作為AD421的模擬信號接口｡當(dāng)HT20C15接收時,從4~20mA環(huán)路上接收信號,經(jīng)過帶通濾波､放大整形后提取出FSK信號并解調(diào)為數(shù)字信號,將1200Hz的信號解調(diào)為“1",將2200Hz的信號解調(diào)為“0",傳送給MCU;發(fā)送時,從MCU接收數(shù)據(jù),進(jìn)行調(diào)制和波形整形后耦合到AD421內(nèi)部,將“1"調(diào)制為1200Hz,將“0"調(diào)制為2200Hz,通過AD421疊加到環(huán)路上｡HT20C15和MCU通過后者的通用串行通信接口連接,從而實(shí)現(xiàn)HART通信｡ 
 
智能變送器的軟件設(shè)計

在HART通信過程中,主機(jī)發(fā)送命令幀,現(xiàn)場儀表通過串行終端接收到命令幀后由MCU作出相應(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,從而完成一次命令交換｡

在系統(tǒng)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,主要完成時鐘選擇､波特率設(shè)定､串口工作方式設(shè)定､開中斷等｡

完成初始化之后,通信部分一直處于準(zhǔn)備接受狀態(tài)下,上位機(jī)一有命令發(fā)來,HT20C15的引腳OCD變?yōu)榈碗娖?觸發(fā)中斷,MCU通過串行口啟動接收,程序進(jìn)入接受過程,接收完成后,MCU讀主機(jī)命令進(jìn)行解釋后,執(zhí)行相應(yīng)的操作,最后生成應(yīng)答幀送入發(fā)送緩沖區(qū),引腳INRTS置低,啟動發(fā)送｡發(fā)送完應(yīng)答幀之后,在此等待主機(jī)命令,等待下一次中斷的到來｡ 
 
結(jié)論 
 
基于HART協(xié)議的智能產(chǎn)品性能優(yōu)良,兼容性好,性價比高｡HART技術(shù)在國外已經(jīng)很成熟,發(fā)展至今,已經(jīng)成為智能控制領(lǐng)域?qū)嶋H的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)｡在今后很長的一段時間內(nèi),HART協(xié)議產(chǎn)品將在國內(nèi)外仍然具有十分廣闊得市場｡