對于HART協(xié)議來說，我們更多地是討論它在通訊方面的應(yīng)用。例如總線，現(xiàn)場儀表等硬件設(shè)計。另外在一些軟件設(shè)計中，它也同樣有著廣闊的前景。現(xiàn)在我們就來研究一下在這些方面HART協(xié)議的一些工作原理吧。

一､HART協(xié)議簡介

HART(Highway Addressable Remote Transducer),可尋址遠程傳感器高速通道的開放通訊協(xié)定,是美國Rosemen于1985年推出的一種用于現(xiàn)場智能儀表和控制室設(shè)備之間的通訊協(xié)定｡

HART裝置提供具有相對低的帶寬,適度響應(yīng)時間的通訊,經(jīng)過10多年的發(fā)展,HART技能在國外已經(jīng)十分成熟,并已成為全球智能儀表的工業(yè)標準｡HART協(xié)議采納基于Bell202標準的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,不影響傳送給節(jié)制體系模擬信號的大小,保證了與現(xiàn)有模擬體系的兼容性｡

在HART協(xié)議通訊中,重要的變量和節(jié)制信息由4mA~20mA傳送,在需要的情況下,另外的測量､歷程參數(shù)､設(shè)備組態(tài)､校準､診斷信息通過HART協(xié)議訪問｡

HART通訊采納的是半雙工的通訊法子｡HART協(xié)議參考 ISO/OSI(開放體系互連模型),采納了它的簡化三層模型構(gòu)造,即第一層物理層,第二層數(shù)據(jù)鏈路層和第七層利用層｡

第一層:物理層｡規(guī)定了信號的傳輸法子､傳輸介質(zhì),為了實現(xiàn)模擬通訊和數(shù)字通訊同時進行而又互不干擾,HART協(xié)議采納頻移鍵控技能 FSK,即在4mA~20mA模擬信號上迭加一個頻率信號,頻率信號采納 Be11202國際標準,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,如圖1所示｡

通訊介質(zhì)的選擇視傳輸距離長短而定｡通常采納雙絞同軸電纜作為傳輸介質(zhì)時,最大傳輸距離可到達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,實現(xiàn)創(chuàng)建､保護､終結(jié)鏈路通訊功效｡HART協(xié)議依據(jù)冗余檢錯碼信息,采納主動反復(fù)懇求發(fā)送機制,打消由于線路噪音或其他干擾引起的數(shù)據(jù)通訊出錯,實現(xiàn)通訊數(shù)據(jù)無過錯傳送｡

現(xiàn)場儀表要實行HART指令,操作數(shù)必需合乎指定的大小｡每個獨立的字符包括1個起始位､8個數(shù)據(jù)位､1個奇偶校驗位和一個停滯位｡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)包括25個字節(jié)｡

第三層:利用層｡為HART命令集,用于實現(xiàn) HART指令｡命令分為三類,即通用命令､普通命令和專用命令｡#p#

二､現(xiàn)場儀表HART協(xié)議遠程通訊硬件設(shè)計

某現(xiàn)場儀表的HART協(xié)議部分重要完成數(shù)字信號到模擬電流信號的轉(zhuǎn)換,并實現(xiàn)對重要變量和測量､歷程參數(shù)､設(shè)備組態(tài)､校準及診斷信息的訪問｡圖2是HART協(xié)議通訊模塊構(gòu)造設(shè)計框圖｡

HART通訊部分重要由D/A轉(zhuǎn)換和Bell202 MODEM及其從屬電路來實現(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,以輸出重要的變量｡Bell202 MODEM及其從屬電路的作用是對疊加在4mA~20mA環(huán)路上的信號進行帶通濾波放大后,HART通訊單元如果檢測到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,通過串口通訊交MCU,MCU接受命令幀,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變換器采納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)字信號以串行法子輸入,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､低功耗的解決規(guī)劃,采納16引腳DIP､TSSOP､SOIC封裝,可實現(xiàn)低成本的遠程智能工業(yè)節(jié)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采納 Smar公司的 HT2012,是符合Bell202標準的半雙工調(diào)制解調(diào)器,實現(xiàn)HART協(xié)議規(guī)定的數(shù)字通訊的編碼或譯碼｡該芯片專為 HART儀器設(shè)計,片內(nèi)集成了符合 BELL202標準的調(diào)制器､解調(diào)器､時鐘及定時電路､檢測節(jié)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與微節(jié)制器交換數(shù)字信號,同AD421作模擬信號接口｡它一方面與MCU的異步串行通訊口進行串行通訊,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,從而實現(xiàn)HART通訊｡

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

由于HART數(shù)字通訊的要求,有0.5mA的正弦波電流信號疊加在4mA電流上,因此全部硬件電路必需保證在3.5mA以下還能正常工作,因此實現(xiàn)體系的低功耗設(shè)計非常重要｡

圖3和圖4分別是采納的AD421和HT2012的外圍電路圖｡

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三､通訊的軟件設(shè)計

HART通訊程序也即為HART協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層和利用層的軟件實現(xiàn),是全部現(xiàn)場儀表軟件設(shè)計的癥結(jié)｡

在HART通訊歷程中,主機(上位機)發(fā)送命令幀,現(xiàn)場儀表通過串行口中止接受到命令幀后,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)送中止,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,主程序要對通訊部分進行初始化,重要包括波特率設(shè)定､串口工作法子設(shè)定､清通訊緩沖區(qū)､開中止等｡

在初始化完成之后通訊部分就一直處在準備接受狀態(tài)下,一旦上位機有命令發(fā)來,HT2012的載波檢測口OCD變?yōu)榈碗娖?觸發(fā)中止,啟動接受,程序就進入接受部分｡然后完成主機命令的解釋并依據(jù)命令去實行相應(yīng)的操作,最后按必然的格式生成應(yīng)答幀并送入通訊緩沖區(qū),啟動發(fā)送,完成后關(guān)閉SCI｡

圖5是串行接受懇求幀､回復(fù)應(yīng)答幀程序的流程圖｡

在發(fā)送應(yīng)答幀之后,再次進入期待狀態(tài),期待下一條主機命令｡

四､結(jié)語

實踐證明,上述法子具有構(gòu)造簡略､工作可靠的特點,完全符合HART協(xié)議,具有較好的通用性｡

由于HART眾多不容置疑的長處,使得它成為全球利用最廣的現(xiàn)場通訊協(xié)定,已成為工業(yè)上適用的標準｡因此在今后很長一段時代內(nèi),HART協(xié)議在國內(nèi)仍然具有十分遼闊的市場｡