基于A(yíng)5191HRT和AD421的HART協(xié)議通信模塊的設計與實(shí)現

引言

　　HART（Highway Addressable Remote Transducer，可尋址遠程傳感器高速通道）通信協(xié)議由美國Rose-mount公司于20世紀80年代中期推出，之后又進(jìn)行了修訂和增補，作為開(kāi)放標準由HART通信基金會(huì )HCF向全世界發(fā)布，主要用于現場(chǎng)智能儀表和控制室系統間進(jìn)行數字通信。由于兼容傳統的4～20mA模擬系統的HART通信協(xié)議具有諸多優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展至今，它已被世界上三分之二以上的現場(chǎng)設備所采用，成為智能工業(yè)控制領(lǐng)域事實(shí)上的國際標準。

　　在研制某智能現場(chǎng)儀表的過(guò)程中，使用單片HART調制解調器A5191HRT和數模轉換器AD421設計實(shí)現了其中的HART協(xié)議遠程通信模塊，具有高精度、低功耗、低成本、工作可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。

　　HART協(xié)議簡(jiǎn)介

　　HART協(xié)議是一種兼容現行4～20mA模擬系統的過(guò)渡性現場(chǎng)總線(xiàn)標準，協(xié)議具備以下特點(diǎn)：在4～20mA模擬信號上疊加數字信號進(jìn)行雙向數字通信，兼容現行模擬體制；可同時(shí)進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)的4～20mA模擬和數字通信；可以使用多站方式進(jìn)行通信；可傳送被測變量、設備設置參數、設備檢測結果等多種信息；開(kāi)放的體系結構，任何廠(chǎng)商和用戶(hù)都能夠免費得到；數字響應時(shí)間為500ms，突發(fā)方式為300ms。HART協(xié)議參考ISO/OSI，采用它的簡(jiǎn)化三層模型結構，包括第一層物理層，第二層數據鏈路層和第七層應用層。

　　物理層規定信號的傳輸方法、傳輸介質(zhì)。HART協(xié)議為實(shí)現模擬通信和數字通信同時(shí)進(jìn)行而互不干擾，采用基于Bell202標準的FSK頻移鍵控信號，在低頻的4～20mA模擬信號上疊加音頻數字信號進(jìn)行雙向數字通信。音頻數字信號的幅度為0.5mA，數據傳輸率為1200bps，1200Hz代表邏輯“1”，2200Hz代表邏輯“0”，如圖1所示。

　　由于FSK信號的平均值為0，所以不影響傳送給控制系統的模擬信號的大小，保證了與現有模擬系統的兼容性。圖2所示為HART協(xié)議的數字和模擬信號疊加后同時(shí)傳輸的示意圖。通信介質(zhì)的選擇視傳輸距離長(cháng)短而定，采用雙絞電纜傳輸時(shí)最大傳輸距離可達1500m，線(xiàn)路總阻抗應在230～1100Ω之間。

　　數據鏈路層規定HART協(xié)議幀的格式，實(shí)現建立、維護、終結鏈路通信的功能。HART協(xié)議根據冗余檢錯碼信息，采用自動(dòng)重復請求發(fā)送機制，消除由于線(xiàn)路噪聲或其他干擾引起的數據誤碼，實(shí)現數據無(wú)差錯傳送。HART協(xié)議信息幀的格式如表1所示。

　　現場(chǎng)儀表要執行HART指令，操作數必須合乎指定的大小。每個(gè)獨立的字符包括：1個(gè)起始位、8個(gè)數據位、1個(gè)奇偶校驗位和1個(gè)停止位。由于數據的有無(wú)和長(cháng)短不恒定，所以HART數據的長(cháng)度也不一樣，最長(cháng)的HART數據包含25字節。

　　應用層即為HART命令集，用于實(shí)現HART指令。命令分為三類(lèi)，即通用命令、普通命令和專(zhuān)用命令。

　　HART協(xié)議通信中，主要的變量或控制信息一般由4～20mA傳送，另外的諸多的測量數據、設備參數、校準信息、診斷信息等通過(guò)HART協(xié)議傳輸，采用半雙工通信方式。

　　HART協(xié)議通信模塊的硬件設計

　　某智能現場(chǎng)儀表要求使用4～20mA傳統傳送最主要的一個(gè)測量結果，使用HART協(xié)議數字通信的方式和控制設備交換儀表設置參數、中間測量數據、校準參數等信息。所以HART協(xié)議通信模塊需要完成測量結果的數字碼到4～20mA模擬信號的DA轉換，以及上述諸多其他信息的HART協(xié)議數字通信。設計完成的HART通信模塊結構框圖如圖3所示。

　　HART協(xié)議通信模塊主要由HART調制解調器A5191HRT和D/A轉換器AD421及其外圍電路實(shí)現。其中，AD421通過(guò)串行接口接收現場(chǎng)儀表內部MCU傳送的數字信號，轉換成4～20mA電流輸出，輸出主要的測量結果。A5191HRT則接收疊加在4～20mA環(huán)路上的信號，對其帶通濾波和放大之后進(jìn)行載波檢測，如果檢測到FSK頻移鍵控信號，則將1200Hz的信號解調為“1”，2200Hz信號解調為“0”，并通過(guò)串口通信傳輸給MCU，MCU接收命令幀并作相應的數據處理。之后，MCU產(chǎn)生要發(fā)回的應答幀，應答幀的數字信號由A5191HRT調制成相應的1200Hz和2200Hz的FSK頻移鍵控信號，并經(jīng)過(guò)發(fā)送信號整形電路進(jìn)行波形整形后，經(jīng)AD421疊加在環(huán)路上發(fā)送。

　　A5191HRT是AMI Semiconductor公司推出的單片HART調制解調器，采用相位連續的FSK半雙工工作方式，數據率為1200bps。A5191HRT內部集成了符合Bell202標準的調制器、解調器、接收濾波器、發(fā)送信號整形電路、載波檢測等電路，在+3.3V供電時(shí)工作電流330μA。由于A(yíng)5191HRT的這些特點(diǎn)，使設計者使用較少的外部無(wú)源元件就能夠構建滿(mǎn)足HART協(xié)議物理層要求的電路。本設計中當A5191HRT接收時(shí)，從4～20mA環(huán)路上接收信號，經(jīng)過(guò)帶通濾波、放大整形后提取出FSK信號并解調為數字信號，傳送給MCU；發(fā)送時(shí)，從MCU接收數據，進(jìn)行調制和波形整形后耦合到AD421內部，通過(guò)AD421疊加到環(huán)路上。A5191HRT和MCU通過(guò)后者的通用串行通信接口連接。

　　AD421是ADI公司推出的單片高性能數模轉換器，主要由電壓調整器、數模轉換器和電流放大器組成。電壓調整器由運放、帶隙基準和外接FET調整管組成，能夠從環(huán)路中獲取電流，為AD421和其他器件提供3.0V、3.3V、或5.0V可選擇的供電電壓。數模轉換器采用∑-ΔDAC結構，將16位數字碼轉換為4～20mA模擬電流。數字碼是通過(guò)和MCU的三線(xiàn)接口CLOCK、DATA和LATCH從MCU串行輸入。A5191HRT及其外圍電路設計的原理圖見(jiàn)圖4所示。