A5191HRT型HART調制解調器的原理與應用

摘 要：首先介紹A5191HRT型HART調制解調器的原理。A5191HRT內部集成了符合Bell202標準的較完整的調制解調電路，與微處理器接口方便，便于構建智能現場(chǎng)儀表的HART協(xié)議通信模塊電路。最后給出某智能現場(chǎng)儀表基于A5191HRT和AD421型電流環(huán)數，模轉換器的HART協(xié)議通信模塊設計。
關(guān)鍵詞：HART協(xié)議；串行通信；頻移鍵控；調制解調器

1 引言
20世紀70年代中期，工業(yè)控制儀表發(fā)展為統一的二線(xiàn)制4 mA~20 mA電流環(huán)標準模擬信號體制。80年代后，數字技術(shù)的發(fā)展使大量智能控制儀表采用了微控制器(MCU)，儀表與控制設備之間傳輸的信息量增加，迫切需要一種全數字雙向通信規范。美國Rose―mount公司制定的HART協(xié)議是兼容現行4 mA一20 mA模擬系統的過(guò)渡性現場(chǎng)總線(xiàn)標準，得到了非常廣泛的應用，成為智能工業(yè)控制領(lǐng)域事實(shí)上的國際標準。

AMI Semiconductor公司的A5191HRT型HART調制解調器用于構建智能現場(chǎng)儀表的HART協(xié)議通信模塊，具有外圍電路簡(jiǎn)單和工作可靠性高等特點(diǎn)。

2 HART協(xié)議
HART(Highway Addressable Remote Transducer)協(xié)議是美國Rose―mount公司于20世紀80年代中期推出的，主要用于現場(chǎng)智能儀表和控制系統間的數字通信。HART協(xié)議在低頻的4 mA，20 mA模擬信號上疊加音頻數字信號，進(jìn)行雙向數字通信．具有同時(shí)進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)4 mA～20 mA模擬和數字通信、多站通信方式、多種信息傳輸、開(kāi)放的體系結構可免費獲得等優(yōu)點(diǎn)。

HART協(xié)議參考ISO／OSI模型(開(kāi)放系統互聯(lián)模型)，采用簡(jiǎn)化的3層模型結構，即第一層物理層、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，采用基于Bell202標準的FSK頻移鍵控信號，在低頻4 mA一20 mA模擬信號上疊加音頻數字信號進(jìn)行雙向通信，數字信號幅度為0．5 mA，數據率達1200 b／s，以1200 Hz代表邏輯…1’，2200 Hz代表邏輯…0’。FSK頻移鍵控信號波形如圖1(a)所示。
數據鏈路層規定HART協(xié)議幀格式．實(shí)現建立、維護、終結鏈路通訊的功能。應用層為HART協(xié)議命令集，用于實(shí)現HART指令。

HART協(xié)議的FSK頻移鍵控信號和4 mA～20mA電流環(huán)模擬信號疊加后同時(shí)傳輸的示意圖如圖1(b)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4 mA一20 mA電流環(huán)模擬信號的大?。ＷC了與現有模擬系統的兼容性。

3 A5191HRT的工作原理
3．1 ASl91HRT的性能與引腳功能
A5191HRT是應用于HAftT現場(chǎng)儀表的單片CMOS調制解調器，其主要性能如下：
(1)單片、半雙工1200 b／s速率的頻移鍵控(FSK)調制解調器，可替代SYM20C15；
(2)Bell202標準的FSK頻移鍵控信號，載波為1200Hz和2200 Hz；
(3)內部集成了接收帶通濾波器電路和發(fā)送信號波形整形電路：
(4)外接460．8 kHz晶體或陶瓷濾波器內部時(shí)鐘振蕩器或者使用外部輸入時(shí)鐘；
(5)工作溫度范圍為一40℃~+85℃；
(6)電源電壓為3．O V～5．0 V；
(7)滿(mǎn)足HAftr協(xié)議物理層的要求；
(8)功耗低。

另外，為了節省功耗，A5191HRT在進(jìn)行發(fā)送操作時(shí)可將接收電路關(guān)閉，進(jìn)行接收操作時(shí)也可將發(fā)送電路關(guān)閉．這種工作方式適合于HART協(xié)議的半雙工通信方式。

A5191HRT采用28引腳PLCC和32引腳LQFP封裝，引腳排列如圖2所示。

主要引腳的功能如表1所示。

3．2 A5191HRT的內部結構與工作原理
A5191HRT內部包括發(fā)送數據調制器與波形整形電路、載波檢測電路、接收濾波器與解調電路、控制邏輯和時(shí)鐘振蕩器電路。A5191HRT的內部結構如圖3所示．

調制器接收不歸零數字碼并調制為FSK信號．以1200 Hz代表邏輯“l(fā)”．以2200 Hz代表邏輯“0”，數據率為1200 b／s，之后由波形整形電路將FSK信號整形為兼容HART協(xié)議要求的信號發(fā)送出去。接收濾波器完成輸入信號的帶通濾波，將信號送給載波檢測電路和解調器。載波檢測電路通過(guò)比較接收濾波器輸出信號和外部的參考電壓，在檢測到接收信號輸入引腳輸入有效的調制信號時(shí)輸出高電平。解調器在載波輸出有效時(shí)將經(jīng)過(guò)濾波后的FSK輸入信號解調為數字信號輸出。時(shí)鐘振蕩器電路產(chǎn)生460．8 kHz的時(shí)鐘信號，可以使用內部振蕩器電路產(chǎn)生時(shí)鐘信號．此時(shí)需要外接一個(gè)晶振．也可以直接輸入外部時(shí)鐘信號?？刂七壿嬰娐酚糜诳刂艫5191HRT內部各個(gè)電路模塊的工作．例如發(fā)送操作和接收操作的切換。

4 HART協(xié)議通信模塊的設計
4．1 HART協(xié)議通信模塊的硬件電路設計
某智能現場(chǎng)儀表要求HART協(xié)議通信模塊完成與主機(上位機)交換儀表的設置參數、中間測量數據、校準參數等信息傳輸．以及將儀表測量結果的數字碼轉換為4mA～20 mA標準模擬電流環(huán)信號的輸出的功能。設計完成的HART通信模塊結構框圖如圖4所示。

HART協(xié)議通信模塊主要由現場(chǎng)儀表內的MCU、A5191HRT和AD421型DAC組成。其中．AD421接收MCU傳送的數字信號并轉換成4 mA～20 mA電流輸出，傳輸測量結果：A5191HRT接收疊加在4 mA一20mA環(huán)路上的FSK信號．解調后傳輸給MCU．或將MCU產(chǎn)生的應答幀信息調制成FSK信號經(jīng)波形整形器后由AD421疊加在4 mA一20 mA環(huán)路上發(fā)送出去。

由于A(yíng)5191HRT內部集成了較完整的HART調制解調電路．所以其外圍電路只需較少的無(wú)源元件。A5191HRT的外圍電路原理如圖5所示。

圖5中，A5191HRT與MCIJ的接口信號包括載波檢測OCD、HART解調輸出ORXD、HAIl'r調制輸入ITXD、請求發(fā)送INRTS:Loop+為4 mA~20 mA環(huán)路輸入：HART調制解調的時(shí)鐘信號源于外接的460．8 kHz晶體產(chǎn)生振蕩。

AD421是ADI公司的高性能單片DAC,它兼容HART協(xié)議的FSK通信電路，適合低功耗、高精度、低成本的智能工業(yè)控制應用。AD421由電壓調整器、∑一△結構DAC核和電流放大器組成．可將16bit數字碼轉換為對應的4 mA～20 mA模擬電流。

4．2 HART協(xié)議通信模塊的軟件設計
HART協(xié)議通信模塊的軟件設計包括HART協(xié)議的軟件設計和MCU對AD421的控制程序設計。前者包括HART協(xié)議數據鏈路層的通信程序設計和應用層的軟件界面設計．是整個(gè)模塊軟件設計的主要部分。

HART協(xié)議通信模塊的通信過(guò)程由主機發(fā)送命令幀開(kāi)始，現場(chǎng)儀表作為從設備使用中斷調用子程序來(lái)完成接收和應答?，F場(chǎng)儀表上電復位后，通信程序首先初始化HART協(xié)議通信模塊。例如設定MCU的UART工作方式、串行通信波特率、數據幀格式和中斷等后進(jìn)入等待狀態(tài)。主機發(fā)送命令時(shí)，A5191HRT的載波檢測OCD變?yōu)榈碗娖?，觸發(fā)MCU的UART中斷．調用接收子程序。MCU完成主機命令的接收和處理后，生成應答幀并傳輸給A5191HRT．調制成FSK信號傳輸給主機，完成后再將HART協(xié)議通信模塊設置為等待狀態(tài)。

HART協(xié)議通信模塊采用這種中斷調用子程序的方法完成現場(chǎng)儀表和主機之間的通信，可以實(shí)現主機對現場(chǎng)儀表的各個(gè)工作參數的設置、測量結果的讀取、儀表工作狀態(tài)的檢測等功能，并且具有程序設計靈活的優(yōu)點(diǎn)。

5 結束語(yǔ)
HART技術(shù)在國外已經(jīng)很成熟。并以其自身突出的優(yōu)點(diǎn)成為智能控制領(lǐng)域中應用最廣泛的現場(chǎng)通信協(xié)議?？梢灶A見(jiàn)，在今后很長(cháng)一段時(shí)期內，HART技術(shù)將在我國現場(chǎng)儀表的智能化研制和改造中發(fā)揮重要作用。設計實(shí)踐證明，使用A5191HRT設計智能現場(chǎng)儀表的HART協(xié)議通信模塊具有電路設計簡(jiǎn)單、工作可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，參考價(jià)值和實(shí)用價(jià)值較高。