MSP430的HART從機控制器的設計

摘要：為了應對傳統現場(chǎng)儀表的功能升級需求，增強現場(chǎng)儀表與控制主機之間的通信能力，設計并實(shí)現了一款以MSP430單片機為主控芯片，使用HART調制解調器DS8500和環(huán)路供電型4～20 mA數/模轉換器AD421搭建HART通信協(xié)議物理層的HART從機控制器。

引言

現代工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的正常進(jìn)行離不開(kāi)現場(chǎng)設備和與之配套的控制主機，為了充分發(fā)揮現場(chǎng)設備的性能，控制主機和現場(chǎng)設備之間必須要有一套高效可靠的通信協(xié)議。傳統工業(yè)控制領(lǐng)域多使用4～20 mA模擬信號來(lái)完成現場(chǎng)設備與控制主機之間的通信，但是模擬信號傳輸數據具有傳輸方向單一、傳輸數據量少等諸多不足。為了解決這些問(wèn)題，在20世紀80年代中期，美國Rosemount公司提出了高速可尋址遠程傳感器協(xié)議(Highway Addressable Remote Transducer，HART)用來(lái)增強現場(chǎng)設備與控制主機之間的通信能力。

HART協(xié)議是一種用于現場(chǎng)智能設備與控制主機或監測系統之間的通過(guò)模擬線(xiàn)路傳輸數字信號的通信協(xié)議，在20世紀90年代初移交給HART基金會(huì )HCF，由其負責修訂更新并向外界發(fā)布。

與其他總線(xiàn)技術(shù)相比，由于HART協(xié)議無(wú)需額外的通信線(xiàn)路就能夠通過(guò)傳統的4～20 mA模擬通信線(xiàn)路提供數字信號，使得設備廠(chǎng)商花費很小的代價(jià)就能對傳統設備升級改造，為用戶(hù)提供更多的功能，因此HART協(xié)議在當前的工業(yè)控制領(lǐng)域中得到了廣泛的應用，發(fā)展至今已經(jīng)成為全球智能儀表通用的工業(yè)標準。本文提出了一種基于TI公司的低功耗的MSP430處理器的HART從機控制器。

1 HART協(xié)議簡(jiǎn)介

HART協(xié)議是一種雙路、半雙工、對傳統4～20 mA模擬通信網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行增強的向后兼容型通信協(xié)議，為儀表、控制和自動(dòng)化系統制定了一個(gè)雙向現場(chǎng)通信協(xié)議標準。HART協(xié)議利用貝爾202頻移鍵控(FSK)技術(shù)，將低電平的數字通信信號疊加到傳統的4～20 mA模擬信號上，來(lái)實(shí)現雙向現場(chǎng)通信，數字通信與現存的模擬通信體制完全兼容，并支持點(diǎn)對點(diǎn)或多點(diǎn)模式的網(wǎng)絡(luò )配置，為用戶(hù)提供了一種易于使用和配置的低成本、高可靠性的現場(chǎng)通信解決方案。

HART協(xié)議目前參照并實(shí)現了OSI(開(kāi)放系統互連)模型的1～4層和第7層。在本設計的實(shí)現中只需考慮簡(jiǎn)化的3層模型，即第1層物理層、第2層數據鏈路層和第7層應用層。

HART協(xié)議物理層規定了HART信號的傳輸方法、信號電平、設備阻抗和傳輸介質(zhì)等一系列指標。HART協(xié)議采用頻移鍵控(FSK)技術(shù)，在低頻的4～20 mA模擬信號上疊加幅度為0.5 mA的不同頻率的正弦電流調制波信號來(lái)實(shí)現數字通信，信號傳輸速率為1200 bps，頻率為1200Hz代表“1”，頻率為2200Hz代表“0”。如圖1所示。

由于數字FSK信號是相位連續的，正弦信號平均值為0，所以HART協(xié)議的數字通信不會(huì )對4～20 mA模擬信號造成干擾，在實(shí)現數字通信的同時(shí)，保證了對傳統模擬信號的兼容。因此HART協(xié)議在通信過(guò)程中可以提供兩個(gè)通信信道：4～20 mA模擬信號和數字信號，如圖2所示。

4～20 mA模擬信號可以利用4～20 mA電流回路快速地傳輸現場(chǎng)設備的主要測量值。此外，HART協(xié)議可以通過(guò)疊加在模擬線(xiàn)路上的數字信號來(lái)傳輸其他更為詳細的設備信息，如設備狀態(tài)、診斷信息、附加計算值等。兩個(gè)通信信道的結合大大提高了現場(chǎng)設備與主機之間的通信能力。

HART數據鏈路層定義了一項主從協(xié)議，正常使用時(shí)，現場(chǎng)設備只有接到主機的信號時(shí)才產(chǎn)生應答。最多可以有兩個(gè)主機，通常是控制系統為第一主機，手持控制器為第二主機，兩個(gè)主機通信互不干擾。同時(shí)，數據鏈路層規定了HART協(xié)議的通信數據結構，對HART協(xié)議在進(jìn)行通信時(shí)的數據幀格式進(jìn)行了詳細的定義，并采用縱向奇偶檢驗，根據檢錯碼結果采取自動(dòng)重復請求發(fā)送機制，能夠有效地消除線(xiàn)路上的偶然噪聲干擾，為數據傳輸提供了一個(gè)可靠的通信路徑。HART協(xié)議通信數據幀的格式如圖3所示。

HART協(xié)議數據幀格式中每個(gè)字符包含一個(gè)8位的編碼數據以及一個(gè)起始位、一個(gè)奇偶校驗位和一個(gè)停止位，通常使用串口來(lái)完成字符的傳輸?，F場(chǎng)儀表作為從機接收HART指令并產(chǎn)生響應時(shí)，要嚴格遵照HART協(xié)議的數據幀格式。由于HART協(xié)議數據幀的前導符長(cháng)度不同、數據幀中包含數據長(cháng)度不確定，因此 HART數據幀的總長(cháng)度也是不固定的，最長(cháng)為25字節。

HART協(xié)議應用層定義了協(xié)議所支持的命令、響應、數據狀態(tài)和狀態(tài)報告。在應用層，HART協(xié)議為用戶(hù)提供了HART命令集，命令集中的命令分為3大類(lèi)，即通用命令、常用命令和設備特定命令。通用命令是所有支持HART協(xié)議的設備均支持的命令，最常見(jiàn)的如讀取產(chǎn)品生產(chǎn)廠(chǎng)商及型號等信息。常用命令對于大部分設備適用，這些命令提供的功能并不是所有設備都支持，如寫(xiě)變量阻尼值、標定等。設備特定命令只針對某種具體設備的特殊性設立，由儀器制造商指定。

2 HART控制器硬件設計

HART協(xié)議是通過(guò)在傳統的4～20 mA電流環(huán)路上疊加±0.5 mA的電流波信號來(lái)進(jìn)行數字通信，對于搭載了HART模塊的現場(chǎng)設備來(lái)說(shuō)，只有整個(gè)設備的自身功耗控制在3.5 mA以下，才能夠保證模擬信號和數字信號均能正常進(jìn)行通信，因此在設計系統時(shí)低功耗是首先要考慮的問(wèn)題。MSP430系列單片機是TI公司的16位超低功耗單片機，為降低功耗專(zhuān)門(mén)為芯片設計了靈活的時(shí)鐘系統、多種低功耗模式、即時(shí)喚醒功能;同時(shí)，該系列單片機具有16位RISC結構，運算能力較強，并擁有豐富的片內外設，已經(jīng)在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應用。因此，在本設計中采用MSP430單片機系列中的MSP430F149作為HART從機控制器的主控芯片。

4～20 mA的模擬信號通過(guò)使用ADI公司的AD421搭建外圍電路來(lái)實(shí)現，AD421是一款完整的環(huán)路供電型4～20 mA數字轉換器，這款DAC采用∑-△結構，可保證16位分辨率和單調性，積分非線(xiàn)性只有±0.01%。同時(shí)，AD421完全兼容標準HART電路或者其他類(lèi)似的FSK協(xié)議，與HART協(xié)議FSK通信電路結合使用時(shí)不會(huì )使額定性能受到影響，是一款非常適合用來(lái)實(shí)現HART協(xié)議的DAC。AD421及其外圍電路設計原理圖如圖4所示。

AD421通過(guò)鎖存線(xiàn)LATCH、時(shí)鐘線(xiàn)CLOCK、數據線(xiàn)DATA與MSP430的I/O口連接，MCU通過(guò)三線(xiàn)接口向AD421傳輸數據來(lái)調整輸出的 4～20 mA模擬信號值，AD421的C3引腳接收HART模塊耦合過(guò)來(lái)的FSK信號，再將信號疊加到電流輸出環(huán)路中完成數字信號傳輸，LOOP+和LOOP-分別為4～20 mA電流回路的兩個(gè)端口。

DS8500是一款由Maxim公司推出的單芯片HART兼容調制解調器IC，滿(mǎn)足HART協(xié)議物理層規范要求。該器件內部集成了1200 Hz/2 200 Hz FSK信號調制、解調功能和數字信號處理功能，僅需很少的外部器件就能完成HART通信電路的搭建，大大降低了電路設計難度。工作時(shí)，HART輸入信號首先通過(guò)ADC采樣，然后進(jìn)行數字濾波、解調，保證在干擾環(huán)境下信號測量的可靠性。輸出DAC產(chǎn)生正弦波，并提供一路可以在1200 Hz和2200 Hz之間連續切換的低噪信號。接收時(shí)通過(guò)禁用發(fā)送電路實(shí)現低功耗，發(fā)送時(shí)同理，是一款理想的低功耗HART調制解調器。DS8500及其外圍電路設計原理圖如圖5所示。

DS8500的數字輸入腳D_IN、數字輸出腳D_OUT與MSP430的串口連接。載波檢測引腳OCD，發(fā)送請求引腳RTS與MCU的I/O口相連。接收數據時(shí)，MCU拉高RTS引腳，使能DS8500的解調模塊，環(huán)路上的HART信號經(jīng)過(guò)外圍電路的濾波后從DS8500的FSK_IN引腳輸入，接收到有效HART信號后，DS8500的載波檢測引腳OCD輸出高電平，并將解碼后的數據通過(guò)D_OUT引腳串行輸出，MSP430通過(guò)串口中斷接收數據并進(jìn)行處理。發(fā)送數據時(shí)，MSP430拉低RTS引腳電平，使能DS8500的調制模塊，MSP430將要發(fā)送的數據通過(guò)串口從D_IN引腳發(fā)送給 DS8500，調制后的HART信號由FSK_OUT引腳輸出，并通過(guò)一個(gè)電容耦合到AD421的C1引腳，最終疊加到4～20 mA環(huán)路路中完成通信。

3 HART控制器軟件程序設計

HART從機控制器軟件程序設計主要包括3大部分：AD421驅動(dòng)程序實(shí)現、HART協(xié)議通信幀的正確接收與分析、HART應用層命令的應答實(shí)現。其中，AD421驅動(dòng)程序比較簡(jiǎn)單，官方網(wǎng)站已經(jīng)提供相應驅動(dòng)包。而HART命令的應答實(shí)現依賴(lài)于對數據幀的正確分析，因此整個(gè)控制器軟件程序的核心部分就是如何確保正確接收到完整的HART數據幀，并從數據幀中提取出有效的信息加以分析，生成相應的應答數據幀。

HART設備在進(jìn)行通信時(shí)，首先由主機(上位機或手操器)向從機發(fā)送命令，從機(現場(chǎng)設備)接收到主機的命令后執行相應動(dòng)作并返回應答數據。由于HART 協(xié)議通信數據幀長(cháng)度不定，最長(cháng)為25字節，只擁有固定的前導符而沒(méi)有固定的結束標識符，因此在本控制器的程序設計中使用MSP430的定時(shí)器來(lái)判斷主機不足25字節的一幀數據是否發(fā)送完畢，由于HART協(xié)議通信速率為1200 bps，傳輸每位數據的時(shí)間約為833μs，因此可以定義一個(gè)大于833μs的延時(shí)時(shí)間T，當從機最后一次接收到數據后，經(jīng)過(guò)T時(shí)間沒(méi)有接收到新數據就可以認為已經(jīng)接收完一幀完整的數據。

系統上電穩定，經(jīng)過(guò)一系列初始化操作后，MSP430控制DS8500打開(kāi)解調模塊，處于接收等待狀態(tài)。當上位機有數據發(fā)送過(guò)來(lái)時(shí)，DS8500將解調后的數據通過(guò)串口發(fā)送給MSP 430，若接收到的第一個(gè)字符為0xFF(前導符開(kāi)頭字節)則啟動(dòng)定時(shí)器，定時(shí)5ms(根據需要調整)，并將接收字符送入接收緩沖區，此后每接收到一個(gè)字符立刻將該字符存入接收緩沖區，并重置定時(shí)器計數器，直到定時(shí)器溢出(5 ms沒(méi)有接到新數據)或者25字節的接收緩沖區已被填滿(mǎn)。此時(shí)，認為主機已經(jīng)發(fā)送完一幀完整的數據，接下來(lái)調用HART數據處理函數，判斷接收者地址為本機后，對接收緩沖區內的數據進(jìn)行校驗，校驗通過(guò)后提取出主機發(fā)送的命令和數據，根據命令執行相應操作并生成應答數據存入發(fā)送緩沖區中。MSP 430打開(kāi)DS8500的調制模塊，將應答數據從串口傳送給DS8500，經(jīng)過(guò)調制后通過(guò)4～20 mA環(huán)路發(fā)送給主機，然后關(guān)閉DS8500的調制器，打開(kāi)解調器，繼續等待下一次命令的到來(lái)?？刂瞥绦蚝诵牟糠至鞒虉D如圖6所示。

HART協(xié)議應用層命令的實(shí)現依賴(lài)于具體的設備，不同的設備需要實(shí)現的命令不盡相同，本控制器軟件程序使用了一個(gè)switch結構來(lái)判斷從接收數據幀中提取出來(lái)的主機命令。因此，當本控制器應用于不同的設備時(shí)，應用層部分只需根據設備需求添加case判斷語(yǔ)句和動(dòng)作執行代碼，就可完成對新的命令的支持，具有很好的可復用性。

結語(yǔ)

與其他總線(xiàn)技術(shù)相比，HART協(xié)議并不能算是嚴格意義上的現場(chǎng)總線(xiàn)(模擬信號與數字信號混合)，這使得難以為其開(kāi)發(fā)統一的通信接口芯片，同時(shí)HART協(xié)議作為模擬系統向數字系統進(jìn)行轉變的過(guò)渡協(xié)議，在智能化、通信速率等方面又與真正的現場(chǎng)總線(xiàn)存在一定的差距，但這些方面的不足并不影響HART協(xié)議在世界范圍得到廣泛的應用。

由于HART協(xié)議實(shí)現簡(jiǎn)單、成本低廉、工作可靠，在未來(lái)的很長(cháng)一段時(shí)間內，HART協(xié)議仍將作為事實(shí)上的工業(yè)標準活躍在工業(yè)領(lǐng)域，這也是本文提出該HART從機控制器設計的原因所在。

HART從機控制器在硬件上使用了很少的元件就完成了HART通信所必需的物理層搭建，具有電路結構簡(jiǎn)單、成本低廉、穩定性好等優(yōu)點(diǎn)。與現有設備結合時(shí)，可以利用MSP430單片機來(lái)實(shí)現設備原有功能，HART通信模塊實(shí)現HART協(xié)議通信，或者根據設備具體情況直接將HART模塊加載于原設備之上，軟件程序只需針對設備所使用的單片機型號更改相應的初始化代碼，并根據實(shí)際需要實(shí)現HART應用層的命令應答。目前，該設計已經(jīng)應用在實(shí)際產(chǎn)品上，成功地將一款原本只支持4～20mA模擬通信的兩線(xiàn)制超聲波液位計升級改造，使其支持HART協(xié)議通信，并且經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的測試觀(guān)察，通信穩定，完全滿(mǎn)足了低成本限制下對傳統現場(chǎng)設備升級改造的需求，具有一定的參考價(jià)值。