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

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a5191hrt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。

---其中，與mcu的通用串行收發(fā)模塊uart的接口信號包括載波檢測ocd、hart解調輸出orxd、來(lái)自uart的hart調制輸入itxd和請求發(fā)送inrts；loop+為4～20ma環(huán)路輸入，經(jīng)過(guò)外部電阻電容和a5191hrt內部電路完成接收信號的帶通濾波和放大，用于解調；調制好的數據經(jīng)過(guò)內部整形電路處理后由管腳otxa輸出，通過(guò)電容耦合到ad421內部，然后疊加到環(huán)路上傳輸；hart調制解調的時(shí)鐘信號源于外接的460.8khz晶體產(chǎn)生的振蕩。ad421及其外圍電路設計的原理圖見(jiàn)圖5所示。

---其中loop+和loop-分別是電流環(huán)路的兩個(gè)端口；從mcu輸入dac的數字碼是通過(guò)三線(xiàn)接口實(shí)現的，分別是時(shí)鐘線(xiàn)clock、數據線(xiàn)data和鎖存線(xiàn)latch。

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ad421的控制和hart通信協(xié)議的軟件程序設計。前者較為簡(jiǎn)單，后者包括hart協(xié)議數據鏈路層和應用層的軟件設計，是整個(gè)模塊軟件設計的主體和關(guān)鍵。
---hart協(xié)議通信模塊的通信過(guò)程首先由主機(上位機)發(fā)送命令幀發(fā)起，現場(chǎng)儀表作為從設備使用中斷調用子程序的方法完成接收和應答?，F場(chǎng)儀表在上電或看門(mén)狗復位后，主程序首先對hart協(xié)議通信模塊進(jìn)行初始化，例如設定uart的工作方式、串行通信波特率、數據幀格式、清通信緩沖區、開(kāi)中斷等，之后將其設置為等待狀態(tài)。上位機發(fā)送命令時(shí)，a5191hrt的載波檢測輸出ocd變?yōu)榈碗娖?，觸發(fā)uart中斷，程序進(jìn)入接收過(guò)程。mcu完成主機命令的接收、解釋并執行相應的操作后，按一定格式生成應答幀并送入發(fā)送緩沖區，完成發(fā)送后再次將hart協(xié)議通信模塊設置為等待狀態(tài)。圖6為hart協(xié)議通信模塊接收主機幀、回復應答幀的程序流程圖。
---hart協(xié)議通信模塊通過(guò)上圖所示的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，可以使主機完成對現場(chǎng)儀表的工作參數設置、測量結果讀取、儀表檢測等工作。

結論
---實(shí)踐證明，上述的hart協(xié)議通信模塊的實(shí)現方法切實(shí)可行，具有電路設計簡(jiǎn)單、工作可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，具有很好的參考價(jià)值和實(shí)用性。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)而成為智能控制領(lǐng)域中應用最廣泛的現場(chǎng)通信協(xié)議，在今后的很長(cháng)一段時(shí)期內，hart技術(shù)將在我國現場(chǎng)儀表的智能化改造和研制中發(fā)揮重要的作用。

參考文獻
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