HART通信協(xié)議在現(xiàn)場(chǎng)儀表遠(yuǎn)程通信中的實(shí)現(xiàn)2

1、hart通信協(xié)議在現(xiàn)場(chǎng)儀表遠(yuǎn)程通信中的實(shí)現(xiàn)1 hart協(xié)議簡(jiǎn)介hart(highway addressable remote transducer),可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道的開(kāi)放 通信協(xié)議，是美國(guó)rosemen公司于1985年推出的一種用于現(xiàn)場(chǎng)智能儀表和控制室設(shè)備z 間的通信協(xié)議。hart裝置提供具有相對(duì)低的帶寬，適度響應(yīng)吋間的通信，經(jīng)過(guò)10多年的發(fā)展，hart 技術(shù)在國(guó)外已經(jīng)十分成熟，并已成為全球智能儀表的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。hart協(xié)議采用基于bell202標(biāo)準(zhǔn)的fsk頻移鍵控信號(hào)，在低頻的420ma模擬信號(hào) 上疊加幅度為05ma的音頻數(shù)字信號(hào)進(jìn)行雙向數(shù)字通訊，數(shù)據(jù)傳輸率為l2mbps。由于fsk

2、 信號(hào)的平均值為0,不影響傳送給控制系統(tǒng)模擬信號(hào)的人小，保證了與現(xiàn)冇模擬系統(tǒng)的兼容 性。在hart協(xié)議通信中，主要的變量和控制信息由420ma傳送，在需要的情況下，另 外的測(cè)量、過(guò)程參數(shù)、設(shè)備組態(tài)、校準(zhǔn)、診斷信息通過(guò)hart協(xié)議訪問(wèn)。hart通信采用的是半雙工的通信方式。hart協(xié)議參考iso/osi(開(kāi)放系統(tǒng)互連模型)，采用了它的簡(jiǎn)化三層模型結(jié)構(gòu)，即第 一層物理層，第二層數(shù)據(jù)鏈路層和笫七層應(yīng)用層。第一層：物理層。規(guī)定了信號(hào)的傳輸方法、傳輸介質(zhì)，為了實(shí)現(xiàn)模擬通信和數(shù)字通信同 時(shí)進(jìn)行而乂互不干擾，hart協(xié)議采用頻移鍵控技術(shù)fsk,即在420ma模擬信號(hào)上迭加一個(gè)頻率信號(hào)，頻率信號(hào)采用bell2

3、02國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)字信號(hào)的傳送波特率設(shè)定為1200bps, 如圖1所示。通信介質(zhì)的選擇視傳輸距離長(zhǎng)煎而定。通常釆用雙絞同軸電纜作為傳輸介質(zhì)吋，最大傳輸距 離可達(dá)到1500m。線路總阻抗應(yīng)在2301100qz間。第二層：數(shù)據(jù)鏈路層。規(guī)定了 hart幀的格式，實(shí)現(xiàn)建立、維護(hù)、終結(jié)鏈路通訊功能。 hart協(xié)議根據(jù)兀余檢錯(cuò)碼信息，采用白動(dòng)重復(fù)請(qǐng)求發(fā)送機(jī)制，消除由于線路噪?yún)鸹蚱渌?擾引起的數(shù)據(jù)通訊出錯(cuò)，實(shí)現(xiàn)通訊數(shù)據(jù)無(wú)差錯(cuò)傳送?，F(xiàn)場(chǎng)儀表要執(zhí)行hart指令，操作數(shù)必須合乎指定的人小。每個(gè)獨(dú)立的字符包括1個(gè)起 始位、8個(gè)數(shù)據(jù)位、1個(gè)奇偶校驗(yàn)位和一個(gè)停止位。由于數(shù)據(jù)的冇無(wú)和長(zhǎng)短并不恒定，所以 hart數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度

4、也是不一樣的，最長(zhǎng)的hart數(shù)據(jù)包含25個(gè)字節(jié)。第七層：應(yīng)用層。為hart命令集，用于實(shí)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。2現(xiàn)場(chǎng)儀表hart協(xié)議遠(yuǎn)程通信硬件設(shè)計(jì)某現(xiàn)場(chǎng)儀表的hart協(xié)議部分主要完成數(shù)字信號(hào)到模擬電流信號(hào)的轉(zhuǎn)換，并實(shí)現(xiàn)對(duì)主要 變暈和測(cè)量、過(guò)程參數(shù)、設(shè)備纟fl態(tài)、校準(zhǔn)及診斷信息的訪問(wèn)。圖2是hart協(xié)議通信模塊結(jié) 構(gòu)設(shè)計(jì)框圖。hart通信部分主要ill d/a轉(zhuǎn)換和bell202 modem及其附屬電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。其中，d/a變換 作用是直接將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成420ma電流輸出，以輸岀主要的變量。bell202 modem及 其附屬電路的作用是對(duì)證加在420

5、ma環(huán)路上的信號(hào)進(jìn)行帶通濾波放大后，hart通信單 元如來(lái)檢測(cè)到fsk頻移鍵控倍號(hào)，則由bell202 modem將1200hz的倍號(hào)解調(diào)為't', 2200hz信號(hào)解調(diào)為''0的數(shù)字信號(hào)，通過(guò)串口通信交mcu, mcu接收命令幀，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(hào)由modem調(diào)制成相應(yīng)的 1200hz和2200hz的fsk頻移鍵控信號(hào)，波形整形后，經(jīng)ad421疊加在環(huán)路上發(fā)出。d/a變換器采用ad421,它是美國(guó)adi公司推出的一種單片高性能數(shù)模轉(zhuǎn)換器，山環(huán) 路供電，16位數(shù)字信號(hào)以串行方式輸入，可以將數(shù)字信號(hào)肓接轉(zhuǎn)換成420

6、ma電流輸出。 它提供了高精度、全集成、低功耗的解決方案，采用16引腳dip、tssop、soic封裝，可 實(shí)現(xiàn)低成木的遠(yuǎn)程智能工業(yè)控制。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采用smar公司的ht2012,是符合bell202標(biāo)準(zhǔn)的半雙工調(diào)制解調(diào)器, 實(shí)現(xiàn)hart協(xié)議規(guī)定的數(shù)字通信的編碼或譯碼。該芯片專為hart儀辭設(shè)計(jì)，片內(nèi)集成了 符合bell202標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)制器、解調(diào)器、時(shí)鐘及定時(shí)電路、檢測(cè)控制電路。性價(jià)比較高，16 腳dip和28腳plcc封裝，在+5v供電吋工作

7、電流80|jaa ht2012與微控制器交換數(shù)字信 號(hào)，同ad421作模擬信號(hào)接口。它一方面與mcu的異步串行通信口進(jìn)行串行通信，一方面 將輸入的不歸零的數(shù)字信號(hào)調(diào)制成fsk信號(hào)，再經(jīng)ad421疊加在420ma的回路上輸出， 或者將回路信號(hào)經(jīng)帶通濾波、放大整形后取出fsk信號(hào)解調(diào)為數(shù)字信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)hart 通信。對(duì)于hart modem所需要的輸入?yún)嘉g，采用7.3728mhz的品振通過(guò)兩個(gè)計(jì)數(shù)器 74ls161進(jìn)行兩次4分頻，得到16分頻的吋鐘。由于hart數(shù)字通信的要求，有05ma的正弦波電流信號(hào)替加在4ma電流上，因此整 個(gè)硬件電路必須保證在3.5ma以下述能正常匚作，因此實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的低功

8、耗設(shè)計(jì)非常重要。圖3和圖4分別是采用的ad421和ht2012的外圍電路圖。l.mcc>om_i-mt2oi2vm) oi92k ocd irxa nc irtsri * orxd3通信的軟件設(shè)計(jì)hart通信程序也即為hart協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層的軟件實(shí)現(xiàn)，是整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)儀表軟 件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。在hart通信過(guò)程中，主機(jī)（上位機(jī)）發(fā)送命令幀，現(xiàn)場(chǎng)儀表通過(guò)串行口中斷接收到命 令幀后，由mcu作和應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，產(chǎn)生應(yīng)答幀，由mcu觸發(fā)發(fā)送中斷，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(duì)通信部分進(jìn)行初始化，主要包括波特率設(shè)定、 串口工作方式設(shè)定、清通信緩沖區(qū)、開(kāi)中斷等。在初始化完成之后通訊部分就一直處在準(zhǔn)備接收狀態(tài)下，一旦上位機(jī)有命令發(fā)來(lái)， ht2012的載波檢測(cè)uocd變?yōu)榈碗娖?，觸發(fā)小斷，啟動(dòng)接收，程序就進(jìn)入接收部分。然 后完成主機(jī)命令的解釋并根據(jù)命令去執(zhí)行相應(yīng)的操作，最后按一定的格式生成應(yīng)答幀并送入 通信緩沖區(qū)，啟動(dòng)發(fā)送，完成后關(guān)閉sci。圖5是串行接收請(qǐng)求幀、回復(fù)應(yīng)答幀程序的流程圖。him_“ 一 ni辺:i n p1umjur ；- «ma. jlmbvin上杯| 出t altel n1mjtn| y mlhmamh1在發(fā)送應(yīng)答幀z后，再次進(jìn)入等待狀態(tài)，等待下