基于A5191HRT和AD421的HART協(xié)議通信模塊的設(shè)計與實現(xiàn)
引言
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/154852.htmHART(Highway Addressable Remote Transducer,可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道)通信協(xié)議由美國Rose-mount公司于20世紀(jì)80年代中期推出,之后又進(jìn)行了修訂和增補,作為開放標(biāo)準(zhǔn)由HART通信基金會HCF向全世界發(fā)布,主要用于現(xiàn)場智能儀表和控制室系統(tǒng)間進(jìn)行數(shù)字通信。由于兼容傳統(tǒng)的4~20mA模擬系統(tǒng)的HART通信協(xié)議具有諸多優(yōu)點,發(fā)展至今,它已被世界上三分之二以上的現(xiàn)場設(shè)備所采用,成為智能工業(yè)控制領(lǐng)域事實上的國際標(biāo)準(zhǔn)。
在研制某智能現(xiàn)場儀表的過程中,使用單片HART調(diào)制解調(diào)器A5191HRT和數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD421設(shè)計實現(xiàn)了其中的HART協(xié)議遠(yuǎn)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。
HART協(xié)議簡介
HART協(xié)議是一種兼容現(xiàn)行4~20mA模擬系統(tǒng)的過渡性現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn),協(xié)議具備以下特點:在4~20mA模擬信號上疊加數(shù)字信號進(jìn)行雙向數(shù)字通信,兼容現(xiàn)行模擬體制;可同時進(jìn)行點對點的4~20mA模擬和數(shù)字通信;可以使用多站方式進(jìn)行通信;可傳送被測變量、設(shè)備設(shè)置參數(shù)、設(shè)備檢測結(jié)果等多種信息;開放的體系結(jié)構(gòu),任何廠商和用戶都能夠免費得到;數(shù)字響應(yīng)時間為500ms,突發(fā)方式為300ms。HART協(xié)議參考ISO/OSI,采用它的簡化三層模型結(jié)構(gòu),包括第一層物理層,第二層數(shù)據(jù)鏈路層和第七層應(yīng)用層。
物理層規(guī)定信號的傳輸方法、傳輸介質(zhì)。HART協(xié)議為實現(xiàn)模擬通信和數(shù)字通信同時進(jìn)行而互不干擾,采用基于Bell202標(biāo)準(zhǔn)的FSK頻移鍵控信號,在低頻的4~20mA模擬信號上疊加音頻數(shù)字信號進(jìn)行雙向數(shù)字通信。音頻數(shù)字信號的幅度為0.5mA,數(shù)據(jù)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(tǒng)的模擬信號的大小,保證了與現(xiàn)有模擬系統(tǒng)的兼容性。圖2所示為HART協(xié)議的數(shù)字和模擬信號疊加后同時傳輸?shù)氖疽鈭D。通信介質(zhì)的選擇視傳輸距離長短而定,采用雙絞電纜傳輸時最大傳輸距離可達(dá)1500m,線路總阻抗應(yīng)在230~1100Ω之間。
數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定HART協(xié)議幀的格式,實現(xiàn)建立、維護(hù)、終結(jié)鏈路通信的功能。HART協(xié)議根據(jù)冗余檢錯碼信息,采用自動重復(fù)請求發(fā)送機制,消除由于線路噪聲或其他干擾引起的數(shù)據(jù)誤碼,實現(xiàn)數(shù)據(jù)無差錯傳送。HART協(xié)議信息幀的格式如表1所示。
現(xiàn)場儀表要執(zhí)行HART指令,操作數(shù)必須合乎指定的大小。每個獨立的字符包括:1個起始位、8個數(shù)據(jù)位、1個奇偶校驗位和1個停止位。由于數(shù)據(jù)的有無和長短不恒定,所以HART數(shù)據(jù)的長度也不一樣,最長的HART數(shù)據(jù)包含25字節(jié)。
應(yīng)用層即為HART命令集,用于實現(xiàn)HART指令。命令分為三類,即通用命令、普通命令和專用命令。
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(shù)據(jù)、設(shè)備參數(shù)、校準(zhǔn)信息、診斷信息等通過HART協(xié)議傳輸,采用半雙工通信方式。
某智能現(xiàn)場儀表要求使用4~20mA傳統(tǒng)傳送最主要的一個測量結(jié)果,使用HART協(xié)議數(shù)字通信的方式和控制設(shè)備交換儀表設(shè)置參數(shù)、中間測量數(shù)據(jù)、校準(zhǔn)參數(shù)等信息。所以HART協(xié)議通信模塊需要完成測量結(jié)果的數(shù)字碼到4~20mA模擬信號的DA轉(zhuǎn)換,以及上述諸多其他信息的HART協(xié)議數(shù)字通信。設(shè)計完成的HART通信模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。
HART協(xié)議通信模塊主要由HART調(diào)制解調(diào)器A5191HRT和D/A轉(zhuǎn)換器AD421及其外圍電路實現(xiàn)。其中,AD421通過串行接口接收現(xiàn)場儀表內(nèi)部MCU傳送的數(shù)字信號,轉(zhuǎn)換成4~20mA電流輸出,輸出主要的測量結(jié)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(diào)為“1”,2200Hz信號解調(diào)為“0”,并通過串口通信傳輸給MCU,MCU接收命令幀并作相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。之后,MCU產(chǎn)生要發(fā)回的應(yīng)答幀,應(yīng)答幀的數(shù)字信號由A5191HRT調(diào)制成相應(yīng)的1200Hz和2200Hz的FSK頻移鍵控信號,并經(jīng)過發(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(diào)制解調(diào)器,采用相位連續(xù)的FSK半雙工工作方式,數(shù)據(jù)率為1200bps。A5191HRT內(nèi)部集成了符合Bell202標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)制器、解調(diào)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供電時工作電流330μA。由于A5191HRT的這些特點,使設(shè)計者使用較少的外部無源元件就能夠構(gòu)建滿足HART協(xié)議物理層要求的電路。本設(shè)計中當(dāng)A5191HRT接收時,從4~20mA環(huán)路上接收信號,經(jīng)過帶通濾波、放大整形后提取出FSK信號并解調(diào)為數(shù)字信號,傳送給MCU;發(fā)送時,從MCU接收數(shù)據(jù),進(jìn)行調(diào)制和波形整形后耦合到AD421內(nèi)部,通過AD421疊加到環(huán)路上。A5191HRT和MCU通過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(shù)模轉(zhuǎn)換器,主要由電壓調(diào)整器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器和電流放大器組成。電壓調(diào)整器由運放、帶隙基準(zhǔn)和外接FET調(diào)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(shù)模轉(zhuǎn)換器采用∑-ΔDAC結(jié)構(gòu),將16位數(shù)字碼轉(zhuǎn)換為4~20mA模擬電流。數(shù)字碼是通過和MCU的三線接口CLOCK、DATA和LATCH從MCU串行輸入。A5191HRT及其外圍電路設(shè)計的原理圖見圖4所示。
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