HART通信協(xié)議在現(xiàn)場儀表遠(yuǎn)程通信中的實現(xiàn)

一、HART協(xié)議簡介

　　HART（Highway Addressable Remote Transducer），可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道的開放通信協(xié)議，是美國Rosemen公司于1985年推出的一種用于現(xiàn)場智能儀表和控制室設(shè)備之間的通信協(xié)議。

　　HART裝置提供具有相對低的帶寬，適度響應(yīng)時間的通信，經(jīng)過10多年的發(fā)展，HART技術(shù)在國外已經(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，在低頻的 4mA～20mA模擬信號上疊加幅度為0.5mA的音頻數(shù)字信號進(jìn)行雙向數(shù)字通訊，數(shù)據(jù)傳輸率為1.2Mbps。由于FSK信號的平均值為0，不影響傳送給控制系統(tǒng)模擬信號的大小，保證了與現(xiàn)有模擬系統(tǒng)的兼容性。

　　在HART協(xié)議通信中，主要的變量和控制信息由4mA～20mA傳送，在需要的情況下，另外的測量、過程參數(shù)、設(shè)備組態(tài)、校準(zhǔn)、診斷信息通過HART協(xié)議訪問。

　　HART通信采用的是半雙工的通信方式。HART協(xié)議參考 ISO/OSI（開放系統(tǒng)互連模型），采用了它的簡化三層模型結(jié)構(gòu)，即第一層物理層，第二層數(shù)據(jù)鏈路層和第七層應(yīng)用層。

第一層：物理層。規(guī)定了信號的傳輸方法、傳輸介質(zhì)，為了實現(xiàn)模擬通信和數(shù)字通信同時進(jìn)行而又互不干擾，HART協(xié)議采用頻移鍵控技術(shù) FSK，即在4mA～20mA模擬信號上迭加一個頻率信號，頻率信號采用 Be11202國際標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)字信號的傳送波特率設(shè)定為 1200bps，1200Hz代表邏輯“0”，2200Hz代表邏輯“1”，信號幅值0.5A，如圖1所示。

通信介質(zhì)的選擇視傳輸距離長短而定。通常采用雙絞同軸電纜作為傳輸介質(zhì)時，最大傳輸距離可達(dá)到1500ｍ。線路總阻抗應(yīng)在230Ω～1100Ω。

　　第二層：數(shù)據(jù)鏈路層。規(guī)定了HART幀的格式，實現(xiàn)建立、維護(hù)、終結(jié)鏈路通訊功能。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(jī)制，消除由于線路噪音或其他干擾引起的數(shù)據(jù)通訊出錯，實現(xiàn)通訊數(shù)據(jù)無差錯傳送。

　　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(dú)立的字符包括1個起始位、8個數(shù)據(jù)位、1個奇偶校驗位和一個停止位。由于數(shù)據(jù)的有無和長短并不恒定，所以HART數(shù)據(jù)的長度也是不一樣的，最長的HART數(shù)據(jù)包含25個字節(jié)。

　　第三層：應(yīng)用層。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。

二、現(xiàn)場儀表HART協(xié)議遠(yuǎn)程通信硬件設(shè)計

某現(xiàn)場儀表的HART協(xié)議部分主要完成數(shù)字信號到模擬電流信號的轉(zhuǎn)換，并實現(xiàn)對主要變量和測量、過程參數(shù)、設(shè)備組態(tài)、校準(zhǔn)及診斷信息的訪問。圖2是HART協(xié)議通信模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計框圖。

HART通信部分主要由D/A轉(zhuǎn)換和Bell202 MODEM及其附屬電路來實現(xiàn)。其中，D/A變換作用是直接將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成4mA～20mA電流輸出，以輸出主要的變量。Bell202 MODEM及其附屬電路的作用是對疊加在4mA～20mA環(huán)路上的信號進(jìn)行帶通濾波放大后，HART通信單元如果檢測到FSK頻移鍵控信號，則由Bell202 MODEM將1200Hz的信號解調(diào)為“1”，2200Hz信號解調(diào)為“0”的數(shù)字信號，通過串口通信交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)字信號由MODEM調(diào)制成相應(yīng)的1200Hz和2200Hz的FSK頻移鍵控信號，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ADI公司推出的一種單片高性能數(shù)模轉(zhuǎn)換器，由環(huán)路供電，16位數(shù)字信號以串行方式輸入，可以將數(shù)字信號直接轉(zhuǎn)換成4mA～20mA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，可實現(xiàn)低成本的遠(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儀器設(shè)計，片內(nèi)集成了符合 BELL202標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)制器、解調(diào)器、時鐘及定時電路、檢測控制電路。性價比較高，16腳 DIP和28腳PLCC封裝，在+5V供電時工作電流80μA。HT2012與微控制器交換數(shù)字信號，同AD421作模擬信號接口。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)字信號調(diào)制成FSK信號，再經(jīng)AD421疊加在4mA～20mA的回路上輸出，或者將回路信號經(jīng)帶通濾波、放大整形后取出FSK信號解調(diào)為數(shù)字信號，從而實現(xiàn)HART通信。

　　對于HART MODEM所需要的輸入時鐘，采用7.3728MHz的晶振通過兩個計數(shù)器74LS161進(jìn)行兩次4分頻，得到16分頻的時鐘。

　　由于HART數(shù)字通信的要求，有0.5mA的正弦波電流信號疊加在4mA電流上，因此整個硬件電路必須保證在3.5mA以下還能正常工作，因此實現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗設(shè)計非常重要。

圖3和圖4分別是采用的AD421和HT2012的外圍電路圖。

三、通信的軟件設(shè)計

　　HART通信程序也即為HART協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層的軟件實現(xiàn)，是整個現(xiàn)場儀表軟件設(shè)計的關(guān)鍵。

　　在HART通信過程中，主機(jī)（上位機(jī)）發(fā)送命令幀，現(xiàn)場儀表通過串行口中斷接收到命令幀后，由MCU作相應(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，HT2012的載波檢測口OCD變?yōu)榈碗娖?，觸發(fā)中斷，啟動接收，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)，啟動發(fā)送，完成后關(guān)閉SCI。

圖5是串行接收請求幀、回復(fù)應(yīng)答幀程序的流程圖。

在發(fā)送應(yīng)答幀之后，再次進(jìn)入等待狀態(tài)，等待下一條主機(jī)命令。

四、結(jié)語

　　實踐證明，上述方法具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠的特點(diǎn)，完全符合HART協(xié)議，具有較好的通用性。

　　由于HART眾多不容置疑的優(yōu)點(diǎn)，使得它成為全球應(yīng)用最廣的現(xiàn)場通信協(xié)議，已成為工業(yè)上實用的標(biāo)準(zhǔn)。因此在今后很長一段時期內(nèi)，HART協(xié)議產(chǎn)品在國內(nèi)仍然具有十分廣闊的市場。