MSP430的HART從機(jī)控制器的設(shè)計(jì)

摘要：為了應(yīng)對(duì)傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)儀表的功能升級(jí)需求，增強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)儀表與控制主機(jī)之間的通信能力，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款以MSP430單片機(jī)為主控芯片，使用HART調(diào)制解調(diào)器DS8500和環(huán)路供電型4～20 mA數(shù)/模轉(zhuǎn)換器AD421搭建HART通信協(xié)議物理層的HART從機(jī)控制器。

引言

現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的正常進(jìn)行離不開現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和與之配套的控制主機(jī)，為了充分發(fā)揮現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的性能，控制主機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間必須要有一套高效可靠的通信協(xié)議。傳統(tǒng)工業(yè)控制領(lǐng)域多使用4～20 mA模擬信號(hào)來完成現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與控制主機(jī)之間的通信，但是模擬信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)具有傳輸方向單一、傳輸數(shù)據(jù)量少等諸多不足。為了解決這些問題，在20世紀(jì)80年代中期，美國Rosemount公司提出了高速可尋址遠(yuǎn)程傳感器協(xié)議(Highway Addressable Remote Transducer，HART)用來增強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與控制主機(jī)之間的通信能力。

HART協(xié)議是一種用于現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備與控制主機(jī)或監(jiān)測(cè)系統(tǒng)之間的通過模擬線路傳輸數(shù)字信號(hào)的通信協(xié)議，在20世紀(jì)90年代初移交給HART基金會(huì)HCF，由其負(fù)責(zé)修訂更新并向外界發(fā)布。

與其他總線技術(shù)相比，由于HART協(xié)議無需額外的通信線路就能夠通過傳統(tǒng)的4～20 mA模擬通信線路提供數(shù)字信號(hào)，使得設(shè)備廠商花費(fèi)很小的代價(jià)就能對(duì)傳統(tǒng)設(shè)備升級(jí)改造，為用戶提供更多的功能，因此HART協(xié)議在當(dāng)前的工業(yè)控制領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，發(fā)展至今已經(jīng)成為全球智能儀表通用的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。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(jī)控制器。

1 HART協(xié)議簡(jiǎn)介

HART協(xié)議是一種雙路、半雙工、對(duì)傳統(tǒng)4～20 mA模擬通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行增強(qiáng)的向后兼容型通信協(xié)議，為儀表、控制和自動(dòng)化系統(tǒng)制定了一個(gè)雙向現(xiàn)場(chǎng)通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。HART協(xié)議利用貝爾202頻移鍵控(FSK)技術(shù)，將低電平的數(shù)字通信信號(hào)疊加到傳統(tǒng)的4～20 mA模擬信號(hào)上，來實(shí)現(xiàn)雙向現(xiàn)場(chǎng)通信，數(shù)字通信與現(xiàn)存的模擬通信體制完全兼容，并支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或多點(diǎn)模式的網(wǎng)絡(luò)配置，為用戶提供了一種易于使用和配置的低成本、高可靠性的現(xiàn)場(chǎng)通信解決方案。

HART協(xié)議目前參照并實(shí)現(xiàn)了OSI(開放系統(tǒng)互連)模型的1～4層和第7層。在本設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)中只需考慮簡(jiǎn)化的3層模型，即第1層物理層、第2層數(shù)據(jù)鏈路層和第7層應(yīng)用層。

HART協(xié)議物理層規(guī)定了HART信號(hào)的傳輸方法、信號(hào)電平、設(shè)備阻抗和傳輸介質(zhì)等一系列指標(biāo)。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(hào)上疊加幅度為0.5 mA的不同頻率的正弦電流調(diào)制波信號(hào)來實(shí)現(xiàn)數(shù)字通信，信號(hào)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(shù)字FSK信號(hào)是相位連續(xù)的，正弦信號(hào)平均值為0，所以HART協(xié)議的數(shù)字通信不會(huì)對(duì)4～20 mA模擬信號(hào)造成干擾，在實(shí)現(xiàn)數(shù)字通信的同時(shí)，保證了對(duì)傳統(tǒng)模擬信號(hào)的兼容。因此HART協(xié)議在通信過程中可以提供兩個(gè)通信信道：4～20 mA模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，如圖2所示。

4～20 mA模擬信號(hào)可以利用4～20 mA電流回路快速地傳輸現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的主要測(cè)量值。此外，HART協(xié)議可以通過疊加在模擬線路上的數(shù)字信號(hào)來傳輸其他更為詳細(xì)的設(shè)備信息，如設(shè)備狀態(tài)、診斷信息、附加計(jì)算值等。兩個(gè)通信信道的結(jié)合大大提高了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與主機(jī)之間的通信能力。

HART數(shù)據(jù)鏈路層定義了一項(xiàng)主從協(xié)議，正常使用時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備只有接到主機(jī)的信號(hào)時(shí)才產(chǎn)生應(yīng)答。最多可以有兩個(gè)主機(jī)，通常是控制系統(tǒng)為第一主機(jī)，手持控制器為第二主機(jī)，兩個(gè)主機(jī)通信互不干擾。同時(shí)，數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定了HART協(xié)議的通信數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，對(duì)HART協(xié)議在進(jìn)行通信時(shí)的數(shù)據(jù)幀格式進(jìn)行了詳細(xì)的定義，并采用縱向奇偶檢驗(yàn)，根據(jù)檢錯(cuò)碼結(jié)果采取自動(dòng)重復(fù)請(qǐng)求發(fā)送機(jī)制，能夠有效地消除線路上的偶然噪聲干擾，為數(shù)據(jù)傳輸提供了一個(gè)可靠的通信路徑。HART協(xié)議通信數(shù)據(jù)幀的格式如圖3所示。

HART協(xié)議數(shù)據(jù)幀格式中每個(gè)字符包含一個(gè)8位的編碼數(shù)據(jù)以及一個(gè)起始位、一個(gè)奇偶校驗(yàn)位和一個(gè)停止位，通常使用串口來完成字符的傳輸?，F(xiàn)場(chǎng)儀表作為從機(jī)接收HART指令并產(chǎn)生響應(yīng)時(shí)，要嚴(yán)格遵照HART協(xié)議的數(shù)據(jù)幀格式。由于HART協(xié)議數(shù)據(jù)幀的前導(dǎo)符長(zhǎng)度不同、數(shù)據(jù)幀中包含數(shù)據(jù)長(zhǎng)度不確定，因此 HART數(shù)據(jù)幀的總長(zhǎng)度也是不固定的，最長(zhǎng)為25字節(jié)。

HART協(xié)議應(yīng)用層定義了協(xié)議所支持的命令、響應(yīng)、數(shù)據(jù)狀態(tài)和狀態(tài)報(bào)告。在應(yīng)用層，HART協(xié)議為用戶提供了HART命令集，命令集中的命令分為3大類，即通用命令、常用命令和設(shè)備特定命令。通用命令是所有支持HART協(xié)議的設(shè)備均支持的命令，最常見的如讀取產(chǎn)品生產(chǎn)廠商及型號(hào)等信息。常用命令對(duì)于大部分設(shè)備適用，這些命令提供的功能并不是所有設(shè)備都支持，如寫變量阻尼值、標(biāo)定等。設(shè)備特定命令只針對(duì)某種具體設(shè)備的特殊性設(shè)立，由儀器制造商指定。

2 HART控制器硬件設(shè)計(jì)

HART協(xié)議是通過在傳統(tǒng)的4～20 mA電流環(huán)路上疊加±0.5 mA的電流波信號(hào)來進(jìn)行數(shù)字通信，對(duì)于搭載了HART模塊的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備來說，只有整個(gè)設(shè)備的自身功耗控制在3.5 mA以下，才能夠保證模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)均能正常進(jìn)行通信，因此在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)低功耗是首先要考慮的問題。MSP430系列單片機(jī)是TI公司的16位超低功耗單片機(jī)，為降低功耗專門為芯片設(shè)計(jì)了靈活的時(shí)鐘系統(tǒng)、多種低功耗模式、即時(shí)喚醒功能;同時(shí)，該系列單片機(jī)具有16位RISC結(jié)構(gòu)，運(yùn)算能力較強(qiáng)，并擁有豐富的片內(nèi)外設(shè)，已經(jīng)在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。因此，在本設(shè)計(jì)中采用MSP430單片機(jī)系列中的MSP430F149作為HART從機(jī)控制器的主控芯片。

4～20 mA的模擬信號(hào)通過使用ADI公司的AD421搭建外圍電路來實(shí)現(xiàn)，AD421是一款完整的環(huán)路供電型4～20 mA數(shù)字轉(zhuǎn)換器，這款DAC采用∑-△結(jié)構(gòu)，可保證16位分辨率和單調(diào)性，積分非線性只有±0.01%。同時(shí)，AD421完全兼容標(biāo)準(zhǔn)HART電路或者其他類似的FSK協(xié)議，與HART協(xié)議FSK通信電路結(jié)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實(shí)現(xiàn)HART協(xié)議的DAC。AD421及其外圍電路設(shè)計(jì)原理圖如圖4所示。

AD421通過鎖存線LATCH、時(shí)鐘線CLOCK、數(shù)據(jù)線DATA與MSP430的I/O口連接，MCU通過三線接口向AD421傳輸數(shù)據(jù)來調(diào)整輸出的 4～20 mA模擬信號(hào)值，AD421的C3引腳接收HART模塊耦合過來的FSK信號(hào)，再將信號(hào)疊加到電流輸出環(huán)路中完成數(shù)字信號(hào)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(diào)制解調(diào)器IC，滿足HART協(xié)議物理層規(guī)范要求。該器件內(nèi)部集成了1200 Hz/2 200 Hz FSK信號(hào)調(diào)制、解調(diào)功能和數(shù)字信號(hào)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(shè)計(jì)難度。工作時(shí)，HART輸入信號(hào)首先通過ADC采樣，然后進(jìn)行數(shù)字濾波、解調(diào)，保證在干擾環(huán)境下信號(hào)測(cè)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(xù)切換的低噪信號(hào)。接收時(shí)通過禁用發(fā)送電路實(shí)現(xiàn)低功耗，發(fā)送時(shí)同理，是一款理想的低功耗HART調(diào)制解調(diào)器。DS8500及其外圍電路設(shè)計(jì)原理圖如圖5所示。

DS8500的數(shù)字輸入腳D_IN、數(shù)字輸出腳D_OUT與MSP430的串口連接。載波檢測(cè)引腳OCD，發(fā)送請(qǐng)求引腳RTS與MCU的I/O口相連。接收數(shù)據(jù)時(shí)，MCU拉高RTS引腳，使能DS8500的解調(diào)模塊，環(huán)路上的HART信號(hào)經(jīng)過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(hào)后，DS8500的載波檢測(cè)引腳OCD輸出高電平，并將解碼后的數(shù)據(jù)通過D_OUT引腳串行輸出，MSP430通過串口中斷接收數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，MSP430拉低RTS引腳電平，使能DS8500的調(diào)制模塊，MSP430將要發(fā)送的數(shù)據(jù)通過串口從D_IN引腳發(fā)送給 DS8500，調(diào)制后的HART信號(hào)由FSK_OUT引腳輸出，并通過一個(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(shè)計(jì)

HART從機(jī)控制器軟件程序設(shè)計(jì)主要包括3大部分：AD421驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)、HART協(xié)議通信幀的正確接收與分析、HART應(yīng)用層命令的應(yīng)答實(shí)現(xiàn)。其中，AD421驅(qū)動(dòng)程序比較簡(jiǎn)單，官方網(wǎng)站已經(jīng)提供相應(yīng)驅(qū)動(dòng)包。而HART命令的應(yīng)答實(shí)現(xiàn)依賴于對(duì)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)幀，并從數(shù)據(jù)幀中提取出有效的信息加以分析，生成相應(yīng)的應(yīng)答數(shù)據(jù)幀。

HART設(shè)備在進(jìn)行通信時(shí)，首先由主機(jī)(上位機(jī)或手操器)向從機(jī)發(fā)送命令，從機(jī)(現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備)接收到主機(jī)的命令后執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作并返回應(yīng)答數(shù)據(jù)。由于HART 協(xié)議通信數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度不定，最長(zhǎng)為25字節(jié)，只擁有固定的前導(dǎo)符而沒有固定的結(jié)束標(biāo)識(shí)符，因此在本控制器的程序設(shè)計(jì)中使用MSP430的定時(shí)器來判斷主機(jī)不足25字節(jié)的一幀數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(dāng)從機(jī)最后一次接收到數(shù)據(jù)后，經(jīng)過T時(shí)間沒有接收到新數(shù)據(jù)就可以認(rèn)為已經(jīng)接收完一幀完整的數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)上電穩(wěn)定，經(jīng)過一系列初始化操作后，MSP430控制DS8500打開解調(diào)模塊，處于接收等待狀態(tài)。當(dāng)上位機(jī)有數(shù)據(jù)發(fā)送過來時(shí)，DS8500將解調(diào)后的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給MSP 430，若接收到的第一個(gè)字符為0xFF(前導(dǎo)符開頭字節(jié))則啟動(dòng)定時(shí)器，定時(shí)5ms(根據(jù)需要調(diào)整)，并將接收字符送入接收緩沖區(qū)，此后每接收到一個(gè)字符立刻將該字符存入接收緩沖區(qū)，并重置定時(shí)器計(jì)數(shù)器，直到定時(shí)器溢出(5 ms沒有接到新數(shù)據(jù))或者25字節(jié)的接收緩沖區(qū)已被填滿。此時(shí)，認(rèn)為主機(jī)已經(jīng)發(fā)送完一幀完整的數(shù)據(jù)，接下來調(diào)用HART數(shù)據(jù)處理函數(shù)，判斷接收者地址為本機(jī)后，對(duì)接收緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，校驗(yàn)通過后提取出主機(jī)發(fā)送的命令和數(shù)據(jù)，根據(jù)命令執(zhí)行相應(yīng)操作并生成應(yīng)答數(shù)據(jù)存入發(fā)送緩沖區(qū)中。MSP 430打開DS8500的調(diào)制模塊，將應(yīng)答數(shù)據(jù)從串口傳送給DS8500，經(jīng)過調(diào)制后通過4～20 mA環(huán)路發(fā)送給主機(jī)，然后關(guān)閉DS8500的調(diào)制器，打開解調(diào)器，繼續(xù)等待下一次命令的到來。控制程序核心部分流程圖如圖6所示。

HART協(xié)議應(yīng)用層命令的實(shí)現(xiàn)依賴于具體的設(shè)備，不同的設(shè)備需要實(shí)現(xiàn)的命令不盡相同，本控制器軟件程序使用了一個(gè)switch結(jié)構(gòu)來判斷從接收數(shù)據(jù)幀中提取出來的主機(jī)命令。因此，當(dāng)本控制器應(yīng)用于不同的設(shè)備時(shí)，應(yīng)用層部分只需根據(jù)設(shè)備需求添加case判斷語句和動(dòng)作執(zhí)行代碼，就可完成對(duì)新的命令的支持，具有很好的可復(fù)用性。

結(jié)語

與其他總線技術(shù)相比，HART協(xié)議并不能算是嚴(yán)格意義上的現(xiàn)場(chǎng)總線(模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)混合)，這使得難以為其開發(fā)統(tǒng)一的通信接口芯片，同時(shí)HART協(xié)議作為模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)變的過渡協(xié)議，在智能化、通信速率等方面又與真正的現(xiàn)場(chǎng)總線存在一定的差距，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(yīng)用。

由于HART協(xié)議實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、成本低廉、工作可靠，在未來的很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，HART協(xié)議仍將作為事實(shí)上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)活躍在工業(yè)領(lǐng)域，這也是本文提出該HART從機(jī)控制器設(shè)計(jì)的原因所在。

HART從機(jī)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。與現(xiàn)有設(shè)備結(jié)合時(shí)，可以利用MSP430單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)設(shè)備原有功能，HART通信模塊實(shí)現(xiàn)HART協(xié)議通信，或者根據(jù)設(shè)備具體情況直接將HART模塊加載于原設(shè)備之上，軟件程序只需針對(duì)設(shè)備所使用的單片機(jī)型號(hào)更改相應(yīng)的初始化代碼，并根據(jù)實(shí)際需要實(shí)現(xiàn)HART應(yīng)用層的命令應(yīng)答。目前，該設(shè)計(jì)已經(jīng)應(yīng)用在實(shí)際產(chǎn)品上，成功地將一款原本只支持4～20mA模擬通信的兩線制超聲波液位計(jì)升級(jí)改造，使其支持HART協(xié)議通信，并且經(jīng)過一段時(shí)間的測(cè)試觀察，通信穩(wěn)定，完全滿足了低成本限制下對(duì)傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備升級(jí)改造的需求，具有一定的參考價(jià)值。