对于仪表HART协议的研究

　　在曾经的讲述中，我们了解了不少有关于HART协议的知识，我们知道，它在总线和一些特定的场合，有着重要的应用。这里，我们主要参数一下HART协议的仪表应用。在这里，我们着重讲解了远程通信硬件的设计，希望能够帮助大家拓展这方面的知识。

　　现场仪表HART协议远程通信硬件设计

　　某现场仪表的HART协议部分主要完成数字信号到模拟电流信号的转换,并实现对主要变量和测量?过程参数?设备组态?校准及诊断信息的访问?HART通信部分主要由D/A转换和Bell202 MODEM及其附属电路来实现?其中,D/A变换作用是直接将数字信号转换成4mA~20mA电流输出,以输出主要的变量?Bell202 MODEM及其附属电路的作用是对叠加在4mA~20mA环路上的信号进行带通滤波放大后,HART通信单元如果检测到FSK频移键控信号,则由Bell202 MODEM将1200Hz的信号解调为“1",2200Hz信号解调为“0"的数字信号,通过串口通信交MCU,MCU接收命令帧,作相应的数据处理?然后,MCU产生要发回的应答帧,应答帧的数字信号由MODEM调制成相应的1200Hz和2200Hz的FSK频移键控信号,波形整形后,经AD421叠加在环路上发出?

　　D/A变换器采用AD421,它是美国ADI公司推出的一种单片高性能数模转换器,由环路供电,16位数字信号以串行方式输入,可以将数字信号直接转换成4mA~20mA电流输出?它提供了高精度?全集成?低功耗的解决方案,采用16引脚DIP?TSSOP?SOIC封装,可实现低成本的远程智能工业控制?AD421包括串行输入16位 D/A(数字/电流 )转换,除自身用电外,还提供可选择的(5V,3.3 V或 3 V)稳压输出供变送器其他部分用电?

　　HART MODEM采用 Smar公司的 HT2012,是符合Bell202标准的半双工调制解调器,实现HART协议规定的数字通信的编码或译码?该芯片专为 HART仪器设计,片内集成了符合 BELL202标准的调制器?解调器?时钟及定时电路?检测控制电路?性价比较高,16脚 DIP和28脚PLCC封装,在+5V供电时工作电流80μA?HT2012与微控制器交换数字信号,同AD421作模拟信号接口?它一方面与MCU的异步串行通信口进行串行通信,一方面将输入的不归零的数字信号调制成FSK信号,再经AD421叠加在4mA~20mA的回路上输出,或者将回路信号经带通滤波?放大整形后取出FSK信号解调为数字信号,从而实现HART通信?

　　对于HART MODEM所需要的输入时钟,采用7.3728MHz的晶振通过两个计数器74LS161进行两次4分频,得到16分频的时钟?

　　由于HART数字通信的要求,有0.5mA的正弦波电流信号叠加在4mA电流上,因此整个硬件电路必须保证在3.5mA以下还能正常工作,因此实现系统的低功耗设计非常重要?

　　通信的软件设计

　　HART通信程序也即为HART协议数据链路层和应用层的软件实现,是整个现场仪表软件设计的关键?

　　在HART通信过程中,主机(上位机)发送命令帧,现场仪表通过串行口中断接收到命令帧后,由MCU作相应的数据处理,产生应答帧,由MCU触发发送中断,发出应答帧,从而完成一次命令交换?

　　首先在上电或者看门狗复位后,主程序要对通信部分进行初始化,主要包括波特率设定?串口工作方式设定?清通信缓冲区?开中断等?

　　在初始化完成之后通讯部分就一直处在准备接收状态下,一旦上位机有命令发来,HT2012的载波检测口OCD变为低电平,触发中断,启动接收,程序就进入接收部分?然后完成主机命令的解释并根据命令去执行相应的操作,最后按一定的格式生成应答帧并送入通信缓冲区,启动发送,完成后关闭SCI?

　　在发送应答帧之后,再次进入等待状态,等待下一条主机命令?

　　总结

　　实践证明,上述方法具有结构简单?工作可靠的特点,完全符合HART协议,具有较好的通用性?

　　由于HART众多不容置疑的优点,使得它成为全球应用最广的现场通信协议,已成为工业上实用的标准?因此在今后很长一段时期内,HART协议产品在国内仍然具有十分广阔的市场?