HART协议在通信芯片中的应用

　　通过先前的一些内容，我们知道HART协议的相关知识，也知道它在总线方面有着重要的作用。那么今天我们来对它的一类应用进行一下解析。那么主要讲解一下在通信芯片方面HART协议的使用。HART(Highway Addressable Remote Transducer)协议即可寻址远程传感器高速通道开放通信协议,是美国Rosemen公司于1985年推出的一种用于现场智能仪表和控制室设备之间的通信协议?

　　HART协议采用半双工通讯,参考ISO/OSI开放系统互联模型,采用了它的简化三层模型结构,即第一层物理层?第二层数据链路层和第七层应用层?

　　第一层:物理层?规定了信号的传输方法?传输介质,为了实现模拟通信和数字通信同时进行而又互不干扰,HART协议采用频移键控技术FSK,即在4~20mA模拟信号上叠加一个频率信号,频率信号采用Be11202国际标准,数字信号的传送波特率设定为1200bps,1200Hz代表逻辑“1",2200Hz代表逻辑“0",信号幅值0.5mA?由于FSK信号的平均值为0,所以不影响传送给控制系统的模拟信号的大小,保证了与现有模拟系统的兼容性?

　　第二层:数据链路层?规定了HART帧的格式,实现建立?维护?终结链路通讯功能?HART协议根据冗余检错码信息,采用自动重复请求发送机制,消除由于线路噪音或其他干扰引起的数据通讯出错,实现通讯数据无差错传送?第七层:应用层?为HART命令集,用于实现HART指令?命令分为三类,即通用命令?普通命令和专用命令?

　　智能变送器的硬件设计

　　智能现场仪表要求使用4~20mA传统传送测量结果,使用HART协议数字通信的方式和控制设备交换仪表设置参数?中间测量数据?校准参数等信息?所以HART协议通信模块需要完成测量结果的数字码到4~20mA模拟信号的DA转换,以及上述诸多其他信息的HART协议数字通信?

　　传感器通过震荡电路,将金属电容传感器的电容变化信号,转化为与压力有关的电信号,该信号通过放大,调理后送入模数转换器?本设计得模数转换芯片采用的式AD7799?它是AD公司的一款新型?高精度?宽动态范围?24位AD转化器?该芯片具有自动校准?系统校准和背景校准功能,可以消除零点误差?满量程误差及温度漂移的影响?

　　本设计采用AD公司推出的16位数字模拟变换器AD421,由环路Loop+和Loop-供电,可以将数字信号直接转换成4~20mA电流输出?采用两线路供电,片内有电压调整器,除了能提供自身的用电外,就能给系统其它部分提供5V?3.3V或3V的电压?同时还能提供精准的+1.25V和+2.5V的参考电压?本设计中AD421通过LATCH?CLOCK和DATA与MCU进行串口通信?

　　本设计中用的调制解调器是HT20C15,采用相位连续的FSK半双工工作方式,数据率为1200bps?片内集成了符合BELL202标准的调制器?解调器?定时电路?检测控制电路?

　　HT20C15与MCU交换数字信号,同时作为AD421的模拟信号接口?当HT20C15接收时,从4~20mA环路上接收信号,经过带通滤波?放大整形后提取出FSK信号并解调为数字信号,将1200Hz的信号解调为“1",将2200Hz的信号解调为“0",传送给MCU;发送时,从MCU接收数据,进行调制和波形整形后耦合到AD421内部,将“1"调制为1200Hz,将“0"调制为2200Hz,通过AD421叠加到环路上?HT20C15和MCU通过后者的通用串行通信接口连接,从而实现HART通信?

　　智能变送器的软件设计

　　在HART通信过程中,主机发送命令帧,现场仪表通过串行终端接收到命令帧后由MCU作出相应的数据处理,产生应答帧,由MCU触发发送中断,发出应答,从而完成一次命令交换?

　　在系统上电或者看门狗复位后,主程序要对通信部分进行初始化,主要完成时钟选择?波特率设定?串口工作方式设定?开中断等?

　　完成初始化之后,通信部分一直处于准备接受状态下,上位机一有命令发来,HT20C15的引脚OCD变为低电平,触发中断,MCU通过串行口启动接收,程序进入接受过程,接收完成后,MCU读主机命令进行解释后,执行相应的操作,最后生成应答帧送入发送缓冲区,引脚INRTS置低,启动发送?发送完应答帧之后,在此等待主机命令,等待下一次中断的到来?

　　结论

　　基于HART协议的智能产品性能优良,兼容性好,性价比高?HART技术在国外已经很成熟,发展至今,已经成为智能控制领域实际的工业标准?在今后很长的一段时间内,HART协议产品将在国内外仍然具有十分广阔得市场?