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引言 HART(Highway Addressable Remote Transducer，可尋址遠程傳感器高速通道)通信協議由美國Rose-mount公司于20世紀80年代中期推出，之后又進行了修訂和增補，作為開放標準由HART通信基金會HCF向全世界發布，主要用于現場智能儀表和控制室系統間進行數字通信。由于兼容傳統的4～20mA模擬系統的HART通信協議具有諸多優點，發展至今，它已被世界上三分之二以上的現場設備所采用，成為智能工業控制領域事實上的國際標準。 在研制某智能現場儀表的過程中，使用單片HART調制解調器A5191HRT和數模轉換器AD421設計實現了其中的HART協議遠程通信模塊，具有高精度、低功耗、低成本、工作可靠性高的優點。 HART協議簡介 HART協議是一種兼容現行4～20mA模擬系統的過渡性現場總線標準，協議具備以下特點：在4～20mA模擬信號上疊加數字信號進行雙向數字通信，兼容現行模擬體制；可同時進行點對點的4～20mA模擬和數字通信；可以使用多站方式進行通信；可傳送被測變量、設備設置參數、設備檢測結果等多種信息；開放的體系結構，任何廠商和用戶都能夠免費得到；數字響應時間為500ms，突發方式為300ms。HART協議參考ISO/OSI，采用它的簡化三層模型結構，包括第一層物理層，第二層數據鏈路層和第七層應用層。 物理層規定信號的傳輸方法、傳輸介質。HART協議為實現模擬通信和數字通信同時進行而互不干擾，采用基于Bell202標準的FSK頻移鍵控信號，在低頻的4～20mA模擬信號上疊加音頻數字信號進行雙向數字通信。音頻數字信號的幅度為0.5mA，數據傳輸率為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的模擬信號的大小，保證了與現有模擬系統的兼容性。圖2所示為HART協議的數字和模擬信號疊加后同時傳輸的示意圖。通信介質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1500m，線路總阻抗應在230～1100Ω之間。 數據鏈路層規定HART協議幀的格式，實現建立、維護、終結鏈路通信的功能。HART協議根據冗余檢錯碼信息，采用自動重復請求發送機制，消除由于線路噪聲或其他干擾引起的數據誤碼，實現數據無差錯傳送。HART協議信息幀的格式如表1所示。 現場儀表要執行HART指令，操作數必須合乎指定的大小。每個獨立的字符包括：1個起始位、8個數據位、1個奇偶校驗位和1個停止位。由于數據的有無和長短不恒定，所以HART數據的長度也不一樣，最長的HART數據包含25字節。 應用層即為HART命令集，用于實現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據、設備參數、校準信息、診斷信息等通過HART協議傳輸，采用半雙工通信方式。 HART協議通信模塊的硬件設計 某智能現場儀表要求使用4～20mA傳統傳送最主要的一個測量結果，使用HART協議數字通信的方式和控制設備交換儀表設置參數、中間測量數據、校準參數等信息。所以HART協議通信模塊需要完成測量結果的數字碼到4～20mA模擬信號的DA轉換，以及上述諸多其他信息的HART協議數字通信。設計完成的HART通信模塊結構框圖如圖3所示。 HART協議通信模塊主要由HART調制解調器A5191HRT和D/A轉換器AD421及其外圍電路實現。其中，AD421通過串行接口接收現場儀表內部MCU傳送的數字信號，轉換成4～20mA電流輸出，輸出主要的測量結果。A5191HRT則接收疊加在4～20mA環路上的信號，對其帶通濾波和放大之后進行載波檢測，如果檢測到FSK頻移鍵控信號，則將1200Hz的信號解調為“1”，2200Hz信號解調為“0”，并通過串口通信傳輸給MCU，MCU接收命令幀并作相應的數據處理。之后，MCU產生要發回的應答幀，應答幀的數字信號由A5191HRT調制成相應的1200Hz和2200Hz的FSK頻移鍵控信號，并經過發送信號整形電路進行波形整形后，經AD421疊加在環路上發送。 A5191HRT是AMI Semiconductor公司推出的單片HART調制解調器，采用相位連續的FSK半雙工工作方式，數據率為1200bps。A5191HRT內部集成了符合Bell202標準的調制器、解調器、接收濾波器、發送信號整形電路、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，使設計者使用較少的外部無源元件就能夠構建滿足HART協議物理層要求的電路。本設計中當A5191HRT接收時，從4～20mA環路上接收信號，經過帶通濾波、放大整形后提取出FSK信號并解調為數字信號，傳送給MCU；發送時，從MCU接收數據，進行調制和波形整形后耦合到AD421內部，通過AD421疊加到環路上。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模轉換器，主要由電壓調整器、數模轉換器和電流放大器組成。電壓調整器由運放、帶隙基準和外接FET調整管組成，能夠從環路中獲取電流，為AD421和其他器件提供3.0V、3.3V、或5.0V可選擇的供電電壓。數模轉換器采用∑-ΔDAC結構，將16位數字碼轉換為4～20mA模擬電流。數字碼是通過和MCU的三線接口CLOCK、DATA和LATCH從MCU串行輸入。A5191HRT及其外圍電路設計的原理圖見圖4所示。 其中，與MCU的通用串行收發模塊UART的接口信號包括載波檢測OCD、HART解調輸出ORXD、來自UART的HART調制輸入ITXD和請求發送INRTS；Loop+為4～20mA環路輸入，經過外部電阻電容和A5191HRT內部電路完成接收信號的帶通濾波和放大，用于解調；調制好的數據經過內部整形電路處理后由管腳OTXA輸出，通過電容耦合到AD421內部，然后疊加到環路上傳輸；HART調制解調的時鐘信號源于外接的460.8kHz晶體產生的振蕩。AD421及其外圍電路設計的原理圖見圖5所示。 其中Loop+和Loop-分別是電流環路的兩個端口；從MCU輸入DAC的數字碼是通過三線接口實現的，分別是時鐘線CLOCK、數據線DATA和鎖存線LATCH。 HART協議通信模塊的軟件設計 HART協議通信模塊的軟件設計包括AD421的控制和HART通信協議的軟件程序設計。前者較為簡單，后者包括HART協議數據鏈路層和應用層的軟件設計，是整個模塊軟件設計的主體和關鍵。 HART協議通信模塊的通信過程首先由主機(上位機)發送命令幀發起，現場儀表作為從設備使用中斷調用子程序的方法完成接收和應答。現場儀表在上電或看門狗復位后，主程序首先對HART協議通信模塊進行初始化，例如設定UART的工作方式、串行通信波特率、數據幀格式、清通信緩沖區、開中斷等，之后將其設置為等待狀態。上位機發送命令時，A5191HRT的載波檢測輸出OCD變為低電平，觸發UART中斷，程序進入接收過程。MCU完成主機命令的接收、解釋并執行相應的操作后，按一定格式生成應答幀并送入發送緩沖區，完成發送后再次將HART協議通信模塊設置為等待狀態。圖6為HART協議通信模塊接收主機幀、回復應答幀的程序流程圖。 HART協議通信模塊通過上圖所示的中斷調用子程序的方法，完成現場儀表和主機之間的通信，可以使主機完成對現場儀表的工作參數設置、測量結果讀取、儀表檢測等工作。 結論 實踐證明，上述的HART協議通信模塊的實現方法切實可行，具有電路設計簡單、工作可靠性高的優點，具有很好的參考價值和實用性。HART技術在國外已經很成熟，并以其自身突出的優點而成為智能控制領域中應用最廣泛的現場通信協議，在今后的很長一段時期內，HART技術將在我國現場儀表的智能化改造和研制中發揮重要的作用。 參考文獻 1 HCF．Hart Field Communications Protocol Application Guide.1999 2 Smar International Corp．HART技術指南 3 張石,蔡惠龍.現場通信協議HART原理與應用.測控技術.1999.2 4 辛長宇,呂秀江.AD421與HART調制解調器20C51的接口.電子產品世界.2001.9 5 王鴻昌,李寶康. HART技術的特點及進展.自動化與儀器儀表.2002 |
