通信领域HART协议的介绍

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下面我们来对HART协议进行一下应用方面的设计分析。首先我们了解一下HART协议的基本概念,然后对于它的硬件和软件设计进行了详述。

HART协议也是通信协议的一种,但是多数应用在工业当中。目前,它的应用前景非常可观。不少产品都会涉及这个协议的使用。那么接下来我们就对这个协议的一个仪表使用的硬件设计进行一下介绍。首先来对这个协议进行一下简单解析。

一、HART协议

HART(Highway Addressable Remote Transducer),可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议,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装置提供具有相对低的带宽,适度响应时间的通信,经过10多年的发展,HART技术在国外已经十分成熟,并已成为全球智能仪表的工业标准。HART协议采用基于Bell202标准的FSK频移键控信号,在低频的 4mA~20mA模拟信号上叠加幅度为0.5mA的音频数字信号进行双向数字通讯,数据传输率为1.2Mbps。由于FSK信号的平均值为0,不影响传送给控制系统模拟信号的大小,保证了与现有模拟系统的兼容性。

在HART协议通信中,主要的变量和控制信息由4mA~20mA传送,在需要的情况下,另外的测量、过程参数、设备组态、校准、诊断信息通过HART协议访问。

HART通信采用的是半双工的通信方式。HART协议参考 ISO/OSI(开放系统互连模型),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4mA~20mA模拟信号上迭加一个频率信号,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“0",2200Hz代表逻辑“1",信号幅值0.5A。

通信介质的选择视传输距离长短而定。通常采用双绞同轴电缆作为传输介质时,最大传输距离可达到1500m。线路总阻抗应在230Ω~1100Ω。

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。

现场仪表要执行HART指令,操作数必须合乎指定的大小。每个独立的字符包括1个起始位、8个数据位、1个奇偶校验位和一个停止位。由于数据的有无和长短并不恒定,所以HART数据的长度也是不一样的,最长的HART数据包含25个字节。

第三层: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。

二、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。

三、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。

四、结语

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。

责任编辑:佟健 来源: csdn.net
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