基于ＨＡＲＴ協(xié)議的智能壓力變送器通信模塊的研究

[摘要]詳細介紹HART通信的基本原理。提出以微處理器msp430單片機為核心，以調(diào)制解調(diào)芯片HT20C15為通信芯片的通信模塊的設(shè)計。

[關(guān)鍵詞]HART協(xié)議 頻移鍵控 串行通信

中圖分類號：TN91 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2009）0110038-01

一、HART協(xié)議簡介

HART（Highway Addressable Remote Transducer）協(xié)議即可尋址遠程傳感器高速通道開放通信協(xié)議，是美國Rosemen公司于1985年推出的一種用于現(xiàn)場智能儀表和控制室設(shè)備之間的通信協(xié)議。

HART協(xié)議采用半雙工通訊，參考ISO/OSI開放系統(tǒng)互聯(lián)模型，采用了它的簡化三層模型結(jié)構(gòu)，即第一層物理層、第二層數(shù)據(jù)鏈路層和第七層應(yīng)用層。

第一層：物理層。規(guī)定了信號的傳輸方法、傳輸介質(zhì)，為了實現(xiàn)模擬通信和數(shù)字通信同時進行而又互不干擾，HART協(xié)議采用頻移鍵控技術(shù)FSK，即在4～20mA模擬信號上疊加一個頻率信號，頻率信號采用Be11202國際標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)字信號的傳送波特率設(shè)定為1200bps，1200Hz代表邏輯“1”，2200Hz代表邏輯“0”，信號幅值0.5mA。由于FSK信號的平均值為0，所以不影響傳送給控制系統(tǒng)的模擬信號的大小，保證了與現(xiàn)有模擬系統(tǒng)的兼容性[1]。

第二層：數(shù)據(jù)鏈路層。規(guī)定了HART幀的格式，實現(xiàn)建立、維護、終結(jié)鏈路通訊功能。HART協(xié)議根據(jù)冗余檢錯碼信息，采用自動重復(fù)請求發(fā)送機制，消除由于線路噪音或其他干擾引起的數(shù)據(jù)通訊出錯，實現(xiàn)通訊數(shù)據(jù)無差錯傳送。第七層：應(yīng)用層。為HART命令集，用于實現(xiàn)HART指令。命令分為三類，即通用命令、普通命令和專用命令。

二、智能變送器的硬件設(shè)計

智能現(xiàn)場儀表要求使用4～20mA傳統(tǒng)傳送測量結(jié)果，使用HART協(xié)議數(shù)字通信的方式和控制設(shè)備交換儀表設(shè)置參數(shù)、中間測量數(shù)據(jù)、校準(zhǔn)參數(shù)等信息。所以HART協(xié)議通信模塊需要完成測量結(jié)果的數(shù)字碼到4～20mA模擬信號的DA轉(zhuǎn)換，以及上述諸多其他信息的HART協(xié)議數(shù)字通信。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

傳感器通過震蕩電路，將金屬電容傳感器的電容變化信號，轉(zhuǎn)化為與壓力有關(guān)的電信號，該信號通過放大，調(diào)理后送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器。本設(shè)計得模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采用的式AD7799。它是AD公司的一款新型、高精度、寬動態(tài)范圍、24位AD轉(zhuǎn)化器。該芯片具有自動校準(zhǔn)、系統(tǒng)校準(zhǔn)和背景校準(zhǔn)功能，可以消除零點誤差、滿量程誤差及溫度漂移的影響。

本設(shè)計采用AD公司推出的16位數(shù)字模擬變換器AD421，由環(huán)路Loop+和Loop-供電，可以將數(shù)字信號直接轉(zhuǎn)換成4～20mA電流輸出。采用兩線路供電，片內(nèi)有電壓調(diào)整器，除了能提供自身的用電外，就能給系統(tǒng)其它部分提供5V、3.3V或3V的電壓。同時還能提供精準(zhǔn)的+1.25V和+2.5V的參考電壓。本設(shè)計中AD421通過LATCH、CLOCK和DATA與MCU進行串口通信[2]。AD421外圍電路連接如圖2所示。

本設(shè)計中用的調(diào)制解調(diào)器是HT20C15，采用相位連續(xù)的FSK半雙工工作方式，數(shù)據(jù)率為1200bps。片內(nèi)集成了符合BELL202標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)制器、解調(diào)器、定時電路、檢測控制電路[4]。HT20C15的外圍接口電路如圖3所示。

HT20C15與MCU交換數(shù)字信號，同時作為AD421的模擬信號接口。當(dāng)HT20C15接收時，從4～20mA環(huán)路上接收信號，經(jīng)過帶通濾波、放大整形后提取出FSK信號并解調(diào)為數(shù)字信號，將1200Hz的信號解調(diào)為“1”，將2200Hz的信號解調(diào)為“0”，傳送給MCU；發(fā)送時，從MCU接收數(shù)據(jù)，進行調(diào)制和波形整形后耦合到AD421內(nèi)部，將“1”調(diào)制為1200Hz，將“0”調(diào)制為2200Hz，通過AD421疊加到環(huán)路上。HT20C15和MCU通過后者的通用串行通信接口連接，從而實現(xiàn)HART通信。

三、智能變送器的軟件設(shè)計

在HART通信過程中，主機發(fā)送命令幀，現(xiàn)場儀表通過串行終端接收到命令幀后由MCU作出相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，產(chǎn)生應(yīng)答幀，由MCU觸發(fā)發(fā)送中斷，發(fā)出應(yīng)答，從而完成一次命令交換。

在系統(tǒng)上電或者看門狗復(fù)位后，主程序要對通信部分進行初始化，主要完成時鐘選擇、波特率設(shè)定、串口工作方式設(shè)定、開中斷等。

完成初始化之后，通信部分一直處于準(zhǔn)備接受狀態(tài)下，上位機一有命令發(fā)來，HT20C15的引腳OCD變?yōu)榈碗娖?，觸發(fā)中斷，MCU通過串行口啟動接收，程序進入接受過程，接收完成后，MCU讀主機命令進行解釋后，執(zhí)行相應(yīng)的操作，最后生成應(yīng)答幀送入發(fā)送緩沖區(qū)，引腳INRTS置低，啟動發(fā)送。發(fā)送完應(yīng)答幀之后，在此等待主機命令，等待下一次中斷的到來。

四、結(jié)論

基于HART協(xié)議的智能產(chǎn)品性能優(yōu)良，兼容性好，性價比高。HART技術(shù)在國外已經(jīng)很成熟，發(fā)展至今，已經(jīng)成為智能控制領(lǐng)域?qū)嶋H的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。在今后很長的一段時間內(nèi)，HART協(xié)議產(chǎn)品將在國內(nèi)外仍然具有十分廣闊得市場。

參考文獻：

[1]Smart International Corp，HART技術(shù)指南.

[2]劉薛萍等，基于AD7799的溫度采集系統(tǒng)，自動化技術(shù)與應(yīng)用，2007.07.

[3]汪獻忠等，AD421在智能變送器中的應(yīng)用，儀表技術(shù)與傳感器，2006.03.

[4]Hart Modem HT2015 Application Note. Smart Research Technology Source.

作者簡介：

辛?xí)札?，男，江蘇徐州，在讀研究生，主要研究方向：測試計量和智能控制，儀器儀表、電子通信。