基于A5191HRT和AD421的HART協(xié)議通信模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

引言

　　HART（Highway Addressable Remote Transducer，可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道）通信協(xié)議由美國(guó)Rose-mount公司于20世紀(jì)80年代中期推出，之后又進(jìn)行了修訂和增補(bǔ)，作為開放標(biāo)準(zhǔn)由HART通信基金會(huì)HCF向全世界發(fā)布，主要用于現(xiàn)場(chǎng)智能儀表和控制室系統(tǒng)間進(jìn)行數(shù)字通信。由于兼容傳統(tǒng)的4～20mA模擬系統(tǒng)的HART通信協(xié)議具有諸多優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展至今，它已被世界上三分之二以上的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備所采用，成為智能工業(yè)控制領(lǐng)域事實(shí)上的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

　　在研制某智能現(xiàn)場(chǎng)儀表的過程中，使用單片HART調(diào)制解調(diào)器A5191HRT和數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD421設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了其中的HART協(xié)議遠(yuǎn)程通信模塊，具有高精度、低功耗、低成本、工作可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。

　　HART協(xié)議簡(jiǎn)介

　　HART協(xié)議是一種兼容現(xiàn)行4～20mA模擬系統(tǒng)的過渡性現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，協(xié)議具備以下特點(diǎn)：在4～20mA模擬信號(hào)上疊加數(shù)字信號(hào)進(jìn)行雙向數(shù)字通信，兼容現(xiàn)行模擬體制；可同時(shí)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的4～20mA模擬和數(shù)字通信；可以使用多站方式進(jìn)行通信；可傳送被測(cè)變量、設(shè)備設(shè)置參數(shù)、設(shè)備檢測(cè)結(jié)果等多種信息；開放的體系結(jié)構(gòu)，任何廠商和用戶都能夠免費(fèi)得到；數(shù)字響應(yīng)時(shí)間為500ms，突發(fā)方式為300ms。HART協(xié)議參考ISO/OSI，采用它的簡(jiǎn)化三層模型結(jié)構(gòu)，包括第一層物理層，第二層數(shù)據(jù)鏈路層和第七層應(yīng)用層。

　　物理層規(guī)定信號(hào)的傳輸方法、傳輸介質(zhì)。HART協(xié)議為實(shí)現(xiàn)模擬通信和數(shù)字通信同時(shí)進(jìn)行而互不干擾，采用基于Bell202標(biāo)準(zhǔn)的FSK頻移鍵控信號(hào)，在低頻的4～20mA模擬信號(hào)上疊加音頻數(shù)字信號(hào)進(jìn)行雙向數(shù)字通信。音頻數(shù)字信號(hào)的幅度為0.5mA，數(shù)據(jù)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(hào)的平均值為0，所以不影響傳送給控制系統(tǒng)的模擬信號(hào)的大小，保證了與現(xiàn)有模擬系統(tǒng)的兼容性。圖2所示為HART協(xié)議的數(shù)字和模擬信號(hào)疊加后同時(shí)傳輸?shù)氖疽鈭D。通信介質(zhì)的選擇視傳輸距離長(zhǎng)短而定，采用雙絞電纜傳輸時(shí)最大傳輸距離可達(dá)1500m，線路總阻抗應(yīng)在230～1100Ω之間。

　　數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定HART協(xié)議幀的格式，實(shí)現(xiàn)建立、維護(hù)、終結(jié)鏈路通信的功能。HART協(xié)議根據(jù)冗余檢錯(cuò)碼信息，采用自動(dòng)重復(fù)請(qǐng)求發(fā)送機(jī)制，消除由于線路噪聲或其他干擾引起的數(shù)據(jù)誤碼，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無差錯(cuò)傳送。HART協(xié)議信息幀的格式如表1所示。

　　現(xiàn)場(chǎng)儀表要執(zhí)行HART指令，操作數(shù)必須合乎指定的大小。每個(gè)獨(dú)立的字符包括：1個(gè)起始位、8個(gè)數(shù)據(jù)位、1個(gè)奇偶校驗(yàn)位和1個(gè)停止位。由于數(shù)據(jù)的有無和長(zhǎng)短不恒定，所以HART數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度也不一樣，最長(zhǎng)的HART數(shù)據(jù)包含25字節(jié)。

　　應(yīng)用層即為HART命令集，用于實(shí)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。

　　HART協(xié)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(cè)量數(shù)據(jù)、設(shè)備參數(shù)、校準(zhǔn)信息、診斷信息等通過HART協(xié)議傳輸，采用半雙工通信方式。

　　HART協(xié)議通信模塊的硬件設(shè)計(jì)

　　某智能現(xiàn)場(chǎng)儀表要求使用4～20mA傳統(tǒng)傳送最主要的一個(gè)測(cè)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(cè)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(cè)量結(jié)果的數(shù)字碼到4～20mA模擬信號(hào)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。設(shè)計(jì)完成的HART通信模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

　　HART協(xié)議通信模塊主要由HART調(diào)制解調(diào)器A5191HRT和D/A轉(zhuǎn)換器AD421及其外圍電路實(shí)現(xiàn)。其中，AD421通過串行接口接收現(xiàn)場(chǎng)儀表內(nèi)部MCU傳送的數(shù)字信號(hào)，轉(zhuǎn)換成4～20mA電流輸出，輸出主要的測(cè)量結(jié)果。A5191HRT則接收疊加在4～20mA環(huán)路上的信號(hào)，對(duì)其帶通濾波和放大之后進(jìn)行載波檢測(cè)，如果檢測(cè)到FSK頻移鍵控信號(hào)，則將1200Hz的信號(hào)解調(diào)為“1”，2200Hz信號(hào)解調(diào)為“0”，并通過串口通信傳輸給MCU，MCU接收命令幀并作相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。之后，MCU產(chǎn)生要發(fā)回的應(yīng)答幀，應(yīng)答幀的數(shù)字信號(hào)由A5191HRT調(diào)制成相應(yīng)的1200Hz和2200Hz的FSK頻移鍵控信號(hào)，并經(jīng)過發(fā)送信號(hào)整形電路進(jìn)行波形整形后，經(jīng)AD421疊加在環(huán)路上發(fā)送。

　　A5191HRT是AMI Semiconductor公司推出的單片HART調(diào)制解調(diào)器，采用相位連續(xù)的FSK半雙工工作方式，數(shù)據(jù)率為1200bps。A5191HRT內(nèi)部集成了符合Bell202標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)制器、解調(diào)器、接收濾波器、發(fā)送信號(hào)整形電路、載波檢測(cè)等電路，在+3.3V供電時(shí)工作電流330μA。由于A5191HRT的這些特點(diǎn)，使設(shè)計(jì)者使用較少的外部無源元件就能夠構(gòu)建滿足HART協(xié)議物理層要求的電路。本設(shè)計(jì)中當(dāng)A5191HRT接收時(shí)，從4～20mA環(huán)路上接收信號(hào)，經(jīng)過帶通濾波、放大整形后提取出FSK信號(hào)并解調(diào)為數(shù)字信號(hào)，傳送給MCU；發(fā)送時(shí)，從MCU接收數(shù)據(jù)，進(jìn)行調(diào)制和波形整形后耦合到AD421內(nèi)部，通過AD421疊加到環(huán)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(shù)模轉(zhuǎn)換器，主要由電壓調(diào)整器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器和電流放大器組成。電壓調(diào)整器由運(yùn)放、帶隙基準(zhǔn)和外接FET調(diào)整管組成，能夠從環(huán)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(shù)模轉(zhuǎn)換器采用∑-ΔDAC結(jié)構(gòu)，將16位數(shù)字碼轉(zhuǎn)換為4～20mA模擬電流。數(shù)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(shè)計(jì)的原理圖見圖4所示。