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

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)的有無和長短不恒定，所以hart數(shù)據(jù)的長度也不一樣，最長的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。

---其中，與mcu的通用串行收發(fā)模塊uart的接口信號(hào)包括載波檢測(cè)ocd、hart解調(diào)輸出orxd、來自u(píng)art的hart調(diào)制輸入itxd和請(qǐng)求發(fā)送inrts；loop+為4～20ma環(huán)路輸入，經(jīng)過外部電阻電容和a5191hrt內(nèi)部電路完成接收信號(hào)的帶通濾波和放大，用于解調(diào)；調(diào)制好的數(shù)據(jù)經(jīng)過內(nèi)部整形電路處理后由管腳otxa輸出，通過電容耦合到ad421內(nèi)部，然后疊加到環(huán)路上傳輸；hart調(diào)制解調(diào)的時(shí)鐘信號(hào)源于外接的460.8khz晶體產(chǎn)生的振蕩。ad421及其外圍電路設(shè)計(jì)的原理圖見圖5所示。

---其中l(wèi)oop+和loop-分別是電流環(huán)路的兩個(gè)端口；從mcu輸入dac的數(shù)字碼是通過三線接口實(shí)現(xiàn)的，分別是時(shí)鐘線clock、數(shù)據(jù)線data和鎖存線latch。

hart協(xié)議通信模塊的軟件設(shè)計(jì)
 ---hart協(xié)議通信模塊的軟件設(shè)計(jì)包括ad421的控制和hart通信協(xié)議的軟件程序設(shè)計(jì)。前者較為簡單，后者包括hart協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層的軟件設(shè)計(jì)，是整個(gè)模塊軟件設(shè)計(jì)的主體和關(guān)鍵。
---hart協(xié)議通信模塊的通信過程首先由主機(jī)(上位機(jī))發(fā)送命令幀發(fā)起，現(xiàn)場(chǎng)儀表作為從設(shè)備使用中斷調(diào)用子程序的方法完成接收和應(yīng)答?，F(xiàn)場(chǎng)儀表在上電或看門狗復(fù)位后，主程序首先對(duì)hart協(xié)議通信模塊進(jìn)行初始化，例如設(shè)定uart的工作方式、串行通信波特率、數(shù)據(jù)幀格式、清通信緩沖區(qū)、開中斷等，之后將其設(shè)置為等待狀態(tài)。上位機(jī)發(fā)送命令時(shí)，a5191hrt的載波檢測(cè)輸出ocd變?yōu)榈碗娖?，觸發(fā)uart中斷，程序進(jìn)入接收過程。mcu完成主機(jī)命令的接收、解釋并執(zhí)行相應(yīng)的操作后，按一定格式生成應(yīng)答幀并送入發(fā)送緩沖區(qū)，完成發(fā)送后再次將hart協(xié)議通信模塊設(shè)置為等待狀態(tài)。圖6為hart協(xié)議通信模塊接收主機(jī)幀、回復(fù)應(yīng)答幀的程序流程圖。
---hart協(xié)議通信模塊通過上圖所示的中斷調(diào)用子程序的方法，完成現(xiàn)場(chǎng)儀表和主機(jī)之間的通信，可以使主機(jī)完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表的工作參數(shù)設(shè)置、測(cè)量結(jié)果讀取、儀表檢測(cè)等工作。

結(jié)論
---實(shí)踐證明，上述的hart協(xié)議通信模塊的實(shí)現(xiàn)方法切實(shí)可行，具有電路設(shè)計(jì)簡單、工作可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，具有很好的參考價(jià)值和實(shí)用性。hart技術(shù)在國外已經(jīng)很成熟，并以其自身突出的優(yōu)點(diǎn)而成為智能控制領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)通信協(xié)議，在今后的很長一段時(shí)期內(nèi)，hart技術(shù)將在我國現(xiàn)場(chǎng)儀表的智能化改造和研制中發(fā)揮重要的作用。

參考文獻(xiàn)
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