A5191HRT型HART調(diào)制解調(diào)器的原理與應(yīng)用

摘  要：首先介紹A5191HRT型HART調(diào)制解調(diào)器的原理。A5191HRT內(nèi)部集成了符合Bell202標(biāo)準(zhǔn)的較完整的調(diào)制解調(diào)電路，與微處理器接口方便，便于構(gòu)建智能現(xiàn)場儀表的HART協(xié)議通信模塊電路。最后給出某智能現(xiàn)場儀表基于A5191HRT和AD421型電流環(huán)數(shù)，模轉(zhuǎn)換器的HART協(xié)議通信模塊設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：HART協(xié)議；串行通信；頻移鍵控；調(diào)制解調(diào)器

1 引言
    20世紀(jì)70年代中期，工業(yè)控制儀表發(fā)展為統(tǒng)一的二線制4 mA~20 mA電流環(huán)標(biāo)準(zhǔn)模擬信號體制。80年代后，數(shù)字技術(shù)的發(fā)展使大量智能控制儀表采用了微控制器(MCU)，儀表與控制設(shè)備之間傳輸?shù)男畔⒘吭黾?，迫切需要一種全數(shù)字雙向通信規(guī)范。美國Rose—mount公司制定的HART協(xié)議是兼容現(xiàn)行4 mA一20 mA模擬系統(tǒng)的過渡性現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，得到了非常廣泛的應(yīng)用，成為智能工業(yè)控制領(lǐng)域事實(shí)上的國際標(biāo)準(zhǔn)。

    AMI Semiconductor公司的A5191HRT型HART調(diào)制解調(diào)器用于構(gòu)建智能現(xiàn)場儀表的HART協(xié)議通信模塊，具有外圍電路簡單和工作可靠性高等特點(diǎn)。

2 HART協(xié)議
    HART(Highway Addressable Remote Transducer)協(xié)議是美國Rose—mount公司于20世紀(jì)80年代中期推出的，主要用于現(xiàn)場智能儀表和控制系統(tǒng)間的數(shù)字通信。HART協(xié)議在低頻的4 mA，20 mA模擬信號上疊加音頻數(shù)字信號，進(jìn)行雙向數(shù)字通信．具有同時進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)4 mA～20 mA模擬和數(shù)字通信、多站通信方式、多種信息傳輸、開放的體系結(jié)構(gòu)可免費(fèi)獲得等優(yōu)點(diǎn)。

    HART協(xié)議參考ISO／OSI模型(開放系統(tǒng)互聯(lián)模型)，采用簡化的3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。物理層規(guī)定信號的傳輸方法，采用基于Bell202標(biāo)準(zhǔn)的FSK頻移鍵控信號，在低頻4 mA一20 mA模擬信號上疊加音頻數(shù)字信號進(jìn)行雙向通信，數(shù)字信號幅度為0．5 mA，數(shù)據(jù)率達(dá)1200 b／s，以1200 Hz代表邏輯…1’，2200 Hz代表邏輯…0’。FSK頻移鍵控信號波形如圖1(a)所示。
數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定HART協(xié)議幀格式．實(shí)現(xiàn)建立、維護(hù)、終結(jié)鏈路通訊的功能。應(yīng)用層為HART協(xié)議命令集，用于實(shí)現(xiàn)HART指令。

    HART協(xié)議的FSK頻移鍵控信號和4 mA～20mA電流環(huán)模擬信號疊加后同時傳輸?shù)氖疽鈭D如圖1(b)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(tǒng)的4 mA一20 mA電流環(huán)模擬信號的大小．保證了與現(xiàn)有模擬系統(tǒng)的兼容性。

3  A5191HRT的工作原理
3．1  ASl91HRT的性能與引腳功能
    A5191HRT是應(yīng)用于HAftT現(xiàn)場儀表的單片CMOS調(diào)制解調(diào)器，其主要性能如下：
    (1)單片、半雙工1200 b／s速率的頻移鍵控(FSK)調(diào)制解調(diào)器，可替代SYM20C15；
    (2)Bell202標(biāo)準(zhǔn)的FSK頻移鍵控信號，載波為1200Hz和2200 Hz；
    (3)內(nèi)部集成了接收帶通濾波器電路和發(fā)送信號波形整形電路：
    (4)外接460．8 kHz晶體或陶瓷濾波器內(nèi)部時鐘振蕩器或者使用外部輸入時鐘；
    (5)工作溫度范圍為一40℃~+85℃；
    (6)電源電壓為3．O V～5．0 V；
    (7)滿足HAftr協(xié)議物理層的要求；
    (8)功耗低。

    另外，為了節(jié)省功耗，A5191HRT在進(jìn)行發(fā)送操作時可將接收電路關(guān)閉，進(jìn)行接收操作時也可將發(fā)送電路關(guān)閉．這種工作方式適合于HART協(xié)議的半雙工通信方式。

    A5191HRT采用28引腳PLCC和32引腳LQFP封裝，引腳排列如圖2所示。

主要引腳的功能如表1所示。

3．2 A5191HRT的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與工作原理
    A5191HRT內(nèi)部包括發(fā)送數(shù)據(jù)調(diào)制器與波形整形電路、載波檢測電路、接收濾波器與解調(diào)電路、控制邏輯和時鐘振蕩器電路。A5191HRT的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示．

    調(diào)制器接收不歸零數(shù)字碼并調(diào)制為FSK信號．以1200 Hz代表邏輯“l(fā)”．以2200 Hz代表邏輯“0”，數(shù)據(jù)率為1200 b／s，之后由波形整形電路將FSK信號整形為兼容HART協(xié)議要求的信號發(fā)送出去。接收濾波器完成輸入信號的帶通濾波，將信號送給載波檢測電路和解調(diào)器。載波檢測電路通過比較接收濾波器輸出信號和外部的參考電壓，在檢測到接收信號輸入引腳輸入有效的調(diào)制信號時輸出高電平。解調(diào)器在載波輸出有效時將經(jīng)過濾波后的FSK輸入信號解調(diào)為數(shù)字信號輸出。時鐘振蕩器電路產(chǎn)生460．8 kHz的時鐘信號，可以使用內(nèi)部振蕩器電路產(chǎn)生時鐘信號．此時需要外接一個晶振．也可以直接輸入外部時鐘信號。控制邏輯電路用于控制A5191HRT內(nèi)部各個電路模塊的工作．例如發(fā)送操作和接收操作的切換。

4 HART協(xié)議通信模塊的設(shè)計(jì)
4．1 HART協(xié)議通信模塊的硬件電路設(shè)計(jì)
    某智能現(xiàn)場儀表要求HART協(xié)議通信模塊完成與主機(jī)(上位機(jī))交換儀表的設(shè)置參數(shù)、中間測量數(shù)據(jù)、校準(zhǔn)參數(shù)等信息傳輸．以及將儀表測量結(jié)果的數(shù)字碼轉(zhuǎn)換為4mA～20 mA標(biāo)準(zhǔn)模擬電流環(huán)信號的輸出的功能。設(shè)計(jì)完成的HART通信模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

    HART協(xié)議通信模塊主要由現(xiàn)場儀表內(nèi)的MCU、A5191HRT和AD421型DAC組成。其中．AD421接收MCU傳送的數(shù)字信號并轉(zhuǎn)換成4 mA～20 mA電流輸出，傳輸測量結(jié)果：A5191HRT接收疊加在4 mA一20mA環(huán)路上的FSK信號．解調(diào)后傳輸給MCU．或?qū)CU產(chǎn)生的應(yīng)答幀信息調(diào)制成FSK信號經(jīng)波形整形器后由AD421疊加在4 mA一20 mA環(huán)路上發(fā)送出去。
 
    由于A5191HRT內(nèi)部集成了較完整的HART調(diào)制解調(diào)電路．所以其外圍電路只需較少的無源元件。A5191HRT的外圍電路原理如圖5所示。

    圖5中，A5191HRT與MCIJ的接口信號包括載波檢測OCD、HART解調(diào)輸出ORXD、HAIl'r調(diào)制輸入ITXD、請求發(fā)送INRTS:Loop+為4 mA~20 mA環(huán)路輸入：HART調(diào)制解調(diào)的時鐘信號源于外接的460．8 kHz晶體產(chǎn)生振蕩。

    AD421是ADI公司的高性能單片DAC,它兼容HART協(xié)議的FSK通信電路，適合低功耗、高精度、低成本的智能工業(yè)控制應(yīng)用。AD421由電壓調(diào)整器、∑一△結(jié)構(gòu)DAC核和電流放大器組成．可將16bit數(shù)字碼轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的4 mA～20 mA模擬電流。

4．2 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HART協(xié)議的軟件設(shè)計(jì)和MCU對AD421的控制程序設(shè)計(jì)。前者包括HART協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層的通信程序設(shè)計(jì)和應(yīng)用層的軟件界面設(shè)計(jì)．是整個模塊軟件設(shè)計(jì)的主要部分。

    HART協(xié)議通信模塊的通信過程由主機(jī)發(fā)送命令幀開始，現(xiàn)場儀表作為從設(shè)備使用中斷調(diào)用子程序來完成接收和應(yīng)答?，F(xiàn)場儀表上電復(fù)位后，通信程序首先初始化HART協(xié)議通信模塊。例如設(shè)定MCU的UART工作方式、串行通信波特率、數(shù)據(jù)幀格式和中斷等后進(jìn)入等待狀態(tài)。主機(jī)發(fā)送命令時，A5191HRT的載波檢測OCD變?yōu)榈碗娖?，觸發(fā)MCU的UART中斷．調(diào)用接收子程序。MCU完成主機(jī)命令的接收和處理后，生成應(yīng)答幀并傳輸給A5191HRT．調(diào)制成FSK信號傳輸給主機(jī)，完成后再將HART協(xié)議通信模塊設(shè)置為等待狀態(tài)。

    HART協(xié)議通信模塊采用這種中斷調(diào)用子程序的方法完成現(xiàn)場儀表和主機(jī)之間的通信，可以實(shí)現(xiàn)主機(jī)對現(xiàn)場儀表的各個工作參數(shù)的設(shè)置、測量結(jié)果的讀取、儀表工作狀態(tài)的檢測等功能，并且具有程序設(shè)計(jì)靈活的優(yōu)點(diǎn)。

5  結(jié)束語
    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)成為智能控制領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場通信協(xié)議。可以預(yù)見，在今后很長一段時期內(nèi)，HART技術(shù)將在我國現(xiàn)場儀表的智能化研制和改造中發(fā)揮重要作用。設(shè)計(jì)實(shí)踐證明，使用A5191HRT設(shè)計(jì)智能現(xiàn)場儀表的HART協(xié)議通信模塊具有電路設(shè)計(jì)簡單、工作可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，參考價(jià)值和實(shí)用價(jià)值較高。