基于A5191HRT和AD421的HART協(xié)議通信模塊的設計與實現(xiàn)

引言

　　HART（Highway Addressable Remote Transducer，可尋址遠程傳感器高速通道）通信協(xié)議由美國Rose-mount公司于20世紀80年代中期推出，之后又進行了修訂和增補，作為開放標準由HART通信基金會HCF向全世界發(fā)布，主要用于現(xiàn)場智能儀表和控制室系統(tǒng)間進行數(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，發(fā)展至今，它已被世界上三分之二以上的現(xiàn)場設備所采用，成為智能工業(yè)控制領域事實上的國際標準。

　　在研制某智能現(xiàn)場儀表的過程中，使用單片HART調(diào)制解調(diào)器A5191HRT和數(shù)模轉換器AD421設計實現(xiàn)了其中的HART協(xié)議遠程通信模塊，具有高精度、低功耗、低成本、工作可靠性高的優(yōu)點。

　　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)場總線標準，協(xié)議具備以下特點：在4～20mA模擬信號上疊加數(shù)字信號進行雙向數(shù)字通信，兼容現(xiàn)行模擬體制；可同時進行點對點的4～20mA模擬和數(shù)字通信；可以使用多站方式進行通信；可傳送被測變量、設備設置參數(shù)、設備檢測結果等多種信息；開放的體系結構，任何廠商和用戶都能夠免費得到；數(shù)字響應時間為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構，包括第一層物理層，第二層數(shù)據(jù)鏈路層和第七層應用層。

　　物理層規(guī)定信號的傳輸方法、傳輸介質(zhì)。HART協(xié)議為實現(xiàn)模擬通信和數(shù)字通信同時進行而互不干擾，采用基于Bell202標準的FSK頻移鍵控信號，在低頻的4～20mA模擬信號上疊加音頻數(shù)字信號進行雙向數(shù)字通信。音頻數(shù)字信號的幅度為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。圖2所示為HART協(xié)議的數(shù)字和模擬信號疊加后同時傳輸?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最大傳輸距離可達1500m，線路總阻抗應在230～1100Ω之間。

　　數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定HART協(xié)議幀的格式，實現(xiàn)建立、維護、終結鏈路通信的功能。HART協(xié)議根據(jù)冗余檢錯碼信息，采用自動重復請求發(fā)送機制，消除由于線路噪聲或其他干擾引起的數(shù)據(jù)誤碼，實現(xiàn)數(shù)據(jù)無差錯傳送。HART協(xié)議信息幀的格式如表1所示。

　　現(xiàn)場儀表要執(zhí)行HART指令，操作數(shù)必須合乎指定的大小。每個獨立的字符包括：1個起始位、8個數(shù)據(jù)位、1個奇偶校驗位和1個停止位。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)。

　　應用層即為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。

　　HART協(xié)議通信中，主要的變量或控制信息一般由4～20mA傳送，另外的諸多的測量數(shù)據(jù)、設備參數(shù)、校準信息、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計

　　某智能現(xiàn)場儀表要求使用4～20mA傳統(tǒng)傳送最主要的一個測量結果，使用HART協(xié)議數(shù)字通信的方式和控制設備交換儀表設置參數(shù)、中間測量數(shù)據(jù)、校準參數(shù)等信息。所以HART協(xié)議通信模塊需要完成測量結果的數(shù)字碼到4～20mA模擬信號的DA轉換，以及上述諸多其他信息的HART協(xié)議數(shù)字通信。設計完成的HART通信模塊結構框圖如圖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轉換器AD421及其外圍電路實現(xiàn)。其中，AD421通過串行接口接收現(xiàn)場儀表內(nèi)部MCU傳送的數(shù)字信號，轉換成4～20mA電流輸出，輸出主要的測量結果。A5191HRT則接收疊加在4～20mA環(huán)路上的信號，對其帶通濾波和放大之后進行載波檢測，如果檢測到FSK頻移鍵控信號，則將1200Hz的信號解調(diào)為“1”，2200Hz信號解調(diào)為“0”，并通過串口通信傳輸給MCU，MCU接收命令幀并作相應的數(shù)據(jù)處理。之后，MCU產(chǎn)生要發(fā)回的應答幀，應答幀的數(shù)字信號由A5191HRT調(diào)制成相應的1200Hz和2200Hz的FSK頻移鍵控信號，并經(jīng)過發(fā)送信號整形電路進行波形整形后，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標準的調(diào)制器、解調(diào)器、接收濾波器、發(fā)送信號整形電路、載波檢測等電路，在+3.3V供電時工作電流330μA。由于A5191HRT的這些特點，使設計者使用較少的外部無源元件就能夠構建滿足HART協(xié)議物理層要求的電路。本設計中當A5191HRT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，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，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)模轉換器，主要由電壓調(diào)整器、數(shù)模轉換器和電流放大器組成。電壓調(diào)整器由運放、帶隙基準和外接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)模轉換器采用∑-ΔDAC結構，將16位數(shù)字碼轉換為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及其外圍電路設計的原理圖見圖4所示。

　　  其中，與MCU的通用串行收發(fā)模塊UART的接口信號包括載波檢測OCD、HART解調(diào)輸出ORXD、來自UART的HART調(diào)制輸入ITXD和請求發(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)的時鐘信號源于外接的460.8kHz晶體產(chǎn)生的振蕩。AD421及其外圍電路設計的原理圖見圖5所示。

　　其中Loop+和Loop-分別是電流環(huán)路的兩個端口；從MCU輸入DAC的數(shù)字碼是通過三線接口實現(xiàn)的，分別是時鐘線CLOCK、數(shù)據(jù)線DATA和鎖存線LATCH。

　　HART協(xié)議通信模塊的軟件設計

　　HART協(xié)議通信模塊的軟件設計包括AD421的控制和HART通信協(xié)議的軟件程序設計。前者較為簡單，后者包括HART協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層和應用層的軟件設計，是整個模塊軟件設計的主體和關鍵。

　　HART協(xié)議通信模塊的通信過程首先由主機（上位機）發(fā)送命令幀發(fā)起，現(xiàn)場儀表作為從設備使用中斷調(diào)用子程序的方法完成接收和應答?，F(xiàn)場儀表在上電或看門狗復位后，主程序首先對HART協(xié)議通信模塊進行初始化，例如設定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，之后將其設置為等待狀態(tài)。上位機發(fā)送命令時，A5191HRT的載波檢測輸出OCD變?yōu)榈碗娖?，觸發(fā)UART中斷，程序進入接收過程。MCU完成主機命令的接收、解釋并執(zhí)行相應的操作后，按一定格式生成應答幀并送入發(fā)送緩沖區(qū)，完成發(fā)送后再次將HART協(xié)議通信模塊設置為等待狀態(tài)。圖6為HART協(xié)議通信模塊接收主機幀、回復應答幀的程序流程圖。

　　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)場儀表和主機之間的通信，可以使主機完成對現(xiàn)場儀表的工作參數(shù)設置、測量結果讀取、儀表檢測等工作。

　　結論

　　實踐證明，上述的HART協(xié)議通信模塊的實現(xiàn)方法切實可行，具有電路設計簡單、工作可靠性高的優(yōu)點，具有很好的參考價值和實用性。HART技術在國外已經(jīng)很成熟，并以其自身突出的優(yōu)點而成為智能控制領域中應用最廣泛的現(xiàn)場通信協(xié)議，在今后的很長一段時期內(nèi)，HART技術將在我國現(xiàn)場儀表的智能化改造和研制中發(fā)揮重要的作用。