軟考網(wǎng)絡(luò)管理員：HART協(xié)議的硬件、軟件設(shè)計(jì)

　　我們將對(duì)HART協(xié)議的具體應(yīng)用做一個(gè)詳細(xì)的介紹。

　　現(xiàn)場(chǎng)儀表HART協(xié)議遠(yuǎn)程通信硬件設(shè)計(jì)

　　某現(xiàn)場(chǎng)儀表的HART協(xié)議部分主要完成數(shù)字信號(hào)到模擬電流信號(hào)的轉(zhuǎn)換，并實(shí)現(xiàn)對(duì)主要變量和測(cè)量、過程參數(shù)、設(shè)備組態(tài)、校準(zhǔn)及診斷信息的訪問。HART通信部分主要由D/A轉(zhuǎn)換和 Bell202 MODEM及其附屬電路來實(shí)現(xiàn)。其中，D/A變換作用是直接將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成4mA～20mA電流輸出，以輸出主要的變量。Bell202 MODEM及其附屬電路的作用是對(duì)疊加在4mA～20mA環(huán)路上的信號(hào)進(jìn)行帶通濾波放大后，HART通信單元如果檢測(cè)到FSK頻移鍵控信號(hào)，則由 Bell202 MODEM將1200Hz的信號(hào)解調(diào)為“1”，2200Hz信號(hào)解調(diào)為“0”的數(shù)字信號(hào)，通過串口通信交MCU，MCU接收命令幀，作相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。然后，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MODEM調(diào)制成相應(yīng)的1200Hz和2200Hz的FSK頻移鍵控信號(hào)，波形整形后，經(jīng)AD421疊加在環(huán)路上發(fā)出。

　　D/A變換器采用AD421，它是美國(guó)ADI公司推出的一種單片高性能數(shù)模轉(zhuǎn)換器，由環(huán)路供電，16位數(shù)字信號(hào)以串行方式輸入，可以將數(shù)字信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成4mA～20mA電流輸出。它提供了高精度、全集成、低功耗的解決方案，采用16引腳DIP、TSSOP、SOIC封裝，可實(shí)現(xiàn)低成本的遠(yuǎn)程智能工業(yè)控制。AD421包括串行輸入16位 D/A(數(shù)字/電流 )轉(zhuǎn)換，除自身用電外，還提供可選擇的(5V，3.3 V或 3 V)穩(wěn)壓輸出供變送器其他部分用電。

　　HART MODEM采用 Smar公司的 HT2012，是符合Bell202標(biāo)準(zhǔn)的半雙工調(diào)制解調(diào)器，實(shí)現(xiàn)HART協(xié)議規(guī)定的數(shù)字通信的編碼或譯碼。該芯片專為 HART儀器設(shè)計(jì)，片內(nèi)集成了符合 BELL202標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)制器、解調(diào)器、時(shí)鐘及定時(shí)電路、檢測(cè)控制電路。性價(jià)比較高，16腳 DIP和28腳PLCC封裝，在+5V供電時(shí)工作電流80μA。HT2012與微控制器交換數(shù)字信號(hào)，同AD421作模擬信號(hào)接口。它一方面與MCU的異步串行通信口進(jìn)行串行通信，一方面將輸入的不歸零的數(shù)字信號(hào)調(diào)制成FSK信號(hào)，再經(jīng)AD421 疊加在4mA～20mA的回路上輸出，或者將回路信號(hào)經(jīng)帶通濾波、放大整形后取出FSK信號(hào)解調(diào)為數(shù)字信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)HART通信。

　　對(duì)于HART MODEM所需要的輸入時(shí)鐘，采用7.3728MHz的晶振通過兩個(gè)計(jì)數(shù)器74LS161進(jìn)行兩次4分頻，得到16分頻的時(shí)鐘。

　　由于HART數(shù)字通信的要求，有0.5mA的正弦波電流信號(hào)疊加在4mA電流上，因此整個(gè)硬件電路必須保證在3.5mA以下還能正常工作，因此實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)非常重要。

　　通信的軟件設(shè)計(jì)

　　HART通信程序也即為HART協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層的軟件實(shí)現(xiàn)，是整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)儀表軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

　　在HART通信過程中，主機(jī)(上位機(jī))發(fā)送命令幀，現(xiàn)場(chǎng)儀表通過串行口中斷接收到命令幀后，由MCU作相應(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)答幀，從而完成一次命令交換。

　　首先在上電或者看門狗復(fù)位后，主程序要對(duì)通信部分進(jìn)行初始化，主要包括波特率設(shè)定、串口工作方式設(shè)定、清通信緩沖區(qū)、開中斷等。

　　在初始化完成之后通訊部分就一直處在準(zhǔn)備接收狀態(tài)下，一旦上位機(jī)有命令發(fā)來，HT2012的載波檢測(cè)口OCD變?yōu)榈碗娖�，觸發(fā)中斷，啟動(dòng)接收，程序就進(jìn)入接收部分。然后完成主機(jī)命令的解釋并根據(jù)命令去執(zhí)行相應(yīng)的操作，最后按一定的格式生成應(yīng)答幀并送入通信緩沖區(qū)，啟動(dòng)發(fā)送，完成后關(guān)閉SCI。

　　在發(fā)送應(yīng)答幀之后，再次進(jìn)入等待狀態(tài)，等待下一條主機(jī)命令。

　　總結(jié)

　　實(shí)踐證明，上述方法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠的特點(diǎn)，完全符合HART協(xié)議，具有較好的通用性。

　　由于HART眾多不容置疑的優(yōu)點(diǎn)，使得它成為全球應(yīng)用最廣的現(xiàn)場(chǎng)通信協(xié)議，已成為工業(yè)上實(shí)用的標(biāo)準(zhǔn)。因此在今后很長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)，HART協(xié)議產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)仍然具有十分廣闊的市場(chǎng)。