軟考網(wǎng)絡管理員：HART協(xié)議的硬件、軟件設計

　　我們將對HART協(xié)議的具體應用做一個詳細的介紹。

　　現(xiàn)場儀表HART協(xié)議遠程通信硬件設計

　　某現(xiàn)場儀表的HART協(xié)議部分主要完成數(shù)字信號到模擬電流信號的轉(zhuǎn)換，并實現(xiàn)對主要變量和測量、過程參數(shù)、設備組態(tài)、校準及診斷信息的訪問。HART通信部分主要由D/A轉(zhuǎn)換和 Bell202 MODEM及其附屬電路來實現(xiàn)。其中，D/A變換作用是直接將數(shù)字信號轉(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疊加在4mA～20mA環(huán)路上的信號進行帶通濾波放大后，HART通信單元如果檢測到FSK頻移鍵控信號，則由 Bell202 MODEM將1200Hz的信號解調(diào)為“1”，2200Hz信號解調(diào)為“0”的數(shù)字信號，通過串口通信交MCU，MCU接收命令幀，作相應的數(shù)據(jù)處理。然后，MCU產(chǎn)生要發(fā)回的應答幀，應答幀的數(shù)字信號由MODEM調(diào)制成相應的1200Hz和2200Hz的FSK頻移鍵控信號，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)字信號以串行方式輸入，可以將數(shù)字信號直接轉(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，可實現(xiàn)低成本的遠程智能工業(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標準的半雙工調(diào)制解調(diào)器，實現(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儀器設計，片內(nèi)集成了符合 BELL202標準的調(diào)制器、解調(diào)器、時鐘及定時電路、檢測控制電路。性價比較高，16腳 DIP和28腳PLCC封裝，在+5V供電時工作電流80μA。HT2012與微控制器交換數(shù)字信號，同AD421作模擬信號接口。它一方面與MCU的異步串行通信口進行串行通信，一方面將輸入的不歸零的數(shù)字信號調(diào)制成FSK信號，再經(jīng)AD421 疊加在4mA～20mA的回路上輸出，或者將回路信號經(jīng)帶通濾波、放大整形后取出FSK信號解調(diào)為數(shù)字信號，從而實現(xiàn)HART通信。

　　對于HART MODEM所需要的輸入時鐘，采用7.3728MHz的晶振通過兩個計數(shù)器74LS161進行兩次4分頻，得到16分頻的時鐘。

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

　　通信的軟件設計

　　HART通信程序也即為HART協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層和應用層的軟件實現(xiàn)，是整個現(xiàn)場儀表軟件設計的關鍵。

　　在HART通信過程中，主機(上位機)發(fā)送命令幀，現(xiàn)場儀表通過串行口中斷接收到命令幀后，由MCU作相應的數(shù)據(jù)處理，產(chǎn)生應答幀，由MCU觸發(fā)發(fā)送中斷，發(fā)出應答幀，從而完成一次命令交換。

　　首先在上電或者看門狗復位后，主程序要對通信部分進行初始化，主要包括波特率設定、串口工作方式設定、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備接收狀態(tài)下，一旦上位機有命令發(fā)來，HT2012的載波檢測口OCD變?yōu)榈碗娖�，觸發(fā)中斷，啟動接收，程序就進入接收部分。然后完成主機命令的解釋并根據(jù)命令去執(zhí)行相應的操作，最后按一定的格式生成應答幀并送入通信緩沖區(qū)，啟動發(fā)送，完成后關閉SCI。

　　在發(fā)送應答幀之后，再次進入等待狀態(tài)，等待下一條主機命令。

　　總結

　　實踐證明，上述方法具有結構簡單、工作可靠的特點，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，使得它成為全球應用最廣的現(xiàn)場通信協(xié)議，已成為工業(yè)上實用的標準。因此在今后很長一段時期內(nèi)，HART協(xié)議產(chǎn)品在國內(nèi)仍然具有十分廣闊的市場。