對于HART協議來說，我們更多地是討論它在通訊方面的應用。例如總線，現場儀表等硬件設計。另外在一些軟件設計中，它也同樣有著廣闊的前景。現在我們就來研究一下在這些方面HART協議的一些工作原理吧。

一､HART協議簡介

HART(Highway Addressable Remote Transducer),可尋址遠程傳感器高速通道的開放通訊協定,是美國Rosemen于1985年推出的一種用于現場智能儀表和控制室設備之間的通訊協定｡

HART裝置提供具有相對低的帶寬,適度響應時間的通訊,經過10多年的發展,HART技能在國外已經十分成熟,并已成為全球智能儀表的工業標準｡HART協議采納基于Bell202標準的FSK頻移鍵控信號,在低頻的 4mA~20mA模擬信號上疊加幅度為0.5mA的音頻數字信號進行雙向數字通訊,數據傳輸率為1.2Mbps｡由于FSK信號的平均值為0,不影響傳送給節制體系模擬信號的大小,保證了與現有模擬體系的兼容性｡

在HART協議通訊中,重要的變量和節制信息由4mA~20mA傳送,在需要的情況下,另外的測量､歷程參數､設備組態､校準､診斷信息通過HART協議訪問｡

HART通訊采納的是半雙工的通訊法子｡HART協議參考 ISO/OSI(開放體系互連模型),采納了它的簡化三層模型構造,即第一層物理層,第二層數據鏈路層和第七層利用層｡

第一層:物理層｡規定了信號的傳輸法子､傳輸介質,為了實現模擬通訊和數字通訊同時進行而又互不干擾,HART協議采納頻移鍵控技能 FSK,即在4mA~20mA模擬信號上迭加一個頻率信號,頻率信號采納 Be11202國際標準,數字信號的傳送波特率設定為 1200bps,1200Hz代表邏輯“0",2200Hz代表邏輯“1",信號幅值0.5A,如圖1所示｡

通訊介質的選擇視傳輸距離長短而定｡通常采納雙絞同軸電纜作為傳輸介質時,最大傳輸距離可到達1500m｡線路總阻抗應在230Ω~1100Ω｡

第二層:數據鏈路層｡規定了HART幀的格式,實現創建､保護､終結鏈路通訊功效｡HART協議依據冗余檢錯碼信息,采納主動反復懇求發送機制,打消由于線路噪音或其他干擾引起的數據通訊出錯,實現通訊數據無過錯傳送｡

現場儀表要實行HART指令,操作數必需合乎指定的大小｡每個獨立的字符包括1個起始位､8個數據位､1個奇偶校驗位和一個停滯位｡由于數據的有無和長短并不恒定,所以HART數據的長度也是不一樣的,最長的HART數據包括25個字節｡

第三層:利用層｡為HART命令集,用于實現 HART指令｡命令分為三類,即通用命令､普通命令和專用命令｡#p#

二､現場儀表HART協議遠程通訊硬件設計

某現場儀表的HART協議部分重要完成數字信號到模擬電流信號的轉換,并實現對重要變量和測量､歷程參數､設備組態､校準及診斷信息的訪問｡圖2是HART協議通訊模塊構造設計框圖｡

HART通訊部分重要由D/A轉換和Bell202 MODEM及其從屬電路來實現｡其中,D/A變換作用是直接將數字信號轉換成4mA~20mA電流輸出,以輸出重要的變量｡Bell202 MODEM及其從屬電路的作用是對疊加在4mA~20mA環路上的信號進行帶通濾波放大后,HART通訊單元如果檢測到FSK頻移鍵控信號,則由Bell202 MODEM將1200Hz的信號解調為“1",2200Hz信號解調為“0"的數字信號,通過串口通訊交MCU,MCU接受命令幀,作相應的數據處理｡然后,MCU產生要發回的應答幀,應答幀的數字信號由MODEM調制成相應的1200Hz和2200Hz的FSK頻移鍵控信號,波形整形后,經AD421疊加在環路上發出｡

D/A變換器采納AD421,它是美國ADI公司推出的一種單片高性能數模轉換器,由環路供電,16位數字信號以串行法子輸入,可以將數字信號直接轉換成4mA~20mA電流輸出｡它提供了高精度､全集成､低功耗的解決規劃,采納16引腳DIP､TSSOP､SOIC封裝,可實現低成本的遠程智能工業節制｡AD421包括串行輸入16位 D/A(數字/電流 )轉換,除自身用電外,還提供可選擇的(5V,3.3 V或 3 V)穩壓輸出供變送器其他部分用電｡

HART MODEM采納 Smar公司的 HT2012,是符合Bell202標準的半雙工調制解調器,實現HART協議規定的數字通訊的編碼或譯碼｡該芯片專為 HART儀器設計,片內集成了符合 BELL202標準的調制器､解調器､時鐘及定時電路､檢測節制電路｡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與微節制器交換數字信號,同AD421作模擬信號接口｡它一方面與MCU的異步串行通訊口進行串行通訊,一方面將輸入的不歸零的數字信號調制成FSK信號,再經AD421疊加在4mA~20mA的回路上輸出,或者將回路信號經帶通濾波､放大整形后取出FSK信號解調為數字信號,從而實現HART通訊｡

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

由于HART數字通訊的要求,有0.5mA的正弦波電流信號疊加在4mA電流上,因此全部硬件電路必需保證在3.5mA以下還能正常工作,因此實現體系的低功耗設計非常重要｡

圖3和圖4分別是采納的AD421和HT2012的外圍電路圖｡

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三､通訊的軟件設計

HART通訊程序也即為HART協議數據鏈路層和利用層的軟件實現,是全部現場儀表軟件設計的癥結｡

在HART通訊歷程中,主機(上位機)發送命令幀,現場儀表通過串行口中止接受到命令幀后,由MCU作相應的數據處理,產生應答幀,由MCU觸發發送中止,發出應答幀,從而完成一次命令交換｡

首先在上電或者看門狗復位后,主程序要對通訊部分進行初始化,重要包括波特率設定､串口工作法子設定､清通訊緩沖區､開中止等｡

在初始化完成之后通訊部分就一直處在準備接受狀態下,一旦上位機有命令發來,HT2012的載波檢測口OCD變為低電平,觸發中止,啟動接受,程序就進入接受部分｡然后完成主機命令的解釋并依據命令去實行相應的操作,最后按必然的格式生成應答幀并送入通訊緩沖區,啟動發送,完成后關閉SCI｡

圖5是串行接受懇求幀､回復應答幀程序的流程圖｡

在發送應答幀之后,再次進入期待狀態,期待下一條主機命令｡

四､結語

實踐證明,上述法子具有構造簡略､工作可靠的特點,完全符合HART協議,具有較好的通用性｡

由于HART眾多不容置疑的長處,使得它成為全球利用最廣的現場通訊協定,已成為工業上適用的標準｡因此在今后很長一段時代內,HART協議在國內仍然具有十分遼闊的市場｡