HART通訊協定在現場儀表遠程通訊中的實現

一、HART協定簡介
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公司于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，并已成為智能儀表的工業標準。HART協定采納基于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協定通訊中，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協定訪問。
HART通訊采納的是半雙工的通訊法子。HART協定參考 ISO/OSI（開放體系互連模型），采納了它的簡化三層模型構造，即*層物理層，第二層數據鏈路層和第七層利用層。
*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協定采納頻移鍵控技能 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.，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，zui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協定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，zui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、普通命令和命令。
二、現場儀表HART協定遠程通訊硬件設計
某現場儀表的HART協定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協定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協定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。

三、通訊的軟件設計
HART通訊程序也即為HART協定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。