HART通訊協(xié)定在現(xiàn)場(chǎng)儀表遠(yuǎn)程通訊中的實(shí)現(xiàn)

一、HART協(xié)定簡(jiǎn)介
HART（Highway Addressable Remote Transducer），可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道的開(kāi)放通訊協(xié)定，是美國(guó)Rosemen公司于1985年推出的一種用于現(xiàn)場(chǎng)智能儀表和控制室設(shè)備之間的通訊協(xié)定。
HART裝置提供具有相對(duì)低的帶寬，適度響應(yīng)時(shí)間的通訊，經(jīng)過(guò)10多年的發(fā)展，HART技能在國(guó)外已經(jīng)十分成熟，并已成為智能儀表的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。HART協(xié)定采納基于Bell202標(biāo)準(zhǔn)的FSK頻移鍵控信號(hào)，在低頻的 4mA～20mA模擬信號(hào)上疊加幅度為0.5mA的音頻數(shù)字信號(hào)進(jìn)行雙向數(shù)字通訊，數(shù)據(jù)傳輸率為1.2Mbps。由于FSK信號(hào)的平均值為0，不影響傳送給節(jié)制體系模擬信號(hào)的大小，保證了與現(xiàn)有模擬體系的兼容性。
在HART協(xié)定通訊中，重要的變量和節(jié)制信息由4mA～20mA傳送，在需要的情況下，另外的測(cè)量、歷程參數(shù)、設(shè)備組態(tài)、校準(zhǔn)、診斷信息通過(guò)HART協(xié)定訪問(wèn)。
HART通訊采納的是半雙工的通訊法子。HART協(xié)定參考 ISO/OSI（開(kāi)放體系互連模型），采納了它的簡(jiǎn)化三層模型構(gòu)造，即*層物理層，第二層數(shù)據(jù)鏈路層和第七層利用層。
*層：物理層。規(guī)定了信號(hào)的傳輸法子、傳輸介質(zhì)，為了實(shí)現(xiàn)模擬通訊和數(shù)字通訊同時(shí)進(jìn)行而又互不干擾，HART協(xié)定采納頻移鍵控技能 FSK，即在4mA～20mA模擬信號(hào)上迭加一個(gè)頻率信號(hào)，頻率信號(hào)采納 Be11202標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)字信號(hào)的傳送波特率設(shè)定為 1200bps，1200Hz代表邏輯“0”，2200Hz代表邏輯“1”，信號(hào)幅值0.，如圖1所示。
              
通訊介質(zhì)的選擇視傳輸距離長(zhǎng)短而定。通常采納雙絞同軸電纜作為傳輸介質(zhì)時(shí)，zui大傳輸距離可到達(dá)1500ｍ。線路總阻抗應(yīng)在230Ω～1100Ω。第二層：數(shù)據(jù)鏈路層。規(guī)定了HART幀的格式，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)建、保護(hù)、終結(jié)鏈路通訊功效。HART協(xié)定依據(jù)冗余檢錯(cuò)碼信息，采納主動(dòng)反復(fù)懇求發(fā)送機(jī)制，打消由于線路噪音或其他干擾引起的數(shù)據(jù)通訊出錯(cuò)，實(shí)現(xiàn)通訊數(shù)據(jù)無(wú)過(guò)錯(cuò)傳送?，F(xiàn)場(chǎng)儀表要實(shí)行HART指令，操作數(shù)必需合乎的大小。每個(gè)獨(dú)立的字符包括1個(gè)起始位、8個(gè)數(shù)據(jù)位、1個(gè)奇偶校驗(yàn)位和一個(gè)停滯位。由于數(shù)據(jù)的有無(wú)和長(zhǎng)短并不恒定，所以HART數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度也是不一樣的，zui長(zhǎng)的HART數(shù)據(jù)包括25個(gè)字節(jié)。
第三層：利用層。為HART命令集，用于實(shí)現(xiàn) HART指令。命令分為三類(lèi)，即通用命令、普通命令和命令。
二、現(xiàn)場(chǎng)儀表HART協(xié)定遠(yuǎn)程通訊硬件設(shè)計(jì)
某現(xiàn)場(chǎng)儀表的HART協(xié)定部分重要完成數(shù)字信號(hào)到模擬電流信號(hào)的轉(zhuǎn)換，并實(shí)現(xiàn)對(duì)重要變量和測(cè)量、歷程參數(shù)、設(shè)備組態(tài)、校準(zhǔn)及診斷信息的訪問(wèn)。圖2是HART協(xié)定通訊模塊構(gòu)造設(shè)計(jì)框圖。
               
HART通訊部分重要由D/A轉(zhuǎn)換和Bell202 MODEM及其從屬電路來(lái)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，以輸出重要的變量。Bell202 MODEM及其從屬電路的作用是對(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通訊單元如果檢測(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(guò)串口通訊交MCU，MCU接受命令幀，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變換器采納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)以串行法子輸入，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、低功耗的解決規(guī)劃，采納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)節(jié)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采納 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)定規(guī)定的數(shù)字通訊的編碼或譯碼。該芯片專(zhuān)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)節(jié)制電路。性?xún)r(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與微節(jié)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的異步串行通訊口進(jìn)行串行通訊，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通訊。
對(duì)于HART MODEM所需要的輸入時(shí)鐘，采納7.3728MHz的晶振通過(guò)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)字通訊的要求，有0.5mA的正弦波電流信號(hào)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(shí)現(xiàn)體系的低功耗設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)
HART通訊程序也即為HART協(xié)定數(shù)據(jù)鏈路層和利用層的軟件實(shí)現(xiàn)，是全部現(xiàn)場(chǎng)儀表軟件設(shè)計(jì)的癥結(jié)。在HART通訊歷程中，主機(jī)（上位機(jī)）發(fā)送命令幀，現(xiàn)場(chǎng)儀表通過(guò)串行口中止接受到命令幀后，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)送中止，發(fā)出應(yīng)答幀，從而完成一次命令交換。