HART通信協議在現場儀表遠程通信中的實現

　1 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信協議，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信協議。

　　HART裝置提供具有相對低的帶寬，適度響應時間的通信，經過10多年的發展，HART技術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協議采用基于Bell202標準的FSK頻移鍵控信號，在低頻的 4～20mA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，不影響傳送給控制系統模擬信號的大小，保證了與現有模擬系統的兼容性。

　　在HART協議通信中，主要的變量和控制信息由4～20mA傳送，在需要的情況下，另外的測量、過程參數、設備組態、校準、診斷信息通過HART協議訪問。

　　HART通信采用的是半雙工的通信方式。

　　HART協議參考 ISO/OSI(開放系統互連模型 )，采用了它的簡化三層模型結構，即第一層物理層，第二層數據鏈路層和第七層應用層。

　　第一層：物理層。規定了信號的傳輸方法、傳輸介質，為了實現模擬通信和數字通信同時進行而又互不干擾，HART協議采用頻移鍵控技術 FSK，即在4～20mA模擬信號上迭加一個頻率信號，頻率信號采用 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。

　　通信介質的選擇視傳輸距離長短而定。通常采用雙絞同軸電纜作為傳輸介質時，最大傳輸距離可達到1500ｍ。線路總阻抗應在230～1100Ω之間。

　　第二層：數據鏈路層。規定了HART幀的格式，實現建立、維護、終結鏈路通訊功能。HART協議根據冗余檢錯碼信息，采用自動重復請求發送機制，消除由于線路噪音或其他干擾引起的數據通訊出錯，實現通訊數據無差錯傳送。

　　現場儀表要執行HART指令，操作數必須合乎指定的大小。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止位。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數據包含25個字節。

　　第七層：應用層。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。

　　2 現場儀表HART協議遠程通信硬件設計

　　某現場儀表的HART協議部分主要完成數字信號到模擬電流信號的轉換，并實現對主要變量和測量、過程參數、設備組態、校準及診斷信息的訪問。圖2是HART協議通信模塊結構設計框圖。

　　?HART通信部分主要由D/A轉換和Bell202 MODEM及其附屬電路來實現。其中，D/A變換作用是直接將數字信號轉換成4～20mA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4～20mA環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的信號解調為“1”，2200Hz信號解調為“0”的數字信號，通過串口通信交MCU，MCU接收命令幀，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變換器采用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位數字信號以串行方式輸入，可以將數字信號直接轉換成4～20mA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，可實現低成本的遠程智能工業控制。 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采用 Smar公司的 HT2012，是符合Bell202標準的半雙工調制解調器，實現HART協議規定的數字通信的編碼或譯碼。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字信號調制成FSK信號，再經AD421疊加在4～20mA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器74LS161進行兩次4分頻，得到16分頻的時鐘。

　　由于HART數字通信的要求，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，因此實現系統的低功耗設計非常重要。

　　圖3和圖4分別是采用的AD421和HT2012的外圍電路圖。

　　3 通信的軟件設計

　　HART通信程序也即為HART協議數據鏈路層和應用層的軟件實現，是整個現場儀表軟件設計的關鍵。

　　在HART通信過程中，主機（上位機）發送命令幀，現場儀表通過串行口中斷接收到命令幀后，由MCU作相應的數據處理，產生應答幀，由MCU觸發發送中斷，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、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命令去執行相應的操作，最后按一定的格式生成應答幀并送入通信緩沖區，啟動發送，完成后關閉SCI。

　　圖5是串行接收請求幀、回復應答幀程序的流程圖。

　　在發送應答幀之后，再次進入等待狀態，等待下一條主機命令。

　　4 結語

　　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協議，具有較好的通用性。

　　由于HART眾多不容置疑的優點，使得它成為全球應用最廣的現場通信協議，已成為工業上實用的標準。因此在今后很長一段時期內，HART協議產品在國內仍然具有十分廣闊的市場。