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HART通信協(xié)議在現(xiàn)場(chǎng)儀表遠(yuǎn)程通信中的實(shí)現(xiàn)

來源:江蘇萬訊儀表有限公司   2025年06月26日 07:28  

1 HART協(xié)議簡介

  HART(Highway Addressable Remote Transducer),可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道的開放通信協(xié)議,是美國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)備之間的通信協(xié)議。

  HART裝置提供具有相對(duì)低的帶寬,適度響應(yīng)時(shí)間的通信,經(jīng)過10多年的發(fā)展,HART技術(shù)在國外已經(jīng)十分成熟,并已成為智能儀表的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

  HART協(xié)議采用基于Bell202標(biāo)準(zhǔn)的FSK頻移鍵控信號(hào),在低頻的 4~20mA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,不影響傳送給控制系統(tǒng)模擬信號(hào)的大小,保證了與現(xiàn)有模擬系統(tǒng)的兼容性。

  在HART協(xié)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(cè)量、過程參數(shù)、設(shè)備組態(tài)、校準(zhǔn)、診斷信息通過HART協(xié)議訪問。

  HART通信采用的是半雙工的通信方式。

  HART協(xié)議參考 ISO/OSI(開放系統(tǒng)互連模型 ),采用了它的簡化三層模型結(jié)構(gòu),即層物理層,第二層數(shù)據(jù)鏈路層和第七層應(yīng)用層。

  層:物理層。規(guī)定了信號(hào)的傳輸方法、傳輸介質(zhì),為了實(shí)現(xiàn)模擬通信和數(shù)字通信同時(shí)進(jìn)行而又互不干擾,HART協(xié)議采用頻移鍵控技術(shù) FSK,即在4~20mA模擬信號(hào)上迭加一個(gè)頻率信號(hào),頻率信號(hào)采用 Be11202國際標(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0.5A,如圖 1所示。

HART協(xié)議展示圖(1)

  通信介質(zhì)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(zhì)時(shí),傳輸距離可達(dá)到1500m。線路總阻抗應(yīng)在230~1100Ω之間。

  第二層:數(shù)據(jù)鏈路層。規(guī)定了HART幀的格式,實(shí)現(xiàn)建立、維護(hù)、終結(jié)鏈路通訊功能。HART協(xié)議根據(jù)冗余檢錯(cuò)碼信息,采用自動(dòng)重復(fù)請(qǐng)求發(fā)送機(jī)制,消除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)無差錯(cuò)傳送。

  現(xiàn)場(chǎng)儀表要執(zhí)行HART指令,操作數(shù)必須合乎指定的大小。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)停止位。由于數(shù)據(jù)的有無和長短并不恒定,所以HART數(shù)據(jù)的長度也是不一樣的,最長的HART數(shù)據(jù)包含25個(gè)字節(jié)。

  第七層:應(yīng)用層。為HART命令集,用于實(shí)現(xiàn) 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(xiàn)場(chǎng)儀表HART協(xié)議遠(yuǎn)程通信硬件設(shè)計(jì)

  某現(xiàn)場(chǎng)儀表的HART協(xié)議部分主要完成數(shù)字信號(hào)到模擬電流信號(hào)的轉(zhuǎn)換,并實(shí)現(xiàn)對(duì)主要變量和測(cè)量、過程參數(shù)、設(shè)備組態(tài)、校準(zhǔn)及診斷信息的訪問。圖2是HART協(xié)議通信模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖。

HART協(xié)議展示圖(2)

   HART通信部分主要由D/A轉(zhuǎn)換和Bell202 MODEM及其附屬電路來實(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(duì)疊加在4~20mA環(huán)路上的信號(hào)進(jìn)行帶通濾波放大后,HART通信單元如果檢測(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),通過串口通信交MCU,MCU接收命令幀,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(hào)以串行方式輸入,可以將數(shù)字信號(hào)直接轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)低成本的遠(yuǎn)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(biāo)準(zhǔn)的半雙工調(diào)制解調(diào)器,實(shí)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(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)控制電路。性價(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與微控制器交換數(shù)字信號(hào),同AD421作模擬信號(hào)接口。它一方面與MCU的異步串行通信口進(jìn)行串行通信,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4~20mA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通信。

 對(duì)于HART MODEM所需要的輸入時(shí)鐘,采用7.3728MHz的晶振通過兩個(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)字通信的要求,有0.5mA的正弦波電流信號(hào)疊加在4mA電流上,因此整個(gè)硬件電路必須保證在3.5mA以下還能正常工作,因此實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)非常重要。

  圖3和圖4分別是采用的AD421和HT2012的外圍電路圖。

HART協(xié)議展示圖(3)

HART協(xié)議展示圖(4)

  3 通信的軟件設(shè)計(jì)

  HART通信程序也即為HART協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層的軟件實(shí)現(xiàn),是整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)儀表軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

  在HART通信過程中,主機(jī)(上位機(jī))發(fā)送命令幀,現(xiàn)場(chǎng)儀表通過串行口中斷接收到命令幀后,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)送中斷,發(fā)出應(yīng)答幀,從而完成一次命令交換。

  首先在上電或者看門狗復(fù)位后,主程序要對(duì)通信部分進(jìn)行初始化,主要包括波特率設(shè)定、串口工作方式設(shè)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(zhǔn)備接收狀態(tài)下,一旦上位機(jī)有命令發(fā)來,HT2012的載波檢測(cè)口OCD變?yōu)榈碗娖剑|發(fā)中斷,啟動(dòng)接收,程序就進(jìn)入接收部分。然后完成主機(jī)命令的解釋并根據(jù)命令去執(zhí)行相應(yīng)的操作,最后按一定的格式生成應(yīng)答幀并送入通信緩沖區(qū),啟動(dòng)發(fā)送,完成后關(guān)閉SCI。

  圖5是串行接收請(qǐng)求幀、回復(fù)應(yīng)答幀程序的流程圖。

HART協(xié)議展示圖(5)

  在發(fā)送應(yīng)答幀之后,再次進(jìn)入等待狀態(tài),等待下一條主機(jī)命令。

  4 結(jié)語

  實(shí)踐證明,上述方法具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠的特點(diǎn),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(diǎn),使得它成為應(yīng)用的現(xiàn)場(chǎng)通信協(xié)議,已成為工業(yè)上實(shí)用的標(biāo)準(zhǔn)。因此在今后很長一段時(shí)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(chǎng)。

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