基于ＨＡＲＴ協議的智能壓力變送器通信模塊的研究

[摘要]詳細介紹HART通信的基本原理。提出以微處理器msp430單片機為核心，以調制解調芯片HT20C15為通信芯片的通信模塊的設計。

[關鍵詞]HART協議 頻移鍵控 串行通信

中圖分類號：TN91 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2009）0110038-01

一、HART協議簡介

HART（Highway Addressable Remote Transducer）協議即可尋址遠程傳感器高速通道開放通信協議，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協議采用半雙工通訊，參考ISO/OSI開放系統互聯模型，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模擬信號上疊加一個頻率信號，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“1”，2200Hz代表邏輯“0”，信號幅值0.5mA。由于FSK信號的平均值為0，所以不影響傳送給控制系統的模擬信號的大小，保證了與現有模擬系統的兼容性[1]。

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。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。

二、智能變送器的硬件設計

智能現場儀表要求使用4～20mA傳統傳送測量結果，使用HART協議數字通信的方式和控制設備交換儀表設置參數、中間測量數據、校準參數等信息。所以HART協議通信模塊需要完成測量結果的數字碼到4～20mA模擬信號的DA轉換，以及上述諸多其他信息的HART協議數字通信。系統總體框圖如圖1所示。

傳感器通過震蕩電路，將金屬電容傳感器的電容變化信號，轉化為與壓力有關的電信號，該信號通過放大，調理后送入模數轉換器。本設計得模數轉換芯片采用的式AD7799。它是AD公司的一款新型、高精度、寬動態范圍、24位AD轉化器。該芯片具有自動校準、系統校準和背景校準功能，可以消除零點誤差、滿量程誤差及溫度漂移的影響。

本設計采用AD公司推出的16位數字模擬變換器AD421，由環路Loop+和Loop-供電，可以將數字信號直接轉換成4～20mA電流輸出。采用兩線路供電，片內有電壓調整器，除了能提供自身的用電外，就能給系統其它部分提供5V、3.3V或3V的電壓。同時還能提供精準的+1.25V和+2.5V的參考電壓。本設計中AD421通過LATCH、CLOCK和DATA與MCU進行串口通信[2]。AD421外圍電路連接如圖2所示。

本設計中用的調制解調器是HT20C15，采用相位連續的FSK半雙工工作方式，數據率為1200bps。片內集成了符合BELL202標準的調制器、解調器、定時電路、檢測控制電路[4]。HT20C15的外圍接口電路如圖3所示。

HT20C15與MCU交換數字信號，同時作為AD421的模擬信號接口。當HT20C15接收時，從4～20mA環路上接收信號，經過帶通濾波、放大整形后提取出FSK信號并解調為數字信號，將1200Hz的信號解調為“1”，將2200Hz的信號解調為“0”，傳送給MCU；發送時，從MCU接收數據，進行調制和波形整形后耦合到AD421內部，將“1”調制為1200Hz，將“0”調制為2200Hz，通過AD421疊加到環路上。HT20C15和MCU通過后者的通用串行通信接口連接，從而實現HART通信。

三、智能變送器的軟件設計

在HART通信過程中，主機發送命令幀，現場儀表通過串行終端接收到命令幀后由MCU作出相應的數據處理，產生應答幀，由MCU觸發發送中斷，發出應答，從而完成一次命令交換。

在系統上電或者看門狗復位后，主程序要對通信部分進行初始化，主要完成時鐘選擇、波特率設定、串口工作方式設定、開中斷等。

完成初始化之后，通信部分一直處于準備接受狀態下，上位機一有命令發來，HT20C15的引腳OCD變為低電平，觸發中斷，MCU通過串行口啟動接收，程序進入接受過程，接收完成后，MCU讀主機命令進行解釋后，執行相應的操作，最后生成應答幀送入發送緩沖區，引腳INRTS置低，啟動發送。發送完應答幀之后，在此等待主機命令，等待下一次中斷的到來。

四、結論

基于HART協議的智能產品性能優良，兼容性好，性價比高。HART技術在國外已經很成熟，發展至今，已經成為智能控制領域實際的工業標準。在今后很長的一段時間內，HART協議產品將在國內外仍然具有十分廣闊得市場。

參考文獻：

[1]Smart International Corp，HART技術指南.

[2]劉薛萍等，基于AD7799的溫度采集系統，自動化技術與應用，2007.07.

[3]汪獻忠等，AD421在智能變送器中的應用，儀表技術與傳感器，2006.03.

[4]Hart Modem HT2015 Application Note. Smart Research Technology Source.

作者簡介：

辛曉龍，男，江蘇徐州，在讀研究生，主要研究方向：測試計量和智能控制，儀器儀表、電子通信。