基于MSP430的HART協議流量計設計

翟會

（南京航空航天大學，南京 2100 16）

0 引言

HART協議是從模擬量通信到數字量通信轉變的一個過渡性協議。它是事實上的工業標準[1]，擴展了現場設備儀表的數字通信能力。在各類智能儀表、數據采集終端有著廣泛的應用[1]。

HART協議采用在4~20mA電流環路上疊加mA的FSK信號來實現模擬通信和數字通信的功能。數字信號用兩種不同頻率的正弦信號來表示，1200Hz代表數字邏輯“1”，2200Hz代表數字邏輯“0”。應用層的功能通過HART命令來實現。

由于HART協議需要使用4~20mA電流環路作為模擬通信方式[2,3]，所以為了防止對模擬通信線路的影響，系統的功耗電流必須小于4mA，工程實際需控制在3.5mA以下。MSP430為TI公司開發的超低功耗單片機，具有超低功耗、處理能力強、片上資源豐富、適合工業運行環境等特點。符合HART通信協議的智能儀表需求。

1 系統硬件設計

1.1 MSP430單片機

MSP430系列單片機是TI公司專門為超低功耗應用研制的16位單片機，其功耗低至200uA/MHz，廣泛的應用于消費類電子、便攜式醫療儀器、各類數據儀表中。

1.2 HT20C15

HT20C15是Smar公司生產的單片CMOS微功耗HART調制解調器，它只需要外接少量的無源器件即可滿足HART協議物理層的需求，可以實現調制、解調、接收濾波、載波檢測和信號整形等功能。

HT20C15包含4個功能模塊：數據調制器和波形整形、載波檢測、信號接收和解調以及時鐘振蕩器。

HT20C15需要460.8kHz（誤差不超過±1%）外部時鐘輸入，3.3V-5.0V供電。

HT20C15調制解調器是半雙工的，調制器和解調器只能同時有一個在工作，工作在貝爾202標準，FSK頻率為1200Hz和2200Hz，調制解調速率為1200bps。

1.3 AD421

AD421是AD公司專為HART協議儀表設計的，用于將數字信號轉換為±0.5mA的頻率信號，疊加在4-20mA的電流環路上[4]。它同時還具有開關電流源和濾波器功能模塊，能夠輸出2.5V和1.25V參考電壓用于自身和系統其他器件，為應用帶來極大方便。AD421能夠提供3V、3.3V或5V電壓給其他器件供電，它有兩種工作模式：0mA-40mA普通輸出方式和3.5～24mA報警輸出方式。

HT20C15和AD421之間的連接電路如圖3所示。

圖1 MSP430的接口及外圍電路Fig.1 MSP430 interface and peripheral circuit

圖2 HT20C15中解調器解調示意圖Fig.2 HT20C15 in modem demodulation schemes

圖3 HT20C15和AD421連接電路Fig.3 HT20C15 and AD421 connection circuit

2 軟件設計

HART協議每個字節包含1位起始位，8位數據位，1位奇偶校驗位和1位停止位。HART消息幀數據長度不固定，最長25個字節，尋址范圍為0～15，當地址為0時，處于DC與數字通信兼容模式，當地址為1～15時，處于全數字通信模式。系統軟件主要包括測控程序和HART通信程序。系統軟件負責對系統進行初始化，完成數據采集、數據處理、串口設置、數據輸出等功能。

3 結束語

上述基于MSP430單片機的HART協議流量計，實踐證明實驗方法可行，工作穩定，各項性能指標良好，較易改裝成其他HART儀表，具有一定的實用價值和參考價值。

[1]高琦.用MSP430開發基于HART協議的智能儀表[J].自動化儀表,2003,24(9):36-38.

[2]余芳,陳琛.遵循HART協議的智能變送器的通信軟件的設計[J].福建電腦,2006,18(9):130-132.

[3]顧偉,費元春,周建明.基于A5191HRT和AD421的HART協議通信模塊的設計與實現[J].今日電子,2004,12(2):70-71.

[4]劉煥成,劉智勇,嚴征琦,等.基于HART協議的智能變送器設計[J].單片機與嵌入式系統應用,2001,6(4):15－16.