智能閥門定位器的HART通信接口設計

吳寧勝

(浙江商業職業技術學院應用工程學院，杭州 310053)

閥門定位器是氣動調節閥的核心配套儀表，在石化、輕紡及冶金等工業管道系統中應用非常廣泛。傳統閥門定位器是基于4～20mA模擬信號工業標準設計的，適用于集散控制系統[1]。隨著網絡通信技術在工業過程控制領域的應用，現場總線系統正在逐步替代集散控制系統，符合現場總線通信協議的智能閥門定位器成為各大公司研究和開發的熱點。目前，行業影響力較大的現場總線技術主要有HART(Highway Addressable Remote Transducer)、CAN、Lon Works、FF和Profibus。HART總線在傳統模擬信號傳輸線的基礎上實現了數字信號通信，使原有控制系統不需要更改系統架構和工程布線就能直接使用并實現網絡化控制和管理，目前在全球范圍內廣泛使用，已成為智能閥門定位器行業事實上的現場總線標準[2]。因此，對智能閥門定位器的HART通信接口進行研究具有重要意義。

HART既可傳輸模擬信號，也可傳輸現場總線的數字信號，從而實現與控制中心的信息交互。根據ISO的OSI參考模型，HART協議分為物理層、數據鏈路層和應用層。物理層涉及信號的傳輸方式和傳輸介質，它是在4～20mA模擬信號上疊加正弦調制信號以實現數字通信，規定數字信號“1”調制成頻率為1 200Hz的信號，“0”調制成頻率為2 200Hz的信號，數字信號幅值為0.5mA，平均值為0。數據鏈路層規定了通信數據結構和通信模式，數據傳輸速率為1 200bit/s；11位數據格式包含一個起始位、8個數據位、一個校驗位和一個停止位；字節奇校驗。應用層則對各種命令代碼作統一規范，有通用命令、普通應用命令和設備專用命令3類。通用命令是所有HART現場設備都必須響應的命令；普通應用命令只被設備部分應用；設備專用命令是生產廠商根據需要制定的命令。

2 HART通信接口硬件設計與分析

2.1 定位器工作原理

基于HART通信協議的智能閥門定位器結構框圖如圖1所示。其中，超低功耗電源電路用于將4～20mA電流信號轉換成電壓信號，為HART通信接口電路、微處理器MCU單元和其他電路功能模塊提供穩定的工作電壓；智能閥門定位器作為通信的從機使用；HART通信接口是MCU控制單元與主機之間的橋梁；隔離電路可以提高系統可靠性[1,3]。

從圖1可以看出，基于HART通信協議的智能閥門定位器為二線制設計，與主機的連接只有兩條線，4～20mA 電流信號既是給定的閥門位置目標控制信號，也是整個定位器硬件電路正常工作的電源。按照線性穩壓電路輸出的穩定電壓為6.6V進行估算，定位器從控制信號攝取的最小功率是26.4mW(6.6V×4mA)，最大功率是132.0mW(6.6V×20mA)。因此，低功耗設計是定位器正常工作的首要因素，要求各電路功能模塊工作于超低功耗模式。

圖1 HART通信接口與智能閥門定位器結構框圖

2.2 HART通信接口電路

HART通信接口電路主要由接收濾波與調制解調電路、隔離電路、發送驅動電路及微處理器接口等組成(圖2)[2,4,5]。通信接口電路所有有源部件均采用超低功耗芯片。調制解調電路的核心是一個HART Modem，國產型號SD2015，典型電流值在工作電壓為3.3V時只有90μA，其內部集成符合Bell202標準的調制器/解調器等相關電路，簡化了接口電路設計，使系統更加可靠。圖2中U5和R25組成精密穩壓電路，為SD2015和HART通信隔離電路提供直流偏置電壓，實現單電源供電電路對交流信號的處理。

圖2 HART通信接口硬件電路

從圖2可以看出，調制解調電路與HART數據傳輸線使用不同的地線(負端)。不同的地電勢會產生共模干擾，輕則會造成HART通信中斷及4～20mA信號誤差等故障，重則會使設備端口器件損壞。只有采用有效的電氣隔離方法才能解決上述問題，筆者采用音頻隔離變壓器T1與隔直電容C13、C15實現HART主電路與4～20mA信號線的隔離。

調制解調電路芯片載波信號輸出功率一般都比較小，為此筆者特別增加了由運放U201構成的載波發送驅動電路，較好地實現了通信網絡低阻抗情況下的可靠通信。同時，HART通信是一種半雙工通信模式，必須配置發送/接收轉換電路，筆者采用場效應管Q2作為電子開關并配合SD2015的方法設計發送/接收轉換電路。

調制解調電路與微處理器MCU的接口有5個I/O線。MCU通過串聯通信端口TXD、RXD和SD2015的ITXD、ORXD進行數據通信。INRTS線控制發送/接收轉換，且低電平發送，高電平接收。OCD線是外部載波信號檢測輸出線，MCU可以判斷HART總線是否繁忙。XTAL是芯片SD2015工作時鐘輸入線，需要460.8kHz時鐘源。由于460.8kHz晶振在市場上不容易購買到，因此筆者通過微控制器的PWM模塊工作于CTC模式經軟件編程分頻實現，具有很好的靈活性，降低了生產成本。

3 軟件設計與分析

HART通信協議是一種半雙工通信模式，由主控設備(上位機)發送通信請求，智能閥門定位器作為從機響應。通信程序主要完成數據鏈路層和應用層規定的任務，其中，數據鏈路層的實現是HART通信軟件設計的關鍵。

3.1 數據鏈路層協議規范

數據鏈路層規定了通信數據結構和通信模式。從軟件設計的角度來看，需要特別注意HART的通信幀格式(表1、2)[5,6]。

表1 HART主機發往從機的數據幀格式

表2 HART從機發往主機的數據幀格式

其中，前導符是5～20個FF十六進制字節，這是為了使數據接收端在硬件電路上產生CD載波檢測信號，以實現數據通信的同步。定界符代表數據的傳輸方向，同時指定了數據幀的幀類型(長、短幀結構)，主機到從機的短結構值為02，長結構值為82；從機到主機的短結構值為06，長結構值為86。地址字節的短結構占一個字節，字節0～4位的表示值是0～15的從機地址；長結構占5個字節，首字節的6位表示從機的生產廠商的代碼，第2個字節表示從機設備型號代碼，后3～5個字節表示從機的設備序列號，構成唯一標志碼。命令號也稱為功能碼，用于指明一個數據幀的具體實現功能。數據長度指實際數據的數量(如是從機，則包含響應碼)。響應碼用于報告通信中的錯誤、接收命令的狀態和從機的操作狀態。數據字節用于設置或讀取指定從機的參數數據(通信的最終結果)。校驗字節是從定界符到數據的所有字節的“異或”值，用于檢驗通信數據幀的錯誤。

3.2 協議鏈路層的程序實現

依據HART協議的通信格式可以計算出傳送一個字符的時間大約在9ms。如果采用延時等待連續發送方式，一幀長數據就可能要消耗0.5～1.0s的CPU時間，控制的實時性無法保證，因此HART協議鏈路層程序設計的關鍵是每一個字節數據的收發都必須采用中斷方式實現，中斷程序流程如圖3所示。在接收中斷程序中，定位器510)構成。其中：輸入模件、輸出模件、電源模件、CPU控制器件、接口模件、總線底板模件和顯示器件均為PLC或DCS系統的標準硬件。另外還包括限幅控制單元、充壓時間設定單元、設定曲線生成單元和軟伺服控制單元，軟件單元安裝在PLC或DCS系統的CPU控制器件上。

圖3 HART協議鏈路層數據幀接收/發送中斷程序流程

4 結束語

HART通信技術已成為工業控制領域中應用最廣泛的現場通信協議之一，在儀表領域有著廣闊的應用空間。筆者開發的基于HART通信協議的智能閥門定位器具有良好的系統性能，經過批量測試，該智能閥門定位器即使在惡劣的環境下運行依然穩定、可靠。實踐證明，基于HART通信協議的智能閥門定位器的通信接口設計具有結構簡單及易于實現等優點，對相關產品的研制有重要的指導意義。

[1] 李倩如，賴慶峰，毛曉明，等. HART協議的智能閥門定位器的設計和實現[J].自動化儀表，2010，31(6)：55～57.

[2] 鄭文杰. 基于HART協議的智能電動執行機構設計[J].工業儀表與自動化裝置，2007，(2)：46～48.

[3] 蔡明，白雪蓮，章英.國產新型智能閥門定位器的設計[J].自動化儀表，2011，32(7)：73～75.

[4] 童世華. 基于HART協議的通信圓卡設計[J].工礦自動化，2012，38(9)：112～115.

[5] 李春麗，李巍.基于HART協議的智能儀表通信電路設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2013，13(5)：24～26.

[6] 姜祥真，陳俊杰，操永波. HART主機數據鏈路層的實現[J].自動化儀表，2010，31(6)：1～4.