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1、HART 通信协议在现场仪表远程通信中的实现( 图) 1 HART协议简介HART(Highway Addressable Remote Transducer)，可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议，是美国Rosemen 公司于 1985 年推出的一种用于现场智能仪表和控制室设备之间的通信协议。HART 装置提供具有相对低的带宽，适度响应时间的通信，经过10 多年的发展，HART 技术在国外已经十分成熟，并已成为全球智能仪表的工业标准。HART 协议采用基于 Bell202 标准的 FSK频移键控信号，在低频的 4 20mA模拟信号上叠加幅度为0.5mA的音频数字信号进行双向数字通讯， 数据
2、传输率为1.2Mbps。由于 FSK信号的平均值为0，不影响传送给控制系统模拟信号的大小，保证了与现有模拟系统的兼容性。在 HART 协议通信中，主要的变量和控制信息由420mA传送，在需要的情况下，另外的测量、过程参数、设备组态、校准、诊断信息通过HART 协议访问。HART 通信采用的是半双工的通信方式。HART 协议参考 ISO/OSI( 开放系统互连模型 ) ，采用了它的简化三层模型结构，即第一层物理层，第二层数据链路层和第七层应用层。第一层：物理层。规定了信号的传输方法、传输介质，为了实现模拟通信和数字通信同时进行而又互不干扰， HART 协议采用频移键控技术 FSK，即在 420m
3、A 模拟信号上迭加一个频率信号，频率信号采用 Be11202 国际标准，数字信号的传送波特率设定为 1200bps，1200Hz代表逻辑“ 0”，2200Hz代表逻辑“1”，信号幅值 0.5A，如图 1 所示。通信介质的选择视传输距离长短而定。通常采用双绞同轴电缆作为传输介质时，最大传输距离可达到1500。线路总阻抗应在2301100 之间。第二层：数据链路层。规定了HART 帧的格式，实现建立、维护、终结链路通讯功能。 HART 协议根据冗余检错码信息，采用自动重复请求发送机制，消除由于线路噪音或其他干扰引起的数据通讯出错，实现通讯数据无差错传送。现场仪表要执行 HART 指令，操作数必须合
4、乎指定的大小。每个独立的字符包括 1 个起始位、 8 个数据位、 1 个奇偶校验位和一个停止位。由于数据的有无和长短并不恒定，所以HART 数据的长度也是不一样的，最长的HART 数据包含25 个字节。第七层：应用层。为HART 命令集，用于实现 HART指令。命令分为三类，即通用命令、普通命令和专用命令。2 现场仪表 HART 协议远程通信硬件设计某现场仪表的 HART 协议部分主要完成数字信号到模拟电流信号的转换，并实现对主要变量和测量、过程参数、设备组态、校准及诊断信息的访问。图2是 HART 协议通信模块结构设计框图。HART 通信部分主要由D/A 转换和 Bell202 MODEM
5、及其附属电路来实现。其中，D/A 变换作用是直接将数字信号转换成420mA 电流输出，以输出主要的变量。Bell202 MODEM及其附属电路的作用是对叠加在 420mA环路上的信号进行带通滤波放大后， HART 通信单元如果检测到FSK频移键控信号，则由Bell202 MODEM将 1200Hz的信号解调为“ 1”，2200Hz信号解调为“ 0”的数字信号， 通过串口通信交MCU ，MCU 接收命令帧， 作相应的数据处理。然后， MCU 产生要发回的应答帧，应答帧的数字信号由MODEM调制成相应的 1200Hz和 2200Hz的 FSK频移键控信号， 波形整形后， 经 AD421叠加在环路上
6、发出。D/A 变换器采用AD421 ，它是美国ADI 公司推出的一种单片高性能数模转换器，由环路供电， 16 位数字信号以串行方式输入，可以将数字信号直接转换成 420mA 电流输出。它提供了高精度、全集成、低功耗的解决方案，采用16引脚 DIP、TSSOP 、SOIC 封装，可实现低成本的远程智能工业控制。 AD421包括串行输入 16 位 D/A( 数字/ 电流 ) 转换，除自身用电外，还提供可选择的 (5V ，3.3 V或3 V) 稳压输出供变送器其他部分用电。HART MODEM采用 Smar 公司的 HT2012，是符合 Bell202 标准的半双工调制解调器， 实现 HART 协议
7、规定的数字通信的编码或译码。该芯片专为 HART仪器设计，片内集成了符合 BELL202标准的调制器、解调器、时钟及定时电路、检测控制电路。性价比较高， 16 脚 DIP 和 28 脚 PLCC 封装，在 +5V供电时工作电流 80A。HT2012与微控制器交换数字信号，同 AD421作模拟信号接口。它一方面与MCU 的异步串行通信口进行串行通信，一方面将输入的不归零的数字信号调制成FSK信号， 再经 AD421叠加在 420mA的回路上输出，或者将回路信号经带通滤波、放大整形后取出FSK信号解调为数字信号，从而实现 HART 通信。对于 HART MODEM所需要的输入时钟，采用 7.372
8、8MHz的晶振通过两个计数器74LS161进行两次 4 分频，得到 16 分频的时钟。由于 HART 数字通信的要求， 有 0.5mA的正弦波电流信号叠加在 4mA电流上，因此整个硬件电路必须保证在3.5mA以下还能正常工作，因此实现系统的低功耗设计非常重要。图 3 和图 4 分别是采用的 AD421和 HT2012的外围电路图。3 通信的软件设计HART 通信程序也即为 HART 协议数据链路层和应用层的软件实现，是整个现场仪表软件设计的关键。在 HART 通信过程中，主机（上位机）发送命令帧，现场仪表通过串行口中断接收到命令帧后， 由 MCU 作相应的数据处理， 产生应答帧， 由 MCU
9、触发发送中断，发出应答帧，从而完成一次命令交换。首先在上电或者看门狗复位后， 主程序要对通信部分进行初始化，主要包括波特率设定、串口工作方式设定、清通信缓冲区、开中断等。在初始化完成之后通讯部分就一直处在准备接收状态下，一旦上位机有命令发来， HT2012的载波检测口OCD 变为低电平，触发中断，启动接收，程序就进入接收部分。 然后完成主机命令的解释并根据命令去执行相应的操作，最后按一定的格式生成应答帧并送入通信缓冲区，启动发送，完成后关闭SCI。图 5 是串行接收请求帧、回复应答帧程序的流程图。在发送应答帧之后，再次进入等待状态，等待下一条主机命令。4 结语实践证明，上述方法具有结构简单、
10、工作可靠的特点， 完全符合 HART 协议，具有较好的通用性。由于 HART 众多不容置疑的优点， 使得它成为全球应用最广的现场通信协议，已成为工业上实用的标准。因此在今后很长一段时期内，HART协议产品在国内仍然具有十分广阔的市场。参考文献1 R.Burow (T-Berkom), K.Fazel (DLR), P.Hoeher (DLR), O.Klank (DTB), H.Kussmann (Bosch), P.Pogrzeba (TBerkom), P.Robertson (DLR), and M.J.Ruf(Bosch), “DVB -T and DMB in Mobile Environments, ” AG3 (Transmission concepts), Task Force DVB-DMB, February 1998 2 郭梯云，杨家玮，李建东 . 数字移动通信 . 人民邮电出版社 . 2000 3 胡广书 . 数字信号处理 (理论、算法与实现 ). 清华大出版社 . 1997 4 刘宝琴 . ALTERA可编程逻辑器件及其应用. 清华大学出版社 . 1995