對(duì)于儀表HART協(xié)議的研究
在曾經(jīng)的講述中，我們了解了不少有關(guān)于HART協(xié)議的知識(shí)，我們知道，它在總線和一些特定的場合，有著重要的應(yīng)用。這里，我們主要參數(shù)一下HART協(xié)議的儀表應(yīng)用。在這里，我們著重講解了遠(yuǎn)程通信硬件的設(shè)計(jì)，希望能夠幫助大家拓展這方面的知識(shí)。
現(xiàn)場儀表HART協(xié)議遠(yuǎn)程通信硬件設(shè)計(jì)
某現(xiàn)場儀表的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)主要變量和測量?過程參數(shù)?設(shè)備組態(tài)?校準(zhǔn)及診斷信息的訪問?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4mA~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4mA~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4mA~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4mA~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?
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的載波檢測口OCD變?yōu)榈碗娖?觸發(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,*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?
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?
總結(jié)
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),完全符合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),使得它成為全球應(yīng)用*廣的現(xiàn)場通信協(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?
公安機(jī)關(guān)備案號(hào)：
