HART协议通信模块的软硬件设计.doc

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1、HART协议通信模块的软硬件设计摘要：首先叙述HART通信协议的发展和协议的层次结构，针对某现场仪表的HART协议远程通信模块的设计与实现的要求，完成了基于HART调制解调器A5191HRT和电流环数模转换器AD421的HART协议通信模块的软换件设计。关键词：HART协议；串行通信；频移键控引言HART（HighwayAddressableRemoteTransducer,可寻址远程传感器高速通道）通信协议由美国Rose-mount公司于20世纪80年代中期推岀，之后乂进行了修订和增补，作为开放标准由HART通信基金会HCF向全世界发布，主要用于现场智能仪表和控制室系统间进行数字通信。市

2、于兼容传统的4〜20mA模拟系统的HART通信协议具有诸多优点，发展至今，它已被世界上三分之二以上的现场设备所采用，成为智能工业控制领域事实上的国际标准。在研制某智能现场仪表的过程屮，使用单片HART调制解调器A5191HRT和数模转换器AD421设计实现了其屮的HART协议远程通信模块，具有高精度、低功耗、低成本、工作可靠性高的优点。HART协议简介HART协议是一种兼容现行4〜20mA模拟系统的过渡性现场总线标准，协议具备以卞特点：在4〜20mA模拟信号上叠加数字信号进行双向数字通信，兼容现行模拟体制；可同时进行点对点的4〜20mA模拟和数字通信；可以使用多站方式进行通信；可传送被测变

3、量、设备设直参数、设备检测结果等多种信息；开放的体系结构，任何厂商和川八都能够免费得到；数字响应时间为500ms,突发方式为300msaHART协议参考ISO/OSI,采用它的简化三层模型结构，包括第一层物理层，第二层数据链路层和第七层应用层。Simultaneousanalogueanddigital物理层规定信号的传输方法、传输介质。HART协议为实现模拟通信和数字通信同时进行而互不T•扰，采用基于Bell202标准的FSK频移键控信号，在低频的4〜20mA模拟信号上叠加音频数字信号进行双向数字通信。音频数字信号的幅度为0,5mA,数据传输率为1200bps,1200Hz代表逻辑'T'

4、,2200Hz代表逻辑''0",如图1所示。由于FSK信号的平均值为0,所以不影响传送给控制系统的模拟信号的人小，保证了与现有模拟系统的兼容性。图2所示为HART协议的数字和模拟信号叠加后同吋传输的示意图。通信介质的选择视传输距离长短而立，采用双绞电缆传输时最人传输距离可达1500m,线路总阻抗应在230〜1100Q之间。数据链路层规定HART协议帧的格式，实现建立、维护、终结链路通信的功能。HART协议根据兀余检错码信息，采川自动重复请求发送机制，消除由于线路噪声或其他〒扰引起的数据谋码，实现数据无差错传送。HART协议信息帧的格式如表1所示。现场仪表要执行HART指令，操作数必须合乎指

5、定的犬小。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1个停止位。由于数据的有无和长短不恒定，所以HART数据的长度也不一样，最长的HART数据包含25字节。应用层即为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。HART协议通信屮，主要的变量或控制信息一般由4〜20mA传送，另外的诸多的测量数据、设备参数、校准信息、诊断信息等通过HART协议传输，采用半双工通信方式。HART协议通信模块的硬件设计某智能现场仪表要求使用4〜20mA传统传送最主要的一个测最结果，使用HART协议数字通信的方式和控制设备交换仪表设宜参数、屮间测量数据、校准

6、参数等信息。所以HART协议通信模块需要完成测最结果的数字码到4〜20mA模拟信号的DA转换，以及上述诸多其他信息的HART协议数字通信。设计完成的HART通信模块结构框图如图3所示。HART协议通信模块主要由HART调制解调器A5191HRT和D/A转换器AD421及其外刖电路实现。其屮,AD421通过串行接口接收现场仪表内部MCU传送的数字信号，转换成4〜20mA电流输出，输出主要的测最结果。A5191HRT则接收叠加在4〜20mA环路上的信号，对其带通滤波和放人之厉进行载波检测，如果检测到FSK频移键控信号，则将1200Hz的信号解调为'T',2200Hz信号解调为、'0〃，并通过出

7、口通信传输给MCU,MCU接收命令帧并作相应的数据处理。之后，MCU产生要发冋的应答帧，应答帧的数字信号由A5191HRT调制成相应的1200Hz和2200Hz的FSK频移键控信号，并经过发送信号報形电路进行波形報形厉，经AD421叠加在环路上发送。A5191HRT是AMISemiconductor公司推出的单片HART调制解调器，采川相位连续的FSK半双工工作方式，数据率为1200bpsoA5191HRT内部集成了符合