基于A5191HRT和AD421的HART协议通信模块的设计与实现

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1、基于A5191HRT和AD421的HART协议通信模块的设计与实现hart协议简介hart协议是一种兼容现行4〜20呃模拟系统的过渡性现场总线标准，协议具备以下特点、:在4〜20叱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；可传送被测变量、设备设置参数、设备检测结果等多种信息；开放的体系结构，任何厂商和用八都能够免费得到；数字响应时间为500ms,突发方式为300msohart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。物理层规定信号的传输

2、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干扰，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“1”,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大小，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时传输的示意图。通信介质的选择视传输距离K短而定，采用双绞电缆传输时最大传输距离可达1500m,线路数据链路层规定hart协议帧

3、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干扰引起的数据误码，实现数据无差错传送。hart协议信息帧的格式如表1所示。现场仪表耍执行hart指令，操作数必须合乎指定的大小。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令。命令分为三类，即通川命令、普通命令和专用命令。HARTKODEIA5191HRT发堆值号整形电路琪牧帯通滤波与能大hart

4、协议通信中，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4〜20呃传统传送最主要的一个测量结果，使用hart协议数字通信的方式和控制设备交换仪表设置参数、屮问测量数据、校准参数等信息。所以hart议通信模块需要完成测量结杲的数字码到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

5、其外围电路实现。其中，ad421通过串彳亍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，输出主要的测量结果。a5191hrt则接收叠加在4〜20胆环路上的信号，对其带通滤波和放大Z后进行载波检测，如果检测到fsk频移键控信号，则将1200hz的信号解调为“1”，2200hz信号解调为“0”，并通过串口通信传输给mcu,mcu接收命令帧并作相应的数据处理。Z后，mcu产生要发回的应答帧，应答帧的数字信号rha5191hrt调制成相应的1200hz和2200hz的fsk频移键控信号，并经过发送信号整形电路进行波形整形后，经ad421叠加在环路上发送。a5191

6、hrt是amisemiconductor公司推出的单片hart调制解调器,采用相位连续的fsk半双工工作方式，数据率为1200bpsoa5191hrt内部集成了符合bell202标准的调制器、解调器、接收滤波器、发送信号整形电路、载波检测等电路，在+3.3v供电时工作电流330pao由Ta5191hrt的这些特点，使设计者使用较少的外部无源元件就能够构建满足hart协议物理层耍求的电路。本设计中当a5191hrt接收时，从4~20呃环路上接收信号，经过带通滤波、放大整形后提取出fsk信号并解调为数字信号，传送给mcu；发送时，从mcu接收数据,进行调制和波形整形后耦合到ad421

7、内部,通过ad421叠加到环路上。a5191hrt和mcu通过后者的通用串行通信接口连接。ad421是adi公司推出的单片高性能数模转换器，主要山电压调幣器、数模转换器和电流放大器组成。电压调整器市运放、带隙基准和外接fet调整管组成，能够从环路中获取电流,为ad421和其他器件提供3・0v、3・3v、或5・0v可选择的供电电压。数模转换器采用E-^dac结构，将16位数字码转换为4〜20叱模拟电流。数字码是通过和mcu的三线接口clock、data和latch从mcu串行输入。