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。HART通信部分主要由D/A转换和 Bell202 MODEM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4mA～20mA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4mA～20mA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4mA～20mA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80μA。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4mA～20mA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7.3728MHz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。

　　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。

　　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。

　　总结

　　实践证明，上述方法具有结构简单、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。