基于A5191HRT和AD421的HART协议通信模块的设计与实现
发布时间:2008/5/29 0:00:00 访问次数:731
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协议通信模块的软硬件设计。
关键词：hart协议；串行通信；频移键控 |
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引言
---hart(highway addressable remote transducer，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年代中期推出，之后又进行了修订和增补，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。由于兼容传统的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中，使用单片hart调制解调器a5191hrt和数模转换器ad421设计实现了其中的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，协议具备以下特点：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，任何厂商和用户都能够免费得到；数字响应时间为500ms，突发方式为300ms。hart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长短而定，采用双绞电缆传输时最大传输距离可达1500m，线路总阻抗应在230～1100ω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。
---现场仪表要执行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4～20ma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、中间测量数据、校准参数等信息。所以hart协议通信模块需要完成测量结果的数字码到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及其外围电路实现。其中，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，输出主要的测量结果。a5191hrt则接收叠加在4～20ma环路上的信号，对其带通滤波和放大之后进行载波检测，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。之后，mcu产生要发回的应答帧，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，并经过发送信号整形电路进
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协议通信模块的软硬件设计。
关键词：hart协议；串行通信；频移键控 |
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引言
---hart(highway addressable remote transducer，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年代中期推出，之后又进行了修订和增补，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。由于兼容传统的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中，使用单片hart调制解调器a5191hrt和数模转换器ad421设计实现了其中的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，协议具备以下特点：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，任何厂商和用户都能够免费得到；数字响应时间为500ms，突发方式为300ms。hart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长短而定，采用双绞电缆传输时最大传输距离可达1500m，线路总阻抗应在230～1100ω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。
---现场仪表要执行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4～20ma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、中间测量数据、校准参数等信息。所以hart协议通信模块需要完成测量结果的数字码到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及其外围电路实现。其中，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，输出主要的测量结果。a5191hrt则接收叠加在4～20ma环路上的信号，对其带通滤波和放大之后进行载波检测，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。之后，mcu产生要发回的应答帧，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，并经过发送信号整形电路进
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