基于ＨＡＲＴ协议的智能压力变送器通信模块的研究

[摘要]详细介绍HART通信的基本原理。提出以微处理器msp430单片机为核心，以调制解调芯片HT20C15为通信芯片的通信模块的设计。

[关键词]HART协议 频移键控 串行通信

中图分类号：TN91 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2009）0110038-01

一、HART协议简介

HART（Highway Addressable Remote Transducer）协议即可寻址远程传感器高速通道开放通信协议，是美国Rosemen公司于1985年推出的一种用于现场智能仪表和控制室设备之间的通信协议。

HART协议采用半双工通讯，参考ISO/OSI开放系统互联模型，采用了它的简化三层模型结构，即第一层物理层、第二层数据链路层和第七层应用层。

第一层：物理层。规定了信号的传输方法、传输介质，为了实现模拟通信和数字通信同时进行而又互不干扰，HART协议采用频移键控技术FSK，即在4～20mA模拟信号上叠加一个频率信号，频率信号采用Be11202国际标准，数字信号的传送波特率设定为1200bps，1200Hz代表逻辑“1”，2200Hz代表逻辑“0”，信号幅值0.5mA。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[1]。

第二层：数据链路层。规定了HART帧的格式，实现建立、维护、终结链路通讯功能。HART协议根据冗余检错码信息，采用自动重复请求发送机制，消除由于线路噪音或其他干扰引起的数据通讯出错，实现通讯数据无差错传送。第七层：应用层。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。

二、智能变送器的硬件设计

智能现场仪表要求使用4～20mA传统传送测量结果，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。系统总体框图如图1所示。

传感器通过震荡电路，将金属电容传感器的电容变化信号，转化为与压力有关的电信号，该信号通过放大，调理后送入模数转换器。本设计得模数转换芯片采用的式AD7799。它是AD公司的一款新型、高精度、宽动态范围、24位AD转化器。该芯片具有自动校准、系统校准和背景校准功能，可以消除零点误差、满量程误差及温度漂移的影响。

本设计采用AD公司推出的16位数字模拟变换器AD421，由环路Loop+和Loop-供电，可以将数字信号直接转换成4～20mA电流输出。采用两线路供电，片内有电压调整器，除了能提供自身的用电外，就能给系统其它部分提供5V、3.3V或3V的电压。同时还能提供精准的+1.25V和+2.5V的参考电压。本设计中AD421通过LATCH、CLOCK和DATA与MCU进行串口通信[2]。AD421外围电路连接如图2所示。

本设计中用的调制解调器是HT20C15，采用相位连续的FSK半双工工作方式，数据率为1200bps。片内集成了符合BELL202标准的调制器、解调器、定时电路、检测控制电路[4]。HT20C15的外围接口电路如图3所示。

HT20C15与MCU交换数字信号，同时作为AD421的模拟信号接口。当HT20C15接收时，从4～20mA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，将1200Hz的信号解调为“1”，将2200Hz的信号解调为“0”，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内部，将“1”调制为1200Hz，将“0”调制为2200Hz，通过AD421叠加到环路上。HT20C15和MCU通过后者的通用串行通信接口连接，从而实现HART通信。

三、智能变送器的软件设计

在HART通信过程中，主机发送命令帧，现场仪表通过串行终端接收到命令帧后由MCU作出相应的数据处理，产生应答帧，由MCU触发发送中断，发出应答，从而完成一次命令交换。

在系统上电或者看门狗复位后，主程序要对通信部分进行初始化，主要完成时钟选择、波特率设定、串口工作方式设定、开中断等。

完成初始化之后，通信部分一直处于准备接受状态下，上位机一有命令发来，HT20C15的引脚OCD变为低电平，触发中断，MCU通过串行口启动接收，程序进入接受过程，接收完成后，MCU读主机命令进行解释后，执行相应的操作，最后生成应答帧送入发送缓冲区，引脚INRTS置低，启动发送。发送完应答帧之后，在此等待主机命令，等待下一次中断的到来。

四、结论

基于HART协议的智能产品性能优良，兼容性好，性价比高。HART技术在国外已经很成熟，发展至今，已经成为智能控制领域实际的工业标准。在今后很长的一段时间内，HART协议产品将在国内外仍然具有十分广阔得市场。

参考文献：

[1]Smart International Corp，HART技术指南.

[2]刘薛萍等，基于AD7799的温度采集系统，自动化技术与应用，2007.07.

[3]汪献忠等，AD421在智能变送器中的应用，仪表技术与传感器，2006.03.

[4]Hart Modem HT2015 Application Note. Smart Research Technology Source.

作者简介：

辛晓龙，男，江苏徐州，在读研究生，主要研究方向：测试计量和智能控制，仪器仪表、电子通信。