智能阀门定位器的HART通信接口设计

吴宁胜

(浙江商业职业技术学院应用工程学院，杭州 310053)

阀门定位器是气动调节阀的核心配套仪表，在石化、轻纺及冶金等工业管道系统中应用非常广泛。传统阀门定位器是基于4～20mA模拟信号工业标准设计的，适用于集散控制系统[1]。随着网络通信技术在工业过程控制领域的应用，现场总线系统正在逐步替代集散控制系统，符合现场总线通信协议的智能阀门定位器成为各大公司研究和开发的热点。目前，行业影响力较大的现场总线技术主要有HART(Highway Addressable Remote Transducer)、CAN、Lon Works、FF和Profibus。HART总线在传统模拟信号传输线的基础上实现了数字信号通信，使原有控制系统不需要更改系统架构和工程布线就能直接使用并实现网络化控制和管理，目前在全球范围内广泛使用，已成为智能阀门定位器行业事实上的现场总线标准[2]。因此，对智能阀门定位器的HART通信接口进行研究具有重要意义。

HART既可传输模拟信号，也可传输现场总线的数字信号，从而实现与控制中心的信息交互。根据ISO的OSI参考模型，HART协议分为物理层、数据链路层和应用层。物理层涉及信号的传输方式和传输介质，它是在4～20mA模拟信号上叠加正弦调制信号以实现数字通信，规定数字信号“1”调制成频率为1 200Hz的信号，“0”调制成频率为2 200Hz的信号，数字信号幅值为0.5mA，平均值为0。数据链路层规定了通信数据结构和通信模式，数据传输速率为1 200bit/s；11位数据格式包含一个起始位、8个数据位、一个校验位和一个停止位；字节奇校验。应用层则对各种命令代码作统一规范，有通用命令、普通应用命令和设备专用命令3类。通用命令是所有HART现场设备都必须响应的命令；普通应用命令只被设备部分应用；设备专用命令是生产厂商根据需要制定的命令。

2 HART通信接口硬件设计与分析

2.1 定位器工作原理

基于HART通信协议的智能阀门定位器结构框图如图1所示。其中，超低功耗电源电路用于将4～20mA电流信号转换成电压信号，为HART通信接口电路、微处理器MCU单元和其他电路功能模块提供稳定的工作电压；智能阀门定位器作为通信的从机使用；HART通信接口是MCU控制单元与主机之间的桥梁；隔离电路可以提高系统可靠性[1,3]。

从图1可以看出，基于HART通信协议的智能阀门定位器为二线制设计，与主机的连接只有两条线，4～20mA 电流信号既是给定的阀门位置目标控制信号，也是整个定位器硬件电路正常工作的电源。按照线性稳压电路输出的稳定电压为6.6V进行估算，定位器从控制信号摄取的最小功率是26.4mW(6.6V×4mA)，最大功率是132.0mW(6.6V×20mA)。因此，低功耗设计是定位器正常工作的首要因素，要求各电路功能模块工作于超低功耗模式。

图1 HART通信接口与智能阀门定位器结构框图

2.2 HART通信接口电路

HART通信接口电路主要由接收滤波与调制解调电路、隔离电路、发送驱动电路及微处理器接口等组成(图2)[2,4,5]。通信接口电路所有有源部件均采用超低功耗芯片。调制解调电路的核心是一个HART Modem，国产型号SD2015，典型电流值在工作电压为3.3V时只有90μA，其内部集成符合Bell202标准的调制器/解调器等相关电路，简化了接口电路设计，使系统更加可靠。图2中U5和R25组成精密稳压电路，为SD2015和HART通信隔离电路提供直流偏置电压，实现单电源供电电路对交流信号的处理。

图2 HART通信接口硬件电路

从图2可以看出，调制解调电路与HART数据传输线使用不同的地线(负端)。不同的地电势会产生共模干扰，轻则会造成HART通信中断及4～20mA信号误差等故障，重则会使设备端口器件损坏。只有采用有效的电气隔离方法才能解决上述问题，笔者采用音频隔离变压器T1与隔直电容C13、C15实现HART主电路与4～20mA信号线的隔离。

调制解调电路芯片载波信号输出功率一般都比较小，为此笔者特别增加了由运放U201构成的载波发送驱动电路，较好地实现了通信网络低阻抗情况下的可靠通信。同时，HART通信是一种半双工通信模式，必须配置发送/接收转换电路，笔者采用场效应管Q2作为电子开关并配合SD2015的方法设计发送/接收转换电路。

调制解调电路与微处理器MCU的接口有5个I/O线。MCU通过串联通信端口TXD、RXD和SD2015的ITXD、ORXD进行数据通信。INRTS线控制发送/接收转换，且低电平发送，高电平接收。OCD线是外部载波信号检测输出线，MCU可以判断HART总线是否繁忙。XTAL是芯片SD2015工作时钟输入线，需要460.8kHz时钟源。由于460.8kHz晶振在市场上不容易购买到，因此笔者通过微控制器的PWM模块工作于CTC模式经软件编程分频实现，具有很好的灵活性，降低了生产成本。

3 软件设计与分析

HART通信协议是一种半双工通信模式，由主控设备(上位机)发送通信请求，智能阀门定位器作为从机响应。通信程序主要完成数据链路层和应用层规定的任务，其中，数据链路层的实现是HART通信软件设计的关键。

3.1 数据链路层协议规范

数据链路层规定了通信数据结构和通信模式。从软件设计的角度来看，需要特别注意HART的通信帧格式(表1、2)[5,6]。

表1 HART主机发往从机的数据帧格式

表2 HART从机发往主机的数据帧格式

其中，前导符是5～20个FF十六进制字节，这是为了使数据接收端在硬件电路上产生CD载波检测信号，以实现数据通信的同步。定界符代表数据的传输方向，同时指定了数据帧的帧类型(长、短帧结构)，主机到从机的短结构值为02，长结构值为82；从机到主机的短结构值为06，长结构值为86。地址字节的短结构占一个字节，字节0～4位的表示值是0～15的从机地址；长结构占5个字节，首字节的6位表示从机的生产厂商的代码，第2个字节表示从机设备型号代码，后3～5个字节表示从机的设备序列号，构成唯一标志码。命令号也称为功能码，用于指明一个数据帧的具体实现功能。数据长度指实际数据的数量(如是从机，则包含响应码)。响应码用于报告通信中的错误、接收命令的状态和从机的操作状态。数据字节用于设置或读取指定从机的参数数据(通信的最终结果)。校验字节是从定界符到数据的所有字节的“异或”值，用于检验通信数据帧的错误。

3.2 协议链路层的程序实现

依据HART协议的通信格式可以计算出传送一个字符的时间大约在9ms。如果采用延时等待连续发送方式，一帧长数据就可能要消耗0.5～1.0s的CPU时间，控制的实时性无法保证，因此HART协议链路层程序设计的关键是每一个字节数据的收发都必须采用中断方式实现，中断程序流程如图3所示。在接收中断程序中，定位器510)构成。其中：输入模件、输出模件、电源模件、CPU控制器件、接口模件、总线底板模件和显示器件均为PLC或DCS系统的标准硬件。另外还包括限幅控制单元、充压时间设定单元、设定曲线生成单元和软伺服控制单元，软件单元安装在PLC或DCS系统的CPU控制器件上。

图3 HART协议链路层数据帧接收/发送中断程序流程

4 结束语

HART通信技术已成为工业控制领域中应用最广泛的现场通信协议之一，在仪表领域有着广阔的应用空间。笔者开发的基于HART通信协议的智能阀门定位器具有良好的系统性能，经过批量测试，该智能阀门定位器即使在恶劣的环境下运行依然稳定、可靠。实践证明，基于HART通信协议的智能阀门定位器的通信接口设计具有结构简单及易于实现等优点，对相关产品的研制有重要的指导意义。

[1] 李倩如，赖庆峰，毛晓明，等. HART协议的智能阀门定位器的设计和实现[J].自动化仪表，2010，31(6)：55～57.

[2] 郑文杰. 基于HART协议的智能电动执行机构设计[J].工业仪表与自动化装置，2007，(2)：46～48.

[3] 蔡明，白雪莲，章英.国产新型智能阀门定位器的设计[J].自动化仪表，2011，32(7)：73～75.

[4] 童世华. 基于HART协议的通信圆卡设计[J].工矿自动化，2012，38(9)：112～115.

[5] 李春丽，李巍.基于HART协议的智能仪表通信电路设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2013，13(5)：24～26.

[6] 姜祥真，陈俊杰，操永波. HART主机数据链路层的实现[J].自动化仪表，2010，31(6)：1～4.