0
  • 聊天消息
  • 系统消息
  • 评论与回复
登录后你可以
  • 下载海量资料
  • 学习在线课程
  • 观看技术视频
  • 写文章/发帖/加入社区
创作中心

完善资料让更多小伙伴认识你,还能领取20积分哦,立即完善>

3天内不再提示

采用HART协议实现现场仪表的通信软硬件设计

电子设计 来源:中国传动网 作者:佚名 2020-03-31 08:03 次阅读

1 、HART协议简介

HART(Highway Addressable Remote Transducer),可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议,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装置提供具有相对低的带宽,适度响应时间的通信,经过10多年的发展,HART技术在国外已经十分成熟,并已成为全球智能仪表的工业标准。

HART协议采用基于Bell202标准的FSK频移键控信号,在低频的 4~20mA模拟信号上叠加幅度为0.5mA的音频数字信号进行双向数字通讯,数据传输率为1.2Mbps。由于FSK信号的平均值为0,不影响传送给控制系统模拟信号的大小,保证了与现有模拟系统的兼容性。

在HART协议通信中,主要的变量和控制信息由4~20mA传送,在需要的情况下,另外的测量、过程参数、设备组态、校准、诊断信息通过HART协议访问。

HART通信采用的是半双工的通信方式。

HART协议参考 ISO/OSI(开放系统互连模型 ),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模拟信号上迭加一个频率信号,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“0”,2200Hz代表逻辑“1”,信号幅值0.5A,如图 1所示。

采用HART协议实现现场仪表的通信软硬件设计

通信介质的选择视传输距离长短而定。通常采用双绞同轴电缆作为传输介质时,最大传输距离可达到1500m。线路总阻抗应在230~1100Ω之间。

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。

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个奇偶校验位和一个停止位。由于数据的有无和长短并不恒定,所以HART数据的长度也是不一样的,最长的HART数据包含25个字节。

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。

2 、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。图2是HART协议通信模块结构设计框图。

采用HART协议实现现场仪表的通信软硬件设计

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4~20mA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4~20mA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4~20mA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4~20mA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。

图3和图4分别是采用的AD421和HT2012的外围电路图。

采用HART协议实现现场仪表的通信软硬件设计

3、 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。

图5是串行接收请求帧、回复应答帧程序的流程图。

采用HART协议实现现场仪表的通信软硬件设计

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。

4 、结语

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。

责任编辑:gt


声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉
  • 传感器
    +关注

    关注

    2526

    文章

    48110

    浏览量

    740108
  • 协议
    +关注

    关注

    2

    文章

    570

    浏览量

    38911
  • 现场仪表
    +关注

    关注

    1

    文章

    8

    浏览量

    8430
收藏 人收藏

    评论

    相关推荐

    支持过程级动态软硬件划分的RSoC设计与实现

    目前,可重构计算平台所支持的动态软硬件划分粒度多处于线程级或指令级,但线程级划分开销太大,而指令级划分又过于复杂,因此很难被用于实际应用之中。本文设计并实现了一种支持过程级动态软硬件划分的可重构片上
    发表于 05-28 13:40

    HART协议简介

    兼容的标准,是现场总线的过渡性标准。HART协议是一个开放性协议,已成为智能仪表事实上的工业标准:1996年,
    发表于 07-28 17:34

    HART协议传输原理

    通信协议,是美国Rosement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装置提供具有相对低的带宽,适度
    发表于 10-24 21:29

    【技术贴】HART协议传输原理和特点

    HART(Highway Addressable Remote Transducer,可寻址远程传感器高速通道)的开放通信协议,是美国Rosement公司于1985年推出的一种用于现场智能
    发表于 02-07 00:02

    HART协议是一种用于现场智能仪表和控制室设备之间的通讯协议

    HART协议是一种用于现场智能仪表和控制室设备之间的通讯协议。使用USB转HART模块可以很方便
    发表于 07-11 08:26

    现场总线通信网关能够实现什么?

    给出了软硬件设计方案。该网关的创新点在于定义了CANBUS的应用层协议,使用该嵌入式现场总线通信网关构建的总线融合通信网络能够完全兼容CAN
    发表于 08-26 06:05

    HART协议在多变量涡街流量计中的实现

    在传统涡街流量计的基础上,设计出带有HART 通讯协议的多变量涡街流量计。介绍了HART 协议规范,详细阐述HART
    发表于 05-30 08:37 32次下载

    基于HART协议的油田测井数据远程通信系统

    为解决油田测井数据的采集以及远距离传输问题, 系统采用HART 协议软硬件原理,并基于HART 协议
    发表于 07-06 17:10 40次下载

    基于HART 协议的手持通信器设计

    基于HART 协议的手持通信器设计 HART协议作为现场总线中的一种过渡
    发表于 02-22 15:49 59次下载

    DTMF远程通信软硬件实现技术

    详述了采用DTMF技术实现远程通信软硬件关键技术" 其电路具有实现简单" 成本低" 可靠性高的特点# 与相关软件配合还可
    发表于 07-22 15:47 52次下载

    HART协议智能仪表自动校验系统的设计和实现

    HART协议智能仪表自动校验系统的设计和实现 介绍HART协议智能
    发表于 10-15 21:36 1023次阅读
    <b class='flag-5'>HART</b><b class='flag-5'>协议</b>智能<b class='flag-5'>仪表</b>自动校验系统的设计和<b class='flag-5'>实现</b>

    HART通信协议现场仪表远程通信中的实现

    HART通信协议现场仪表远程通信中的实现  1 HART
    发表于 02-05 09:31 1483次阅读
    <b class='flag-5'>HART</b><b class='flag-5'>通信协议</b>在<b class='flag-5'>现场</b><b class='flag-5'>仪表</b>远程<b class='flag-5'>通信</b>中的<b class='flag-5'>实现</b>

    基于USB的串行通信软硬件设计

    本文是基于USB的串行通信软硬件设计的详细介绍
    发表于 10-17 17:38 127次下载
    基于USB的串行<b class='flag-5'>通信</b><b class='flag-5'>软硬件</b>设计

    USB的串行通信软硬件设计

    USB的串行通信软硬件设计
    发表于 09-04 10:08 14次下载
    USB的串行<b class='flag-5'>通信</b><b class='flag-5'>软硬件</b>设计

    HART通信协议现场仪表远程通信中的实现

    用于现场智能仪表和控制室设备之间的通信协议HART装置提供具有相对低的带宽,适度响应时间的通信,经过10多年的发展,
    发表于 12-01 02:24 1634次阅读
     <b class='flag-5'>HART</b><b class='flag-5'>通信协议</b>在<b class='flag-5'>现场</b><b class='flag-5'>仪表</b>远程<b class='flag-5'>通信</b>中的<b class='flag-5'>实现</b>