基于A5191HRT和AD421的HART协议通信模块的设计与实现

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行波形整形后，经AD421叠加在环路上发送。

　　A5191HRT是AMI Semiconductor公司推出的单片HART调制解调器，采用相位连续的FSK半双工工作方式，数据率为1200bps。A5191HRT内部集成了符合Bell202标准的调制器、解调器、接收滤波器、发送信号整形电路、载波检测等电路，在+3.3V供电时工作电流330μA。由于A5191HRT的这些特点，使设计者使用较少的外部无源元件就能够构建满足HART协议物理层要求的电路。本设计中当A5191HRT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，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，通过AD421叠加到环路上。A5191HRT和MCU通过后者的通用串行通信接口连接。

　　AD421是ADI公司推出的单片高性能数模转换器，主要由电压调整器、数模转换器和电流放大器组成。电压调整器由运放、带隙基准和外接FET调整管组成，能够从环路中获取电流，为AD421和其他器件提供3.0V、3.3V、或5.0V可选择的供电电压。数模转换器采用∑-ΔDAC结构，将16位数字码转换为4～20mA模拟电流。数字码是通过和MCU的三线接口CLOCK、DATA和LATCH从MCU串行输入。A5191HRT及其外围电路设计的原理图见图4所示。