摘要：为了应对传统现场外表的功用晋级需求，增强现场外表与操控主机之间的通讯才能，规划并完结了一款以MSP430单片机为主控芯片，运用HART调制解调器DS8500和环路供电型4～20 mA数/模转换器AD421建立HART通讯协议物理层的HART从机操控器。
导言
现代工业出产活动的正常进行离不开现场设备和与之配套的操控主机，为了充分发挥现场设备的功用，操控主机和现场设备之间有必要要有一套高效牢靠的通讯协议。传统工业操控范畴多运用4～20 mA模仿信号来完结现场设备与操控主机之间的通讯，可是模仿信号传输数据具有传输方向单一、传输数据量少等许多缺乏。为了处理这些问题，在20世纪80年代中期，美国Rosemount公司提出了高速可寻址长途传感器协议(Highway Addressable Remote Transducer，HART)用来增强现场设备与操控主机之间的通讯才能。
HART协议是一种用于现场智能设备与操控主机或监测体系之间的通过模仿线路传输数字信号的通讯协议，在20世纪90年代初移交给HART基金会HCF，由其担任修订更新并向外界发布。
与其他总线技能比较，因为HART协议无需额外的通讯线路就能够通过传统的4～20 mA模仿通讯线路供给数字信号，使得设备厂商花费很小的价值就能对传统设备晋级改造，为用户供给更多的功用，因而HART协议在当时的工业操控范畴中得到了广泛的运用，开展至今现已成为全球智能外表通用的工业规范。本文提出了一种依据TI公司的低功耗的MSP430处理器的HART从机操控器。
1 HART协议简介
HART协议是一种双路、半双工、对传统4～20 mA模仿通讯网络进行增强的向后兼容型通讯协议，为外表、操控和主动化体系拟定了一个双向现场通讯协议规范。HART协议运用贝尔202频移键控(FSK)技能，将低电平的数字通讯信号叠加到传统的4～20 mA模仿信号上，来完结双向现场通讯，数字通讯与现存的模仿通讯体系彻底兼容，并支撑点对点或多点形式的网络装备，为用户供给了一种易于运用和装备的低本钱、高牢靠性的现场通讯处理方案。
HART协议现在参照并完结了OSI(开放体系互连)模型的1～4层和第7层。在本规划的完结中只需考虑简化的3层模型，即第1层物理层、第2层数据链路层和第7层运用层。
HART协议物理层规则了HART信号的传输办法、信号电平、设备阻抗和传输介质等一系列目标。HART协议选用频移键控(FSK)技能，在低频的4～20 mA模仿信号上叠加起伏为0.5 mA的不同频率的正弦电流调制波信号来完结数字通讯，信号传输速率为1200 bps，频率为1200Hz代表“1”，频率为2200Hz代表“0”。如图1所示。
因为数字FSK信号是相位接连的，正弦信号平均值为0，所以HART协议的数字通讯不会对4～20 mA模仿信号形成搅扰，在完结数字通讯的一起，保证了对传统模仿信号的兼容。因而HART协议在通讯过程中能够供给两个通讯信道：4～20 mA模仿信号和数字信号，如图2所示。
4～20 mA模仿信号能够运用4～20 mA电流回路快速地传输现场设备的首要丈量值。此外，HART协议能够通过叠加在模仿线路上的数字信号来传输其他更为详细的设备信息，如设备状况、确诊信息、附加核算值等。两个通讯信道的结合大大提高了现场设备与主机之间的通讯才能。
HART数据链路层界说了一项主从协议，正常运用时，现场设备只要接到主机的信号时才发生应对。最多能够有两个主机，一般是操控体系为榜首主机，手持操控器为第二主机，两个主机通讯互不搅扰。一起，数据链路层规则了HART协议的通讯数据结构，对HART协议在进行通讯时的数据帧格局进行了详细的界说，并选用纵向奇偶查验，依据检错码成果采纳主动重复恳求发送机制，能够有用地消除线路上的偶尔噪声搅扰，为数据传输供给了一个牢靠的通讯途径。HART协议通讯数据帧的格局如图3所示。
HART协议数据帧格局中每个字符包含一个8位的编码数据以及一个开始位、一个奇偶校验位和一个中止位，一般运用串口来完结字符的传输。现场外表作为从机接纳HART指令并发生呼应时，要严厉遵循HART协议的数据帧格局。因为HART协议数据帧的前导符长度不同、数据帧中包含数据长度不确定，因而 HART数据帧的总长度也是不固定的，最长为25字节。
HART协议运用层界说了协议所支撑的指令、呼应、数据状况和状况陈述。在运用层，HART协议为用户供给了HART指令集，指令会集的指令分为3大类，即通用指令、常用指令和设备特定指令。通用指令是一切支撑HART协议的设备均支撑的指令，最常见的如读取产品出产厂商及类型等信息。常用指令关于大部分设备适用，这些指令供给的功用并不是一切设备都支撑，如写变量阻尼值、标定等。设备特定指令只针对某种详细设备的特殊性建立，由仪器制造商指定。
2 HART操控器硬件规划
HART协议是通过在传统的4～20 mA电流环路上叠加±0.5 mA的电流波信号来进行数字通讯，关于搭载了HART模块的现场设备来说，只要整个设备的本身功耗操控在3.5 mA以下，才能够保证模仿信号和数字信号均能正常进行通讯，因而在规划体系时低功耗是首要要考虑的问题。MSP430系列单片机是TI公司的16位超低功耗单片机，为下降功耗专门为芯片规划了灵敏的时钟体系、多种低功耗形式、即时唤醒功用;一起，该系列单片机具有16位RISC结构，运算才能较强，并具有丰厚的片内外设，现已在工业操控范畴得到了广泛的运用。因而，在本规划中选用MSP430单片机系列中的MSP430F149作为HART从机操控器的主控芯片。
4～20 mA的模仿信号通过运用ADI公司的AD421建立外围电路来完结，AD421是一款完好的环路供电型4～20 mA数字转换器，这款DAC选用∑-△结构，可保证16位分辨率和单调性，积分非线性只要±0.01%。一起，AD421彻底兼容规范HART电路或许其他相似的FSK协议，与HART协议FSK通讯电路结合运用时不会使额外功用受到影响，是一款十分合适用来完结HART协议的DAC。AD421及其外围电路规划原理图如图4所示。
AD421通过锁存线LATCH、时钟线CLOCK、数据线DATA与MSP430的I/O口衔接，MCU通过三线接口向AD421传输数据来调整输出的 4～20 mA模仿信号值，AD421的C3引脚接纳HART模块耦合过来的FSK信号，再将信号叠加到电流输出环路中完结数字信号传输，LOOP+和LOOP-分别为4～20 mA电流回路的两个端口。
DS8500是一款由Maxim公司推出的单芯片HART兼容调制解调器%&&&&&%，满意HART协议物理层规范要求。该器材内部集成了1200 Hz/2 200 Hz FSK信号调制、解调功用和数字信号处理功用，仅需很少的外部器材就能完结HART通讯电路的建立，大大下降了电路规划难度。作业时，HART输入信号首要通过ADC采样，然后进行数字滤波、解调，保证在搅扰环境下信号丈量的牢靠性。输出DAC发生正弦波，并供给一路能够在1200 Hz和2200 Hz之间接连切换的低噪信号。接纳时通过禁用发送电路完结低功耗，发送时同理，是一款抱负的低功耗HART调制解调器。DS8500及其外围电路规划原理图如图5所示。
DS8500的数字输入脚D_IN、数字输出脚D_OUT与MSP430的串口衔接。载波检测引脚OCD，发送恳求引脚RTS与MCU的I/O口相连。接纳数据时，MCU拉高RTS引脚，使能DS8500的解调模块，环路上的HART信号通过外围电路的滤波后从DS8500的FSK_IN引脚输入，接纳到有用HART信号后，DS8500的载波检测引脚OCD输出高电平，并将解码后的数据通过D_OUT引脚串行输出，MSP430通过串口中止接纳数据并进行处理。发送数据时，MSP430拉低RTS引脚电平，使能DS8500的调制模块，MSP430即将发送的数据通过串口从D_IN引脚发送给 DS8500，调制后的HART信号由FSK_OUT引脚输出，并通过一个%&&&&&%耦合到AD421的C1引脚，终究叠加到4～20 mA环路路中完结通讯。
3 HART操控器软件程序规划
HART从机操控器软件程序规划首要包含3大部分：AD421驱动程序完结、HART协议通讯帧的正确接纳与剖析、HART运用层指令的应对完结。其间，AD421驱动程序比较简略，官方网站现已供给相应驱动包。而HART指令的应对完结依赖于对数据帧的正确剖析，因而整个操控器软件程序的中心部分便是怎么保证正确接纳到完好的HART数据帧，并从数据帧中提取出有用的信息加以剖析，生成相应的应对数据帧。
HART设备在进行通讯时，首要由主机(上位机或手操器)向从机发送指令，从机(现场设备)接纳到主机的指令后履行相应动作并回来应对数据。因为HART 协议通讯数据帧长度不定，最长为25字节，只具有固定的前导符而没有固定的结束标识符，因而在本操控器的程序规划中运用MSP430的守时器来判别主机缺乏25字节的一帧数据是否发送结束，因为HART协议通讯速率为1200 bps，传输每位数据的时刻约为833μs，因而能够界说一个大于833μs的延时时刻T，当从机最终一次接纳到数据后，通过T时刻没有接纳到新数据就能够认为现已接纳完一帧完好的数据。
体系上电安稳，通过一系列初始化操作后，MSP430操控DS8500翻开解调模块，处于接纳等候状况。当上位机有数据发送过来时，DS8500将解调后的数据通过串口发送给MSP 430，若接纳到的榜首个字符为0xFF(前导符最初字节)则发动守时器，守时5ms(依据需求调整)，并将接纳字符送入接纳缓冲区，尔后每接纳到一个字符马上将该字符存入接纳缓冲区，并重置守时器计数器，直到守时器溢出(5 ms没有接到新数据)或许25字节的接纳缓冲区已被填满。此刻，认为主机现已发送完一帧完好的数据，接下来调用HART数据处理函数，判别接纳者地址为本机后，对接纳缓冲区内的数据进行校验，校验经往后提取出主机发送的指令和数据，依据指令履行相应操作并生成应对数据存入发送缓冲区中。MSP 430翻开DS8500的调制模块，将应对数据从串口传送给DS8500，通过调制后通过4～20 mA环路发送给主机，然后封闭DS8500的调制器，翻开解调器，持续等候下一次指令的到来。操控程序中心部分流程图如图6所示。
HART协议运用层指令的完结依赖于详细的设备，不同的设备需求完结的指令不尽相同，本操控器软件程序运用了一个switch结构来判别从接纳数据帧中提取出来的主机指令。因而，当本操控器运用于不同的设备时，运用层部分只需依据设备需求增加case判别句子和动作履行代码，就可完结对新的指令的支撑，具有很好的可复用性。
结语
与其他总线技能比较，HART协议并不能算是严厉意义上的现场总线(模仿信号与数字信号混合)，这使得难认为其开发一致的通讯接口芯片，一起HART协议作为模仿体系向数字体系进行改变的过渡协议，在智能化、通讯速率等方面又与真实的现场总线存在必定的距离，但这些方面的缺乏并不影响HART协议在世界范围得到广泛的运用。
因为HART协议完结简略、本钱低价、作业牢靠，在未来的很长一段时刻内，HART协议仍将作为事实上的工业规范活泼在工业范畴，这也是本文提出该HART从机操控器规划的原因地点。
HART从机操控器在硬件上运用了很少的元件就完结了HART通讯所必需的物理层建立，具有电路结构简略、本钱低价、安稳性好等长处。与现有设备结合时，能够运用MSP430单片机来完结设备原有功用，HART通讯模块完结HART协议通讯，或许依据设备详细情况直接将HART模块加载于原设备之上，软件程序只需针对设备所运用的单片机类型更改相应的初始化代码，并依据实践需求完结HART运用层的指令应对。现在，该规划现已运用在实践产品上，成功地将一款本来只支撑4～20mA模仿通讯的两线制超声波液位计晋级改造，使其支撑HART协议通讯，而且通过一段时刻的测验调查，通讯安稳，彻底满意了低本钱约束下对传统现场设备晋级改造的需求，具有必定的参考价值。
