翟會(huì)

（南京航空航天大學(xué)，南京 2100 16）

0 引言

HART協(xié)議是從模擬量通信到數(shù)字量通信轉(zhuǎn)變的一個(gè)過(guò)渡性協(xié)議。它是事實(shí)上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[1]，擴(kuò)展了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備儀表的數(shù)字通信能力。在各類(lèi)智能儀表、數(shù)據(jù)采集終端有著廣泛的應(yīng)用[1]。

HART協(xié)議采用在4~20mA電流環(huán)路上疊加mA的FSK信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬通信和數(shù)字通信的功能。數(shù)字信號(hào)用兩種不同頻率的正弦信號(hào)來(lái)表示，1200Hz代表數(shù)字邏輯“1”，2200Hz代表數(shù)字邏輯“0”。應(yīng)用層的功能通過(guò)HART命令來(lái)實(shí)現(xiàn)。

由于HART協(xié)議需要使用4~20mA電流環(huán)路作為模擬通信方式[2,3]，所以為了防止對(duì)模擬通信線(xiàn)路的影響，系統(tǒng)的功耗電流必須小于4mA，工程實(shí)際需控制在3.5mA以下。MSP430為T(mén)I公司開(kāi)發(fā)的超低功耗單片機(jī)，具有超低功耗、處理能力強(qiáng)、片上資源豐富、適合工業(yè)運(yùn)行環(huán)境等特點(diǎn)。符合HART通信協(xié)議的智能儀表需求。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 MSP430單片機(jī)

MSP430系列單片機(jī)是TI公司專(zhuān)門(mén)為超低功耗應(yīng)用研制的16位單片機(jī)，其功耗低至200uA/MHz，廣泛的應(yīng)用于消費(fèi)類(lèi)電子、便攜式醫(yī)療儀器、各類(lèi)數(shù)據(jù)儀表中。

1.2 HT20C15

HT20C15是Smar公司生產(chǎn)的單片CMOS微功耗HART調(diào)制解調(diào)器，它只需要外接少量的無(wú)源器件即可滿(mǎn)足HART協(xié)議物理層的需求，可以實(shí)現(xiàn)調(diào)制、解調(diào)、接收濾波、載波檢測(cè)和信號(hào)整形等功能。

HT20C15包含4個(gè)功能模塊：數(shù)據(jù)調(diào)制器和波形整形、載波檢測(cè)、信號(hào)接收和解調(diào)以及時(shí)鐘振蕩器。

HT20C15需要460.8kHz（誤差不超過(guò)±1%）外部時(shí)鐘輸入，3.3V-5.0V供電。

HT20C15調(diào)制解調(diào)器是半雙工的，調(diào)制器和解調(diào)器只能同時(shí)有一個(gè)在工作，工作在貝爾202標(biāo)準(zhǔn)，F(xiàn)SK頻率為1200Hz和2200Hz，調(diào)制解調(diào)速率為1200bps。

1.3 AD421

AD421是AD公司專(zhuān)為HART協(xié)議儀表設(shè)計(jì)的，用于將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為±0.5mA的頻率信號(hào)，疊加在4-20mA的電流環(huán)路上[4]。它同時(shí)還具有開(kāi)關(guān)電流源和濾波器功能模塊，能夠輸出2.5V和1.25V參考電壓用于自身和系統(tǒng)其他器件，為應(yīng)用帶來(lái)極大方便。AD421能夠提供3V、3.3V或5V電壓給其他器件供電，它有兩種工作模式：0mA-40mA普通輸出方式和3.5～24mA報(bào)警輸出方式。

HT20C15和AD421之間的連接電路如圖3所示。

圖1 MSP430的接口及外圍電路Fig.1 MSP430 interface and peripheral circuit

圖2 HT20C15中解調(diào)器解調(diào)示意圖Fig.2 HT20C15 in modem demodulation schemes

圖3 HT20C15和AD421連接電路Fig.3 HT20C15 and AD421 connection circuit

2 軟件設(shè)計(jì)

HART協(xié)議每個(gè)字節(jié)包含1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位奇偶校驗(yàn)位和1位停止位。HART消息幀數(shù)據(jù)長(zhǎng)度不固定，最長(zhǎng)25個(gè)字節(jié)，尋址范圍為0～15，當(dāng)?shù)刂窞?時(shí)，處于DC與數(shù)字通信兼容模式，當(dāng)?shù)刂窞?～15時(shí)，處于全數(shù)字通信模式。系統(tǒng)軟件主要包括測(cè)控程序和HART通信程序。系統(tǒng)軟件負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、串口設(shè)置、數(shù)據(jù)輸出等功能。

3 結(jié)束語(yǔ)

上述基于MSP430單片機(jī)的HART協(xié)議流量計(jì)，實(shí)踐證明實(shí)驗(yàn)方法可行，工作穩(wěn)定，各項(xiàng)性能指標(biāo)良好，較易改裝成其他HART儀表，具有一定的實(shí)用價(jià)值和參考價(jià)值。

[1]高琦.用MSP430開(kāi)發(fā)基于HART協(xié)議的智能儀表[J].自動(dòng)化儀表,2003,24(9):36-38.

[2]余芳,陳琛.遵循HART協(xié)議的智能變送器的通信軟件的設(shè)計(jì)[J].福建電腦,2006,18(9):130-132.

[3]顧偉,費(fèi)元春,周建明.基于A5191HRT和AD421的HART協(xié)議通信模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].今日電子,2004,12(2):70-71.

[4]劉煥成,劉智勇,嚴(yán)征琦,等.基于HART協(xié)議的智能變送器設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2001,6(4):15－16.